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这能为未来的船只提供动力吗？

航运让全球经济持续运转，但大多数货船烧的是船用燃料，这是运输业最脏的燃料之一。那么，人类能否在不影响全球贸易的情况下，减少航运排放？主要办法包括用氨和绿氢作燃料、发展电动和核动力船、更高效的船舶设计，甚至让货船重新借助风力航行。每一种都可能改变海上运输。

（插图指南即将推出）

影响速度成本成熟度自然影响

2.6总体

解决方案评分

  • 影响3 / 5航运承载着几乎所有全球贸易，使用的却是最脏的燃料之一。
  • 速度2 / 5船舶能用几十年，所以船队更新很慢。
  • 成本2 / 5高效能省燃料，但绿色燃料比石油贵得多。
  • 成熟度3 / 5氨和甲醇船舶已投入商业运营，电动船仍在测试中。
  • 自然影响3 / 5减少硫和烟尘，但氨本身也有毒性风险

测验

第 1 题，共 10 题

航运业约占全球碳排放的多少？

得分 0 / 10

旁白稿

海洋覆盖了地球71%的面积[1]. 它们看起来蔚蓝又美丽，但纵观大部分历史，人类都觉得探索它们相当棘手，这也许能解释为什么人类给一颗明明被水覆盖的星球取名叫“地球”。

不过，尽管早期困难重重，如今每天仍有数百万吨原材料、食物、商品和人员穿越这片蓝色海域[2,3,4]. 要是没有大约10万艘运送这些货物的船只[5,6,7]，现代人类世界就会停摆。

但运输这么多东西需要大量能源，而目前几乎所有这些能源都来自造成污染的化石燃料[8,9,10]. 如今，航运约占全球碳排放的2%[11]，如果不采取行动，到2050年这个比例可能升至17%[11,12].

那么，人类该怎样减少这项重要海上贸易对环境的影响？航运的未来会是什么样？

几千年来，海运一直承载着文明的命脉。从古腓尼基人流线优美的划桨战船，到西班牙帝国满载黄金的大帆船，许多国家都随着海上贸易而兴衰。

但真正改变游戏规则的事发生在1783年的法国，当时法国人Claude de Jouffroy把一台蒸汽机装到船上，造出了第一艘蒸汽动力船[13,14,15]. 蒸汽船比以往航行得更快、更远，很快就彻底改变了全球贸易，也为如今庞大的集装箱船腾出了舞台。

如今，庞大的航线网络连接着世界，是全球经济的支柱。它让澳大利亚的铝和刚果的铜运到上海，组装成太阳能板后再送往旧金山。

可惜，和Claude的小蒸汽船不同，运载这些货物的现代巨轮依靠的是会狂吞大量化石燃料的巨型发动机。

航运业每年消耗惊人的20亿桶石油[7,9,16,17]，足够一路铺到月球4次！[18-22] 它每年排放的CO2也比德国还多[23,24].

事实上，航运燃料，也就是船用燃料，是世上最脏的燃料之一[25,26]. 它因产生硫氧化物、氮氧化物和颗粒物等有毒污染物而臭名昭著, [27-30] 还会排放大量二氧化碳。

那么，人类怎样才能洗去海上贸易的排放？通往可持续航运的路上，有六个停靠港。

第一种方法叫慢速航行。这种简单策略在全世界被广泛采用[31-34]. 由于水的密度，燃料消耗会随速度呈指数上升，所以速度只要降低10%，燃料使用和排放就能减少近30%[35,36,141].

可惜，受交货时间和利润空间限制，放慢速度并不总是实际可行[37-40].

所以下一个解决方案，是改善船舶本身的设计。藤壶和海藻等海洋生物会增加船体阻力，因此船员会定期清洗并涂上防污涂层，防止它们附着。

在公海航行时，光滑、没有藤壶的船体能让阻力和燃料消耗最多降低10%[41,42,43].

船体设计正变得更巧妙、更具流线型[44,45,46]，有些船还会使用空气润滑系统[44-48]，在船体下方泵入一层气泡来尽量减少摩擦，并进一步降低阻力[44,46,49-52].

在港口尺寸允许的地方，用大型船替代小型船也是一种实用策略。借助规模效应，大型船每个集装箱单位的燃料消耗和排放最多可减少30%[53-56].

另一个巧妙策略的灵感来自过去的帆船。航运公司正给货船装上巨大的翼状风帆，以减少对发动机动力的需求[57,58].

一种叫作弗莱特纳转子的特殊旋转转子，正被用来利用所谓的“马格努斯效应”，它借助风的气流制造压力差，从而产生额外推力[59,60,61].

有些船甚至用风筝来利用高空风！[62] 这些方法都能减少对发动机动力的需求，并让燃料消耗最多减少30%[63,64,65].

但有个显而易见的解决办法就摆在人类眼前...

一个鲜为人知的事实是，全球运输的所有货物中，约40%其实是化石燃料！[66,67]

这意味着，在陆地上少用煤炭、石油和化石燃气，多用可再生能源，就能大幅减少海上所需货船的数量。

更少的油轮也能降低石油泄漏的风险。这是一举三得！

但即使人类让船开得更慢、设计得更高效，也少运煤、石油和燃气，用化石燃料为船只提供动力始终会产生CO2…

也许显而易见的答案是电气化。毕竟，它对汽车管用，为什么不能用于船？全电动货船已经在挪威等地用于短途运输[68]，而一项最新研究显示，所有集装箱航运中最多40%可以实现电气化[69]. 但这虽然适合短到中等距离，电池却不适合长距离航行。

电池可以和传统发动机组成混合动力系统[70]，但如果只用电池，会占用太多货物储存空间[71,72,73]. 这既不实际又昂贵，所以需要其他解决方案。

或者，人类可以用另一种燃料替代船用燃料。一些航运公司已改用一种叫液化天然气（LNG）的化石燃气，它几乎可以消除有毒的硫排放，并将氮氧化物最多减少80%[74,75,76].

但因为它仍是化石燃料，CO2排放只能减少约20%到30%[77,78,79].

更糟的是，LNG会发生“甲烷逃逸”，未燃烧的甲烷气体会从船舶发动机直接泄漏到大气中[80-83]. 在20年内，甲烷造成的全球变暖影响是CO2的80多倍，所以在至关重要的接下来20年里，LNG对大气的危害会和船用燃料一样大！[84-87]

显然，需要更好的解决方案。

生物燃料登场[88-91]. 理论上，它们可以实现碳中和，并且已经在无需大幅改装的情况下，替代部分船舶发动机中的化石燃料[92,93,94].

问题解决了，对吧？嗯，并不完全是。获取生物燃料可能导致森林砍伐和碳排放，因为人们要清理土地来种植制造它们所需的作物[95-99].

但生物燃料可以由微藻或海藻等可持续来源制成[100,101]，人类正小心培育它们，以确保碳中和。这样一来，生物燃料或许能成为航运和航空等行业脱碳的有力工具[8,102-106].

一个更好的长期选择，或许是用绿氢燃料为船只提供动力[107-110]，它是用风能和太阳能发电，把水分解成氢和氧制成的。

它既可以作为液态氢使用，但必须储存在超低温容器中，也可以转化成更容易储存的液态氨或甲醇燃料[111-117]. 这种燃料转变可能让航运排放几乎降到零！

但绿氢的生产需要迅速扩大规模，说起来容易做起来难[118-121].

最后一种长期选择也可能即将到来：核能航运！[122,123] 小型模块化反应堆和熔盐反应堆等最新突破，再次激起了人们对核能集装箱船的兴趣[124-127].

事实上，未来的核能船已经在设计中了！[124,125,128-130]

那么，人类能不能一劳永逸地让航运业变干净？联合国和International Maritime Organization似乎认为可以，它们的目标是在2050年前实现净零排放[131-134].

为了追踪进展，它们正使用碳强度指标，来评估船只限制CO2排放的效率[135,136,137].

但光是衡量进展还不够：长期转型需要扩大风能和太阳能等可再生能源规模，以生产绿氢、氨和甲醇。再加上生物燃料，这些是替代如今为船只提供动力的化石燃料的关键[8,23,138].

短期来看，通过慢速航行、改进船舶设计、风力和电气化来减少燃料消耗至关重要。

这不会容易，也不会一夜之间发生，但人类必将不断进步，航运的未来会是绿色的！

专家顾问

我们要感谢

Dr. Faïg Abbasov

欧洲交通与环境联合会

航运项目总监

Dr. James Mason

曼彻斯特大学

廷德尔气候变化研究中心

Dr. Conor Walsh

格林威治大学

自然资源研究所

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延伸阅读

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概览

深入见解与报告

解决方案 - 慢速航行

解决方案 - 船舶设计

解决方案 - 风能

解决方案 - 电力

解决方案 - 替代燃料

解决方案 - 核能

其他资源

参考资料

这里的所有链接内容都是英文。

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参考注释

11

交通运输的全球碳排放

2024年，全球交通运输业排放的二氧化碳估计达到90亿吨，在估计总量416亿吨CO2中占一部分（化石燃料和LULUCF - 土地利用、土地利用变化和林业 - 产生的人为CO2排放，包括水泥碳化碳汇）。航运（国际和国内合计）据报占交通运输业排放的10.67%，相当于全球碳排放的2.31%。

之所以选用这些数据，是因为它们较新，而且相关百分比与IMO（国际海事组织）等可靠来源相符。不过，关于这些数据整体准确性的讨论仍在继续。估算航运在全球CO₂排放中的占比，比看上去更复杂，数字会因统计方式不同而变化。

首先，不同研究报告的可能只是CO₂、所有温室气体，或二氧化碳当量（CO₂eq），后者包括甲烷和氧化亚氮等气体，并按其全球变暖潜能值加权。这些指标不能互相替代或直接比较，使用不同指标会明显改变航运排放看起来所占的比例。来源、研究和机构报告常常没有说清具体用了哪种指标，也经常把一种当成另一种来用（例如，本意是“CO2eq”，却写成“CO2”）。

第二，全球基准总量的选择也很重要：有些比较只针对能源相关CO₂，另一些则包括土地利用、土地利用变化和林业（LULUCF）等所有人为来源，这会扩大分母并降低航运看起来的百分比。

第三，国际航运本身很难追踪，因为排放大多发生在国际水域，数据也常来自船用燃料销售，而不是直接监测船舶活动，这就带来了更多不确定性。总的来说，这些方法上的差异意味着，即使基于相同的实际活动，已发布的航运全球排放贡献数据也可能相差很大。

13,14,15

克劳德·德·朱弗罗伊

克洛德-弗朗索瓦-多萝泰，朱弗鲁瓦·达邦侯爵 - 也被称为克洛德·德·朱弗鲁瓦 - 于1776年造出了第一艘蒸汽船。最初的试验失败了，但他后来在1783年用明轮船“Pyroscaphe”取得成功。他多年未能获得专利保护，后来流亡海外。此后，约翰·菲奇和威廉·赛明顿等人也多次试航蒸汽船，直到美国发明家罗伯特·富尔顿于1807年与罗伯特·利文斯顿造出第一艘商业蒸汽船。富尔顿认可了克洛德的贡献，但他的发明很少得到承认 A。

7,9,16,17

桶数

根据资料，如果全球航运使用的3亿吨船用燃料中约75%是重质燃料油（HFO），那么HFO总量为2.25亿吨。假设剩余25%是船用轻柴油（MGO）& 船用柴油（MDO），则为7500万吨。使用[17]这个将燃料量换算成等值桶数的计算器：HFO乘以6.350，MGO/MDO乘以7.460。因此，HFO约为2.25亿 × 6.350 = 1,428,750,000桶。

MGO/MDO约为7500万 × 7.46 = 559,500,000桶。

总桶数 = 1,988,250,000 = 约20亿桶。

18-22

到月球的距离

平均每个桶高33-34英寸 [18,19]，约合850毫米或0.00085千米。因此，20亿 x 0.00085千米 = 1,700,000千米。

到月球的距离 = 384,400千米 [20,21,22]。

1,700,000千米 / 384,400 = 4.42倍地球到月球的距离。

25,26

船用燃料

过去的蒸汽船通常靠燃烧煤炭提供动力。煤炭储存在称为“bunkers”的燃料舱里，这就是现代船用燃料被称为“bunker fuel”的原因。后来燃料舱被燃料罐取代了，但这个名称仍用于燃料本身。“船用燃料”可以指航运中使用的任何燃料类型；并不特指某一种燃料。

44-52

空气润滑系统的燃料消耗和排放减少

空气润滑的燃料消耗和减排百分比因来源而异，因为这些数值取决于具体情况，实验条件也会变化。 有证据显示空气润滑很有潜力，但不同供应商给出的数字并不一样。 例如：

[44] 这篇论文提到空气润滑系统，认为可将燃料消耗最多降低15%。 该数值基于 Engng（1997）的一项研究，但目前无法获取。

[46] 该来源说明，空气润滑系统可以减小阻力，将燃料消耗降低“至少3%”。

[50] 这份报告列举了多种空气润滑系统案例，详细说明了各自实现的减阻和节能效果。 它介绍了一个早期项目：“节能空气润滑船舶项目”（PELS），始于 1999 年，发现平静水域的平均节能效果为3-10%。 其他试验中提到的节能数值 - 涵盖不同实验参数 - 包括：2%、6%、“一些”、1%、压载状态下10%及满载状态下5%、高速时10%、没有明确结果、15%、2%（但由于气泡未附着在船体上，后来降至-0.6%）、10%、5%、4.5%和4%。 完整的实验范围及所得数值的背景见报告第 11 页。

[51] 这项研究发现，燃料消耗和排放量在实验中最多可降低8%。

[52] 该来源报道了一套由 Silverstream Technologies 设计的空气润滑系统，称可将燃料消耗和温室气体排放降低5-10%。

53-56

规模经济的燃料消耗和排放减少

和空气润滑系统一样，燃料消耗和减排数据也有些差异。

[53] 这份资料研究了航运中的规模经济，估计如果整个船队都换成更大的船舶，排放最多可减少30%，预计这需要25年

[56] 这份资料来自一个新闻网站，报道了马士基航运的一艘新型18,000 TEU（二十英尺标准箱）船舶。马士基尚未公布这艘船的燃料消耗信息，但其10,000和16,000 TEU船舶的数据可以查到。因此，研究人员据此推算，称这艘新船每运输一个集装箱的燃油效率比13,100 TEU船舶高35%。这些信息来自德路里航运研究的一篇论文；但公众不易获取这篇论文。

[54] 这篇论文说明，燃料消耗数据属于专有信息，因此很少向公众公开。报告这类信息的资料非常少，所以要获得经过准确验证的数据会非常困难，而且这些数据的实验参数也可能各不相同。

57,58,63

船上使用翼状帆

这些资料介绍了 BAR Technologies 的“WindWings”：这是加装在集装箱船上的大型风帆。它们不像传统船帆，而是硬质结构，由与风力涡轮机相同的材料制成，并且可在港口折叠收起，出海后再展开。这些风帆的作用类似垂直的飞机机翼，用 3 个翼面产生比单翼面更大的空气动力推力，原理和机翼让飞机升空相似，但这里是推动船只前进。

66,67

全球运输货物中化石燃料的比例

[66] 2024年发布的一份报告称，全球货运运力的36%用于运输化石燃料。该数字的计算“采用了现有和已订购液化气运输船及油轮的载重吨位，再加上Clarksons WFR所列现有和已订购散货船载重吨位的17%”。这17%对应“Clarksons Shipping Intelligence Network (SIN)数据中，煤炭贸易在散货贸易（按吨海里计）中的占比”。这项信息的原始来源无法获取。这些数字为估算值。

[67] 2019年的报告与第一份报告得出的结论相符，采用了相同的数据来源，展示全球货运总量。

69

电动集装箱船的潜力

更正：影片称所有货运航运的40%可实现电气化，但这项研究讨论的是集装箱船运输，尤其是较短的区域内航线 - 并非所有货运航运中的40%。

80-84

甲烷泄漏的减少

为减少以LNG为燃料的发动机甲烷逃逸，各类发动机技术都有所进步，较新的发动机设计也减少了未燃甲烷的逸出量。低压双燃料（LPDF）发动机 [84]、高压双燃料（HPDF）发动机 [84]和四冲程奥托循环发动机 [83]等发动机都经历了多项重大技术改进，包括压力、喷射、“跳缸”和运行层面的调整 [83]。因此，甲烷逃逸已大幅减少，但使用LNG时仍是一个普遍问题。

111-117

液态氨和甲醇燃料

由氢制成的液氨和甲醇燃料比液氢燃料更容易储存，但各自也都有需要权衡的重要利弊 [114,115]。最主要的是，两者的体积能量密度都低于传统船用燃料：甲醇需要约 2.5 倍的储存空间，氨则需要约 3 倍。两者对人类和海洋生物都有极强毒性，处理时需要采取额外防护措施。甲醇还极易燃，闪点很低，而燃烧氨可能产生氧化亚氮。最后，这两种燃料的供应都非常有限，要满足航运业需求并应对其他行业开始脱碳后的竞争，就需要大规模生产。不过，就实际的物理储存而言，液氢燃料仍比这两种燃料都更难储存，因为它需要低温深冷容器。

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