LNG动力邮轮研发热潮下的思考

相比传统燃油，LNG可有效减少90%~99%的硫氧化物和微小颗粒物、80%左右的氮氧化物等污染物排放，以及20%~25%的二氧化碳温室气体排放，满足IMO的0.5%限硫令和Tier Ⅲ排放标准，被航运界视为未来一段时间内的主要清洁能源。

LNG在邮轮上的应用主要有两个途径：一是用作双燃料主机的燃料；二是用作燃料电池的燃料。目前以前者相对成熟，后者尚处于研究示范应用阶段。

1.  LNG动力大型邮轮“AIDAnova”号

2018年年底，经历两次延期后，世界第一条完全采用LNG动力的邮轮“AIDAnova”号在德国迈尔船厂建成交付，开启了邮轮进入LNG时代的大幕。“AIDAnova”号是嘉年华集团的“Excellence-Helios”级系列18万总吨级LNG动力邮轮的首制船，也是目前嘉年华集团最大的邮轮。之所以称之为“世界第一条真正意义上的LNG动力邮轮”，是相对“AIDAprima”号和“AIDAperla”号两艘邮轮而言的：这两艘邮轮均由日本三菱重工建造，均配备了Cartepillar的MaK双燃料发动机，在停泊时可使用LNG燃料，但船上没有LNG储存装置，因此不能在正常航行和进出港时使用LNG动力。

（图片来源：www.ilsenburger-grobblech.de）

“AIDAnova”号装有4台MaK 16M-46DF双燃料发电机组，总功率61.76 MW；配3个LNG储罐，总容积3570 m3，足够支撑该船航行2周；其中2个较大的储罐长35 m，直径7.8 m，容积1525 m3；另有1个较小的储罐长28 m，直径5 m，容积520 m3。罐体采用 Ilsenburger Grobblech公司的X8Ni9镍合金钢，可承受-196 ℃的低温，最大板厚50 mm，最小抗拉强度640 MPa，钢板总重308 t。另外，该船还设有3 000 m3的MGO储存舱。 

图2  “AIDAnova”号的LNG储罐外形

2019年年底，同样经历二次延期后，“Excellence-Helios”级系列第二条，同时也是世界第二条LNG动力邮轮“Costa Smeralda”号也已在迈尔图库船厂建成交付。

2.  LNG动力大型邮轮新造船情况

LNG动力大型邮轮订单占比逐年稳步上升，根据Cruise Industry News的统计，2020年~2025年间将有48艘大型邮轮建造交付，其中有20艘采用LNG动力，占比高达42%。表1列出了LNG动力大型邮轮新造船的概况，可见地中海、皇家加勒比、嘉年华、迪斯尼都已订购了LNG动力大型邮轮。

表1  2020年~2025年交付的LNG动力大型邮轮新造船情况

总体上，LNG动力邮轮新造船的总吨位要大于常规电力推进邮轮。除迪斯尼邮轮的3艘14万总吨邮轮外，其余17艘LNG动力邮轮均为超大型邮轮。据作者计算，LNG动力邮轮新造船的总吨位均值18.1万，远大于常规电力推进邮轮新造船14.6万的均值。显然，LNG动力邮轮需要较大的空间来布置LNG储罐，进一步加速船型的大型化趋势。

在乘客空间比、乘客船员比和每客位造价三项指标上，LNG动力邮轮和常规电力推进邮轮相差不大。LNG动力邮轮的每客位造价均值为22.8万美元，甚至小于后者的24.9万美元，一个重要原因是前者船型偏大，标准床位相对多，进而摊薄了建造成本。当然，由于船型偏大，LNG邮轮新造船的整体造价要高出不少。 

图3  大型邮轮新造船的两项指标

3.  LNG动力探险邮轮新造船情况 

相对于2017年2艘和2018年4艘的交付量来说，2019-2023年的探险邮轮新造船共有47艘，年均近10艘，可以用爆发式增长来形容。这波行情主要是由南极、北极探险旅游升温带动的。

      庞洛邮轮的“Le Commandant Charcot”号是高端奢侈探险邮轮的代表，是世界上第一条，也是目前唯一一条LNG动力探险邮轮新造船。该船装有4台瓦锡兰14V31DF和2台10V31DF双燃料发电机组，总功率40 MW；采用法国GTT公司的“MARK III”薄膜型LNG储存舱，舱容4 500 m3，是世界上第一条采用薄膜型LNG储存舱，而非C型罐的邮轮；乘客空间比高达117，每床位造价高达120万美元，两项指标均为所有探险邮轮新造船中最高。

表2 2020年~2025年交付的LNG动力探险邮轮新造船情况

（数据来源：www.cruiseindustrynews.com，更新至2020年8月）

4.  LNG燃料电池应用情况

燃料电池具有能量转化效率高、无环境污染物排放、可低温快速启动、振动和噪声等级低等优点，是颇具潜力的船舶动力装置。燃料电池按其电解质不同，可分为质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池和碱性燃料电池等几种。理论上燃料电池的能量转化效率可高达90%，由于在工作时受各种条件限制，目前各类燃料电池的实际能量转化效率为40%~60%。

爱达邮轮计划于2021年在“AIDAnova”号上启动一项名为“Pa-X-ell2”的燃料电池测试项目。该项目由德国联邦交通和数字基础设施部资助，旨在联合工业界探索在大型客船上应用燃料电池的混合动力技术。燃油电池使用甲醇制备氢燃料，首次车间试验显示电池的工作寿命超过35 000小时，即4年以上。

LNG可直接用作固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池的燃料气，也可作为原料加热制氢后作为氢燃料电池。

瓦锡兰比较关注燃用LNG的船用固体氧化物燃料电池的开发，WFC20 20kW燃料电池已实现客船的示范应用。该电池采用模块化设计，可以采用多个燃料电池单元构建成大型系统。目前瓦锡兰正致力于50 kW以上燃料电池的商业化产品开发。

预定于2022年交船的地中海“欧罗巴”号LNG动力邮轮将示范安装一台50 kW的固体氧化物燃料电池。该燃料电池由法国Entrepose公司设计，使用LNG作为燃料，工作温度约750度，最高电能转化效率60%；能同时消除硫氧化物、氮氧化物和微小颗粒物的排放；与常规双燃料主机相比，能减少~30%的温室气体排放。

总体上，目前燃料电池技术还不成熟，功率小，寿命短，成本高，燃料储存难度大，离大规模商业应用还有不小的差距。

图4  丰田开发的250kW LNG燃料电池样机

5.  讨论

采用LNG动力是邮轮，特别是大型邮轮的重要发展趋势。我国正致力于邮轮设计制造领域的技术攻关，不能忽视这一发展趋势。使用LNG动力，势必加大邮轮的开发设计和建造难度，我们必须立即着手建立相关技术储备。但也需理性看待LNG在邮轮上的应用前景。

(1)    LNG本身只是解决温室气体零排放的过渡解决方案

环保主义组织“航运清洁联盟”在一份提交给IMO的技术报告中声称，LNG中的主要成分甲烷本身就是一种温室气体。以100年时间计算，每克化石甲烷对气候造成的直接影响是等量二氧化碳的30倍。而在LNG的生产、运输、加注、使用的整个周期过程中，存在大量“甲烷逃逸”。造船和航运界比较关注发动机工作时的“甲烷逃逸”，但据称LNG生产过程中的“甲烷逃逸”更为严重。从这个角度看，广泛采用LNG反而可能加快温室气体排放总量的增长。因此，该组织呼吁IMO的温室气体减排战略应当关注“真正的”低碳燃料，将LNG从低碳替代燃料的名单中剔除，但目前各界鲜有响应。

即使不考虑“甲烷逃逸”，LNG还是会有二氧化碳排放，只是解决零碳排放的过渡解决方案。

正所谓“现实很骨感”，目前LNG码头加注设施尚不完善，大都只能依靠槽罐车加注，加载速度慢，加注作业安全法规不健全，影响了邮轮了运营调度。在欧洲这样LNG码头加注设施相对完善的地区尚且如此，不难想象在其它地区的状况。

若要维持同等规模的公共区域和居住区域，采用LNG动力，必将增大船体规模，与双燃料发动机、燃料供气系统等设备一起推高建造成本。采用LNG动力，也将增加设计难度和成本。LNG动力装置的维护成本也要高于常规动力，相应的船员素质也要高些。理论上，LNG具有成本优势，但这是长期行为。设计、建造和运营成本的增加，不可避免地给邮轮公司带来经济压力，如果转嫁于消费者必将增加运营的难度。

至今为止，诺唯真邮轮集团和云顶香港邮轮集团都没有订造LNG动力邮轮，这取决于邮轮公司的经营策略。正如商船领域一样，邮轮使用LNG燃料是一种重要的选择，但不是唯一的选择。至少短期内低硫油、脱硫塔两种减排方案仍具有不小的吸引力，船东需要综合政策法规、安全性、配套供应设施、品牌效应，特别是经济性分析作出决策。

总之，LNG不可能在短期内完全取代常规燃油能源。

现阶段，在燃料电池尚不成熟的情况下，采用LNG双燃料发电机为主，LNG燃料电池为辅的组合方式，不失为一种节能减排的优化方案，值得探讨。使用LNG燃料电池，起码不需要担心燃料的储存问题。目前，氢燃料电池研究走在前列。但综合多方信息来看，造船界更看好固体氧化物燃料电池的潜力，但这种电池的积碳问题较为棘手。

【数据来源】

https://www.cruisemapper.com

https://www.ilsenburger-grobblech.de

https://www.cruiseindustrynews.com

https://www.zhihu.com