日本船舶工業的脫碳與數字化技術研發進展

近期，日本造船企業協會、日本船舶技術研究協會等5家機構發布了《日本船舶工業的脫碳與數字化》報告，詳細介紹了日本船舶工業在清潔燃料 ( 氨、氫、碳回收甲烷 )、液氫運輸、氫燃料船舶、數字化智能化與自主船舶等領域的技術創新研發和示范應用計劃及最新進展。以此報告為基礎，本文結合日本造船業特點，梳理分析其在脫碳與數字化方面的研發方向及進展，歸納總結日本推動造船業科技創新的做法與經驗，并提出相關建議供業界參考。

一、日本脫碳與數字化研發最新進展

脫碳與數字化是當前世界造船業發展的重點方向，日本在該領域處于領先地位。在脫碳方面，日本的重點是氫、氨等清潔燃料及相關裝備研發以及碳回收甲烷相關技術研發；在數字化方面，日本主要研發領域包括自主航行船舶、智能輔助船、船體監測技術等。

 ( 一 ) 通過清潔燃料替代實現脫碳目標

使用清潔燃料將是全球航運業實現脫碳目標的關鍵。據DNVGL發布的《面向2050年的海事展望》預測，未來5~10年液化天然氣將成為過渡期主要替代能源，到2050年氨氣和甲醇將成為最具前景的碳中和燃料。日本海事界認為，實現航運業“碳中和”需轉向“零排放”船舶，這類船舶將采用氨、氫、碳回收甲烷等新型可替代燃料。為此，日本將通過推進以氫和氨為替代燃料的“下一代船舶”開發及商業化項目，實現在2030年前完成零排放船舶部署的目標。

1.氫燃料技術裝備研制實現多點突破

日本在氫燃料相關技術研發與應用方面的起步較早。2017年，日本成為世界首個發布氫能基本戰略和提出實現氫能社會的國家，并且積極探索氫燃料船舶的可能性，目前的重點是推進液氫運輸船研發、氫燃料發動機產品及核心配套系統開發，以及氫動力裝備在小型船舶上的示范應用。日本取得的最新進展如下。

( 1 ) 完成了世界首艘液氫運輸船海上載貨航行。2014年，川崎重工開始研發世界第一艘液氫專用運輸船。2016年，川崎重工、日本巖谷材料  ( Iwatani )、殼牌日本 ( Shell Japan ) 和日本電力開發公司 ( J-Power ) 成立了“零碳氫能源供應鏈技術研究協會 ( HYSTRA )”，旨在推動氫能源在日本實現社會化應用。2019年12月，川崎重工建造的液氫運輸船“SUISO Frontier”號完工下水，該船全長116 m，寬19 m，約8 000總噸，配備有一個1 250 m3液氫儲罐，可裝載約90 t液態氫。2021年底新船首航，并于2022年1月抵達澳大利亞哈斯汀港 ( Hastings )，在當地裝載了澳大利亞氫能源供應鏈 ( HESC ) 項目的氫氣，然后于2月25日返回日本神戶，這是世界上首次實現液氫長距離海上運輸。“SUISO Frontier”號船舶如圖1所示。

圖1 “SUISO Frontier”號船舶

( 2 ) 聯合推進氫燃料發動機產品及核心配套系統的研發及示范驗證。川崎重工、洋馬動力技術  ( Yanmar Power Technology ) 和日本發動機 ( JENG ) 組成聯合體共同開展氫燃料商業化應用開發項目，并由川崎重工牽頭協調液氫運輸船驗證、液氫供應鏈商業化等各個環節。具體分工如圖2所示，在項目中，川崎重工負責開發4沖程中速機 ( 2 000～3 000 kW )，以及船用氫燃料系統 ( MHFS )——包括氫燃料儲罐和燃料供應系統；洋馬動力技術負責開發4沖程中速、高速輔機 ( 800～1 400 kW )；日本發動機負責開發2沖程低速機 ( 5 000 kW以上 )。2021年8月，3家公司還聯合設立新公司HyEng，負責基礎技術 ( 基本燃燒分析、材料和密封技術等 ) 開發，并研究如何滿足船級社規范要求。此外，九州 ( Kyushu ) 大學和廣島 ( Hiroshima ) 大學將承擔基礎研究 ( 技術測試 )，航運公司和船廠將配合開展新技術應用前的實船驗證。項目總投資約219億日元 ( 約210億日元來自綠色創新基金 )，計劃2026年完成用于各種場景的發動機產品系列以及船用氫燃料儲罐、燃料供應系統的開發與示范驗證。

圖2 氫燃料商業化應用開發項目

 ( 3 ) 氫燃料渡輪“Hydro Bingo”完工標志著日本海事業“未來氫社會的開端”。2019年，日本常石集團旗下鋁合金客船建造企業TFC ( Tsuneishi Facilities & Craft ) 與比利時海事集團 ( CMB ) 合資成立賓果研究院 ( Bingo Research Institute )，共同開發氫動力船舶。2021年7月，世界上第一艘氫燃料渡輪“Hydro Bingo”完工。該船配備2臺氫-柴雙燃料發動機“Hypenta DB-1000”，可實現較傳統柴油發動機減少50%的CO2排放。由于采用混合燃料發動機，“Hydro Bingo”可在無法獲得氫燃料的海域僅使用柴油航行。此外，氫燃料儲罐安裝在可移動拖車上，可通過替換整個儲罐方式實現加氫，從而不需在碼頭建設專門的氫加注設施。2021年，CMB和神原汽船 ( KAMBARA KISEN ) 增加了Bingo研究院的資本金并將其更名為“JPNH2YDRO”，參與項目合作的公司增加至3家。利用建造“Hydro Bingo”號積累的專有技術，JPNH2YDRO已決定2024年在常石造船建造1艘氫動力拖船，并從2022年開始著手解決新拖船需要更強大動力、大型氫發動機安裝與使用等技術問題。

2.氨燃料船舶及配套系統研發有序推進

氨燃料船舶 ( 拖船、液氨運輸船及相關推進系統 ) 作為“下一代船舶”開發及商業化項目內容之一，獲得了日本政府專項支持。目前，從事船用氨燃料技術商業化項目的聯合體有兩家。

第一家聯合體由日本郵船 ( NYK )、日本造船① ( NSY )、日本發動機 ( J-ENG )、IHI動力系統等4家公司組成，將完成1艘國內拖船和1艘遠洋氨動力船的開發和運營，按計劃前者2024年完工，后者2026年完工，日本船級社也將參與項目 ( 見表 1、圖3 ) 。本項目總投資約120億日元，其中財政支持最多可達84億日元。

表1 氨燃料船舶開發綜合項目

圖3 氨燃料船舶開發綜合項目

另一家項目聯合體由伊藤忠商事 ( Itochu ) 、 日本造船 ( NSY )、三井E&S、川崎汽船和NS United海運5家公司組成。項目將開發1套氨燃料推進系統和1艘船舶，并建設覆蓋燃料生產、燃料供應的供應鏈，目標是最早在2028年實現氨燃料船舶商業化應用。項目預計總投資30億日元，其中20億日元為財政支持。

3.積極研發碳回收甲烷技術裝備

LNG動力船舶降低甲烷逃逸技術是“下一代船舶”開發及商業化項目之一，由日立造船、洋馬動力技術和商船三井聯合承擔。

氫、氨將發展為未來廣泛使用的清潔燃料，但考慮到技術開發、硬件基礎設施建設等不確定性，在2050年前的能源消費中，LNG和碳回收甲烷仍然有望作為國際航運的主要燃料之一。然而，降低甲烷逃逸是面臨的主要問題。因此，上述3家公司將合作開發催化技術，以及采用降低甲烷逃逸技術的新型發動機系統，并由商船三井在日本名村造船訂造的1艘大型LNG燃料運煤船上進行驗證，預計到2026年實現LNG動力船甲烷逃逸降低70%以上的目標。本項目總投資約11億日元，其中約6億日元由財政支持。

應用催化技術是降低甲烷逃逸的關鍵手段之一。日立造船將開發一種甲烷氧化催化劑，使主機在運行時具有較高的甲烷逃逸還原性能。本項目將驗證日立造船的催化劑和船用發動機技術，同時還將聯合洋馬動力系統進行發動機技術升級，包括創新發動機燃燒技術、提高甲烷氧化催化劑的還原比例、開發降低主機甲烷逃逸技術，并基于以上技術開發一種新型發動機。

 ( 二 ) 加快新一代信息技術等在船舶領域的示范應用

智能船舶融合了現代信息技術和人工智能等新技術，是未來船舶發展的重點方向之一。日本將智能船舶研發作為未來產業突破的關鍵領域，重點方向是自主航行船舶、智能輔助船舶和智能監測系統的研發和示范應用。

1.自主航行船舶完成實船驗證

依托“Nippon Foundation MEGURI 2040全自主無人船”計劃，日本正在開展“完全自主船舶未來設計 ( Designing the Future of Full Autonomous Ship， DFFAS )”項目，具體路線如圖4所示。本項目不僅涉及靠泊和離泊的自動化、按照航行計劃和避碰計劃進行航行，還包括開發和驗證一套能夠實現包括陸上監視、態勢評估和緊急情況下遠程操縱等自動操作的綜合系統。同時，該項目還將致力于安全和環保，幫助解決沿海航運業勞動力不足問題。

圖4 DFFAS項目路線

DFFAS項目聯合體由航運、造船、船舶機械、通信、船舶管理、保險、IT等代表不同領域的30多家日本公司組成，包括船級社、研究機構和各種制造商在內，約有60余家國內公司參與這項開放創新項目。其中，日本郵船旗下的日本海洋科學公司 ( Japan Marine Science Incorporation ) 作為項目牽頭方，將通過推廣全自主航行推動物流革命，并向世界展示日本海事業的競爭力。

2022年2月，項目利用749總噸的“SUZAKU” 集裝箱船，在東京灣和伊勢灣 ( Ise Bay ) 之間的擁擠水域完成了航行驗證。船上的自主系統作為一個模塊被安置在40英尺的集裝箱內。在航行前，陸上基于船舶的信息、航速和其他條件自動生成航行計劃，在完成安全檢查和授權后，按照計劃進入自主航行。位于東京附近的岸上船隊運營中心，可實時收集與航行相關的所有數據 ( 如氣候和海況 )，并完全掌握船只位置以及自主系統采取的避碰決策。在自主航行的同時，也可根據情況由陸上進行遠程操控，從而確保航行安全。

2.交付首艘智能輔助近海船舶

2019年，40多家日本近海航運船東、發動機制造商和設計公司組建了近海航運未來研究 ( the Future Study of Coastal Shipping ) 小組，以解決日本近海航運業面臨的勞動力老齡化、人員短缺等問題，并改善工作條件和減少溫室氣體排放。在各方努力下，智能輔助船 ( Smart Assist Ship ) 作為應用數字技術的下一代節能型近海船舶已經誕生。

日本近海船建造企業本瓦造船 ( Hongawara SY ) 開發了一套包含“遠程貨物中央處理系統”“靠泊和離泊支持系統”和“遠程管理系統”的新系統，并成功用于199總噸的液態蘇打專用運輸船近海船“RYUTO”號，有效滿足了船東Fuji Kisen 對新型船舶的需求，包括減少貨物裝卸和清潔工作、減少靠泊和離泊作業中所需的船員高技能工作量并增強安全性、減少主機艙工作量等。

3.實現智能監測系統示范應用

2018年，日本船舶技術研究協會在日本最大私人基金會之一的日本財團 ( Nippon Foundation ) 支持下啟動了“船體結構高精度數字孿生模型研發”項目，有包括日本聯合造船在內6家造船企業以及大學、航運公司、國家海事研究機構和日本船級社等參與，共同研究數字孿生技術 ( 把船舶海上航行時船體狀態在網絡空間再現 )。2021年7月28日，21萬t散貨船“DREAM CLOVER”號在日本聯合造船的津 ( Tsu ) 工場下水，其安裝了可以測量和記錄船體壓力的船體監測系統。通過監測系統，船體產生的應力可以與海況等實時數據一并獲得，從而更加準確地掌握船舶在海上的實際情況，通過評估船體結構強度，為船員提供適當的技術支持。

在此之前，2016—2020年，日本聯合造船與日本郵船及其下屬研發機構MTI在國土交通省的支持下，已經完成了“超大型集裝箱船的船體結構健康監測研究”項目，通過在14 000 TEU集裝箱船整個船體上布置傳感器，可收集船舶航行時船體上承受的壓力數據，通過了解壓力如何影響船體強度，幫助開發船舶設計驗證和安全航行相關系統。

二、典型做法與經驗分析

日本船舶工業在推進脫碳與數字化研發過程中，按照研發的重要程度、產業趨勢、需求特點等，形成了具有自身特點的研發體系、組織模式和政策體系，其以政府主導、協同分工、國際合作等為特色的科技研發管理做法值得借鑒。

 ( 一 ) 將綠色船舶研發納入國家“碳中和”戰略體系，提出明確的發展目標和實施路徑

2020年12月，日本政府發布《綠色增長戰略》，2021年更新為《2050碳中和綠色增長戰略》，這被視為日本2050年實現“碳中和”時間表和路線圖，其中，船舶產業作為14個產業之一，明確了未來發展目標和重點。該戰略確立了船舶產業在推動日本“碳中和”戰略中的重要作用，對產業發展具有頂層牽引和推動作用。

根據上述戰略，日本船舶產業發展目標是在2025—2030年實現零排放船舶商用化，到2050年將現有傳統燃料船舶全部轉化為氫、氨、LNG等無碳/低碳燃料船舶。重點任務包括：促進面向近距離、小型船只使用的氫燃料電池系統和電推進系統的研發和普及；推進面向遠距離、大型船只使用的氫、氨燃料發動機以及附帶的燃料儲罐、燃料供給系統的開發和實用化進程；積極參與國際海事組織 ( IMO ) 主導的船舶燃料性能指標修訂工作，以減少外來船舶CO2排放；提升LNG燃料船舶的運輸能力，提升運輸效率。

 ( 二 ) 通過政府主導的綠色創新基金支持“下 一代船舶”研制項目，推動綠色智能技術突破

為了推動“2050碳中和綠色增長戰略”實施， 2021年3月日本經濟產業省設立“綠色創新基金”，總額達2萬億日元 ( 超過1 000億元人民幣 )， 共覆蓋17個領域，“下一代船舶”開發及商業化項目是其中之一。經濟產業省產業結構委員會綠色創新分委會負責制定“項目資金分配政策”，相關資金提供給經濟產業省下屬獨立行政法人機構——新能源產業技術綜合開發機構 ( NEDO )，用以支持研發、示范及社會實施。

目前，日本已安排350億日元 ( 約合18億元人民幣 ) 預算資金用于“下一代船舶”開發及商業化項目，2021年10月確定的4項課題由航運公司、船廠、主機廠商和貿易公司等12家單位合作承擔，此外還有大學、航運協會等參與，目標是在2030年前實現零排放船舶的商業化運營。

( 三 ) 引導航運、造船、配套等產業鏈上下游協同參與研發項目，整合優勢資源，打造共贏生態

不同于韓國龍頭企業扛大旗的組織方式，日本開展清潔能源、智能船舶等方面研究開發，主要由國土交通省等政府部門引領，由政府背景的社會團體組織牽頭 ( 如NEDO )，聯合業內優勢企業、船級社、船東等利益相關方共同參與，通過產業上下游聯合研發，積極培育和打造產業生態圈，推動全產業鏈整體提升和變革。

以DFFAS項目為例，該項目由日本海洋科學公司 ( Japan Marine Science ) 牽頭，初始有參研單位22家，現已達到30家。與以往智能船舶項目聚焦船舶本身不同，DFFAS項目的參研單位囊括了航運、造船、科研機構、海事服務、機械制造商、通導設備制造商等諸多領域的日本企業，甚至包括了日本電報電話公司 ( NTT ) 、日本無線電公司 ( Japan Radio ) 等通信服務商，顯示設備制造商藝卓 ( EIZO Corporation )、日本氣象新聞公司、東京海上日動火災保險和SKY Perfect JSAT衛星服務公司等。

( 四 ) 高度重視國際法規、標準對產業發展的引領作用，積極爭奪國際話語權和構建技術壁壘

日本格外重視國際法規、標準對產業發展的引領作用，早在2006年就發布《日本國際標準綜合戰略》，從頂層謀劃和布局國際標準制定競爭。在海事領域，日本是IMO重要成員國，近年來積極搶占國際標準高地，提升清潔燃料替代、智能船舶等領域的競爭力。

以智能船舶為例，日本將國際規則制定作為其智能船舶發展戰略的重要一環，認為這是面向智能船舶未來競爭和發展的重要“戰場”。日本以“智能船舶應用平臺 ( Smart Ship Application Platform， SSAP )”項目為基礎，先后主導提出并推動了10余項國際標準，覆蓋了船舶通導、航向控制、航行記錄、信息傳輸等領域，形成了圍繞“船舶數據中心”( ShipDC ) 概念和架構的系列國際標準集合，在國際上具有了一定的認可度，可能對全球智能船舶未來技術路線的選擇起到一定引領作用。

三、相關啟示

日本作為零碳船舶、智能船舶產業國際海事規則制定的強勢參與方，其在科研項目設置、技術路線選擇等方面的做法，對我國的發展具有很好的借鑒價值。

一是在全球造船業綠色化、智能化發展加速和競爭日趨激烈的背景下，我國造船業應加強頂層統籌規劃，研究制定造船業中長期綠色化、智能化轉型戰略，加大政策引導與資金支持，爭取在船舶綠色化、智能化競爭中搶奪先機。

二是發揮我國造船業在研發設計、組裝建造、配套服務等全產業鏈優勢，構建產業鏈上下游企業分工明確、協同協作的行業發展格局，推動國內海事領域綠色、智能技術和裝備研發、設計制造、試驗驗證、示范應用和產業化推廣。

三是重視國際規則將對未來行業發展的“塑造”作用，積極參與國際標準研究與制定，主動向 IMO、ISO等國際組織提案，爭奪國際話語權，在面向未來的競爭中掌握主動。