实现零碳航运的路径：集装箱船能源转型系统配置的生命周期评估

《Ocean Engineering》：Pathways to zero-carbon shipping: Life cycle assessment of energy transition system configurations for container ships

国际海事组织（IMO）碳中和目标下，本研究构建了包含3种主能源系统、16种燃料及3种辅助系统的172种集装箱船能源配置方案，开发了涵盖全生命周期温室气体排放、成本及合规性的量化模型，创新性地将模糊集理论中的Choquet积分与随机多准则接受分析结合，通过情景模拟验证了氢燃料电池系统与风能辅助方案的经济环境效益优势。

　　

彭中秀|赵宇哲|Theo Notteboom|周静淼

大连海事大学交通研究协同创新中心，中国大连，116026

摘要

在国际海事组织（IMO）净零框架的推动下，集装箱航运业面临着构建可行的能源转型路径的挑战。为了丰富现有的讨论和行动，本研究定义了172种可能的集装箱船上能源系统配置，这些配置结合了三种主要的动力系统、十六种燃料和三种辅助能源系统。从生命周期的角度构建了一个定量模型，涵盖了从“井到船”（Well-to-Wake, WtW）的温室气体（GHG）排放、以二氧化碳当量（CO₂ equivalents, CII_CO2eq）表示的扩展年度碳强度指标、总生命周期成本以及IMO温室气体燃料标准（GFS）的罚款成本。为了考虑偏好不确定性和标准之间的相互作用，将2-加性Choquet积分纳入随机多标准可接受性分析-2（SMAA-2）框架中，以生成概率排名。引入燃料价格和GFS相关参数的情景变化，以评估配置的稳健性。结果表明，电子氢能与单燃料内燃机（MF ICE）或燃料电池（FC）结合使用可以实现完全脱碳。在太阳能或风能辅助下使用的MF灰质船用柴油（MGO）具有出色的成本性能。基于MF的电子氢能配置在各种类型的船舶中占主导地位，而风能辅助系统是首选的辅助选项。本研究为评估集装箱航运的技术转型路径提供了坚实的定量基础。

引言

航运业约占全球人为温室气体（GHG）排放的3%，因此其脱碳成为国际优先事项（IMO, 2021b）。作为回应，国际海事组织（IMO）在2023年设定了到2050年实现净零温室气体排放的雄心勃勃的目标（IMO, 2023）。为了支持实施，MEPC 81采纳了2024年关于船用燃料生命周期温室气体强度的指南，涵盖了从“井到油箱”（Well-to-Tank, WtT）、“油箱到船”（Tank-to-Wake, TtW）和“井到船”（Well-to-Wake, WtW）阶段的CO₂、CH₄和N₂O排放（IMO, 2024b）。此外，IMO在2025年提出了MARPOL附件VI的修订草案，概述了一个特定行业的净零框架，该框架将强制性减排与碳定价相结合（IMO, 2025）。这一净零框架加剧了替代燃料技术的前期投资与合规成本之间的权衡，使得成本效益高的脱碳成为船舶运营商面临的核心挑战。

《国际海事组织2020年第四次温室气体研究》估计，到2050年，大约64%的航运总减排量需要通过采用低碳或零碳燃料来实现（IMO, 2021b; IMO, 2024b）。然而，由于与传统船用燃料相比的成本差异、船上储存限制、基础设施准备不足以及供应链约束，这些燃料的广泛采用仍然受到限制。领先的船级社如DNV和ABS提出了转型路线图，强调替代燃料、动力系统和辅助能源技术的协调发展对于实现脱碳至关重要（ABS, 2024; DNV, 2025a）。虽然单燃料（MF）内燃机（ICEs）继续主导全球船队，但双燃料（DF）ICEs、燃料电池（FCs）和锂电池常被视为有前景的替代方案（Zhao et al., 2024）。同时，风能和太阳能越来越多地被视为互补的附加解决方案，而碳捕获和储存（CCS）技术也被讨论为有效减少船上CO₂排放的末端处理选项（Pan et al., 2021; Wang et al., 2022, 2025c）。附录A中的表A.1总结了本研究中考虑的燃料和动力系统。这份燃料和系统的列表并不全面，但包含了航运领域的主要解决方案方向。例如，核能也已被讨论过，但由于公众接受度低和成本效益差，其大规模采用的可能性不大（Ren and Lützen, 2017; Xing et al., 2021）。

尽管航运业的脱碳技术正在稳步发展，但在动力系统和替代燃料方面仍没有共识，导致技术格局多样化。最近的研究提出分阶段采用液化天然气（LNG）、甲醇、氨和氢气，并结合电动推进和可再生能源来减少排放（Korberg et al., 2021; Pan et al., 2021; Wang et al., 2022）。一些研究仅关注上游的WtT阶段，强调燃料生产路径；或者将分析范围限制在船上的TtW阶段，重点关注动力系统使用燃料期间的排放（Karvounis et al., 2024; Accardo et al., 2025）。然而，生命周期评估（LCA）越来越多地被应用于量化从燃料生产到船舶运营的WtW碳排放（Lindstad et al., 2021; Solakivi et al., 2022; Kanchiralla et al., 2023; Wang et al., 2025a, 2025b; Zhou et al., 2025）。其他研究通过整合成本分析、实验数据和技术经济建模来改进LCA方法，以提高全生命周期温室气体评估的准确性和适用性（Bui et al., 2022; Wang et al., 2024a; Douglas et al., 2025）。

然而，现有的LCA研究在指标系统、关键假设和结果呈现方面往往存在差异，这降低了可解释性，从而促使使用多标准决策分析（MCDA）进行明确的权衡分析（Zanghelini et al., 2018; Munim et al., 2023; Guven and Kayalica, 2024）。实际上，基于专家的主观权重往往无法捕捉不确定性和利益相关者的偏好多样性。随机多标准可接受性分析（SMAA）系列方法通过在不确定偏好下生成排名可接受性来解决这个问题（Lahdelma and Salminen, 2010）。然而，大多数SMAA应用假设加性聚合，可能会忽略标准之间的相互作用，而这在船舶能源系统评估中很常见。结合Choquet积分使得SMAA-Choquet框架能够同时处理偏好不确定性和标准相互依赖性，从而提高决策的稳健性（Pelissari et al., 2022）。

集装箱航运的脱碳面临特殊挑战，因为它约占全球海运贸易的15%和总船队载重吨位的20%，但却贡献了近31%的海洋温室气体排放，使其成为IMO净零框架下的关键脱碳目标（Kramel et al., 2021; Clarksons, 2025c）。然而，现有的针对集装箱船舶的替代燃料和动力系统的评估主要关注有限的技术选项，缺乏配置层面的全面定量分析。这阻碍了对环境、经济和监管维度性能权衡的全面理解（Per?i? et al., 2022; Gray et al., 2024）。为了解决这些差距，本研究将Choquet积分纳入SMAA-2框架，提供了一种评估替代燃料和动力系统配置的新方法。

本研究实证调查了四种代表性的集装箱船舶类型：支线船（2400 TEU）、中型船（6600 TEU）、新巴拿马型船（13,200 TEU）和后巴拿马型船（19,000 TEU）（Clarksons, 2025a）。进行了基于生命周期的定量评估，以评估环境、经济和合规性能，从而确定在IMO净零框架下的最佳替代能源配置。总共构建了172种配置，结合了三种主要的动力系统（MF ICE、DF ICE和固体氧化物FC）、十六种燃料类型（化石衍生、生物衍生和可再生衍生）以及三种辅助能源系统（风能辅助、太阳能板和电池）。这些配置包括传统的灰质船用柴油（MGO）燃料的MF ICE系统，作为比较基准，如图1所示。在配置集中，假设风能辅助系统可以部分减轻主引擎负荷，而电池和太阳能板主要用于提供辅助动力（ABS, 2024; DNV, 2025a）。

本研究的主要贡献如下：

(1)

本研究符合IMO净零框架和2024年LCA指南，构建了一组基于替代能源的动力系统配置。开发了一个定量评估模型，包括核心指标，如WtW温室气体排放、CO₂当量扩展年度碳强度指标（CII_CO2eq）、总生命周期成本和IMO温室气体燃料标准（GFS）的罚款成本，以提高全面性、实际适用性和政策相关性。

(2)

为了考虑偏好不确定性和标准之间的相互作用，本研究通过引入2-加性能力的Choquet积分扩展了传统的SMAA-2框架。据我们所知，这是首次将这种综合方法应用于评估船舶能源系统配置，提高了可解释性并扩展了海事脱碳领域的MCDA应用。

(3)

进行了情景模拟以评估稳健性。这些情景考虑了不同的燃料价格水平、温室气体燃料强度（GFI）目标和GFS罚款率，并对CCS和采用的聚合方法进行了额外的敏感性检查。这评估了排名靠前配置的稳定性，并支持集装箱船舶脱碳的决策。

本文的结构如下。第2节介绍了方法论，包括数据和模型构建。第3节从生命周期的角度报告和讨论了定量结果。最后一节总结了本文。

方法论

本研究将2028年定为基于替代能源的动力系统配置的部署基准年，这与IMO提出的净零框架实施时间表一致。建立了2028-2035年的综合框架，以评估环境性能、经济成本和合规性，如图2所示。首先，通过结合考虑的选项来定义配置集，并获取相应的参数

WtW环境影响分析

图4、图5、图6和图7展示了2028年每种集装箱船舶类型中WtW温室气体排放最低的30种配置及其相应的CII_CO2eq值。

结果表明，在电子燃料中，电子氢气和电子氨在所有船舶类型中都表现出一致的环境性能优势。结合电子氢能与MF ICE或FC的配置无论辅助能源系统如何集成，都能实现净零排放

结论

在IMO净零框架下，集装箱航运的脱碳需要在选择替代能源配置时平衡生命周期环境效益和生命周期经济成本。为了丰富这一领域的现有讨论和行动，本研究采用生命周期视角评估了172种基于替代能源的集装箱船舶动力系统配置，整合了环境影响、经济可行性和合规性。这些指标作为

CRediT作者贡献声明

彭中秀：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论。赵宇哲：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。Theo Notteboom：撰写——审稿与编辑、监督、资源提供。周静淼：撰写——审稿与编辑、验证、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了中国中央高校的基本研究基金[项目编号3132025658]；中国教育部的人文社会科学基金会[项目编号25YJAZH260, 23YJCZH329]；辽宁兴辽英才项目（文化硕士和四类人才）[项目编号XLYC2210040]；国家自然科学基金的联合资金[项目编号U2572209]的支持。