浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2026, 60(11): 2383-2394 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2026.11.008

机械工程

e-fuels助力国际航运深度脱碳的策略

张璇,, 金超,, AMPAHJeffrey Dankwa, 李婧瑶, 杨洁, 黄志雄, 刘海峰, 尧命发

1. 天津大学 先进内燃动力全国重点实验室，天津 300072

2. 天津大学 环境科学与工程学院，天津 300350

3. 广西大学 机械工程学院，广西壮族自治区 南宁 530004

Role of e-fuels in deep decarbonization strategies for international shipping

ZHANG Xuan,, JIN Chao,, AMPAH Jeffrey Dankwa, LI Jingyao, YANG Jie, HUANG Zhixiong, LIU Haifeng, YAO Mingfa

1. State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072, China

2. School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300350, China

3. School of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China

通讯作者: 金超，女，教授. orcid.org/0000-0002-3700-2574. E-mail：jinchao@tju.edu.cn

收稿日期: 2025-12-19  

基金资助: 国家自然科学基金国际（地区）合作与交流项目（22461142138）.

Received: 2025-12-19  

Fund supported: 国家自然科学基金国际（地区）合作与交流项目（22461142138）.

作者简介 About authors

张璇（1999—），女，博士生，从事全球能源碳中和及碳移除宏观策略研究.orcid.org/0009-0007-5421-6199.E-mail：xuan_zhang@tju.edu.cn , E-mail：xuan_zhang@tju.edu.cn

摘要

评估e-fuels在实现国际航运到2050年净零排放中的作用及其对全球能源—土地—水系统的影响. 基于全球变化评估模型（GCAM），构建“可再生电力—绿氢—碳源—多类e-fuels合成—终端消费部门”的全链条模块，设置基准情景与JUST-efuel情景进行对比分析. 结果表明，e-fuels通过优化燃料结构、降低燃料排放强度与减少服务需求这3条路径推动国际航运脱碳；e-fuels至2040年成为主导燃料，2050年航运服务需求较基准情景下降约33.3%. e-fuels供应呈现多元化特征，以绿氢为核心，e-甲醇和e-二甲醚作为主要补充，e-氨与e-柴油占比较低. e-fuels的部署将推动制氢供应结构的转变，绿电制氢自2035年后迅速占优，拉动可再生能源发电量的提升；该部署能够降低对生物质依赖，缓解对土地、水与农业资源的竞争. e-fuels不仅为国际航运深度脱碳提供了可行方案，也为能源—交通—环境系统的协同转型提供了重要路径. 实现该转型依赖于大规模清洁电力供应与跨部门系统规划.

关键词： e-fuels ; 国际航运 ; 绿电 ; 深度脱碳 ; 净零排放

Abstract

The role of e-fuels in achieving net-zero emissions in international shipping by 2050 and their impacts on the global energy–land–water system were evaluated. An integrated supply-chain module linking renewable electricity, green hydrogen production, carbon sources, synthesis of multiple e-fuels, and end-use sectors was developed based on the global change analysis model (GCAM). A reference scenario and a JUST-efuel scenario were constructed and compared. The results show that decarbonization in international shipping is driven by e-fuels through three pathways: altering the fuel structure, reducing fuel emissions intensity, and decreasing service demand. By 2040, e-fuels become the dominant shipping fuel, and shipping service demand in 2050 is approximately 33.3% lower than in the reference scenario. The supply of e-fuels exhibits a diversified pattern: with green hydrogen at its core, followed by e-methanol and e-dimethyl ether as key supplements, while e-ammonia and e-diesel maintain relatively minor shares. The deployment of e-fuels reshapes the hydrogen supply structure: green-electricity-based hydrogen production rapidly becomes dominant after 2035, thereby driving an increase in renewable power generation. Additionally, this pathway may reduce reliance on biomass and alleviate competition for land, water and agricultural resources. Overall, e-fuels not only provide a feasible solution for deep decarbonization in international shipping but also offer important pathways for the synergistic transformation of energy, transportation, and environmental systems. Nonetheless, this transition still relies on sufficient clean power supply and integrated cross-sectoral planning.

Keywords： e-fuels ; international shipping ; green electricity ; deep decarbonization ; net-zero emissions

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张璇, 金超, AMPAHJeffrey Dankwa, 李婧瑶, 杨洁, 黄志雄, 刘海峰, 尧命发. e-fuels助力国际航运深度脱碳的策略. 浙江大学学报(工学版)[J], 2026, 60(11): 2383-2394 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2026.11.008

ZHANG Xuan, JIN Chao, AMPAH Jeffrey Dankwa, LI Jingyao, YANG Jie, HUANG Zhixiong, LIU Haifeng, YAO Mingfa. Role of e-fuels in deep decarbonization strategies for international shipping. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2026, 60(11): 2383-2394 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2026.11.008

全球经济与贸易的快速增长推动了航运业的扩张，船舶保有量与运力持续提升，航运已成为国际贸易的支柱. 根据联合国贸发会议的数据，全球超过80%的贸易货物通过航运运输[1]. 航运业快速发展带来了能源消耗和温室气体（greenhouse gas， GHG）排放问题：2023年全球航运业的GHG排放约占全球总排放量的2.2%，约8.33×108 t[2]，若保持现有的能耗、碳排放水平及行业增长速率，预计到2050年，国际航运排放量可能升至2008年水平的130%[3]. 因此，全球航运业零碳转型是应对气候变化，实现各国碳减排目标的关键举措.

为了实现航运减排，研究与实践集中在推进系统低碳化[4-5]、能效提升[6-7]、船载碳捕集[8-9]以及替代燃料[10-11]等路径. 能效技术措施应用广泛，但减排潜力有限；船载碳捕捉技术暂不成熟，相关规则缺失，产业配套不足，难以在短中期大规模部署；在此情况下，应用低碳/零碳替代燃料成为实现航运实质性减排的主要方向. 在各类替代燃料中，生物燃料和e-fuels因其零碳排放特性及与现有燃料基础设施的高度兼容而备受关注[12-13]. 然而，生物燃料的长期发展可能受到原料供应量的限制，国际能源署预测最早在2027年就可能出现生物质原料短缺的风险[14]，同时在规划生物燃料部署时，必须综合考虑所有其他部门的需求，避免因土地利用竞争而威胁粮食安全，或与生物多样性保护目标产生不可调和的资源冲突.

e-fuels又称电制合成燃料，利用太阳能、风能和地热等可再生电力通过电解水技术制取绿氢，并与二氧化碳或氨进行加氢反应合成甲醇、氨和电子柴油等燃料[15]. 在使用可再生电力和低碳CO2源（如生物过程排放捕集或直接空气捕集）时，e-fuels全生命周期排放显著降低，理论上可接近零. Ali等[16]的技术经济分析和生命周期评估表明，与传统化石燃料相比，E-fuels能够实现70%~90%的碳减排. 此外，随着越来越多的风光大基地陆续投运，风光绿电的消纳压力逐渐凸显. e-fuels作为风光电能转化理想载体，可在风力充足或阳光充沛、电价低廉时消纳富余电力，实现长时间、大规模能量储存与跨区域运输[17]. e-fuels的多样性和灵活性使其成为交通领域通往净零排放的最后一公里，Hepburn等[18]预测：2050年将有10×108~42×108 t的CO2转化为合成燃料. 在此背景下，e-fuels在航运业的脱碳潜力成为研究热点，综合评估模型（integrated assessment models, IAMs）为探索其跨部门影响提供了重要工具. Muratori等[19]基于全球变化评估模型（global change assessment model, GCAM）分析了货运部门（包括航运）在气候减缓情景下的减排路径，指出降低燃料碳强度是货运部门减排的关键. 该研究奠定了GCAM在分析货运部门深度减排中的应用基础. 在更宏观的交通系统研究中，Speizer等[20]利用GCAM对全球交通部门实现零排放的技术路径进行了系统性评估，明确指出电力和生物燃料是公路和铁路减排的主力，而替代燃料（如生物燃料、氢能）对航空和国际航运难以电气化部门尤为重要. Martin等[21]量化了挪威长途卡车运输、短途海运和中途航空货运中e-fuels（氢/氨/费托合成燃料）替代化石能源的减排成本，揭示电力成本对e-fuels经济性的核心影响. 在大规模风电与光伏基地投运和可再生电力成本持续下降的背景下，可再生电力为e-fuels的大规模制备提供了重要的支持. 国际能源署指出，2023年全球多数地区光伏发电成本（0.03~0.06 USD/kW·h）已低于煤（0.05~0.15 USD/kW·h），低成本可再生电力的基础供给正在形成[22]. Kany等[23]采用TransportPLAN模型对丹麦交通部门深度脱碳的路径进行评估，表明在实现交通部门深度脱碳的路径中，e-fuels对长途运输具有显著竞争力. Korberg等[24]通过经济性分析，评估了在2030年前生物燃料、电燃料（氢、氨、甲醇、电子柴油、二甲醚和甲烷）与内燃机、燃料电池和纯电动推进系统的组合在航运业的应用潜力. 研究指出，对于长途航行的船舶而言，电气化在技术经济和环境角度都不具备现实意义，国际航运业成本最低的解决方案仍然是内燃机. Kanchiralla等[25]在不同船型上评估5种主要脱碳策略e-fuels（氢、氨、甲醇和甲烷）、蓝色燃料、生物燃料、电池电力推进和船上碳捕获技术的减排潜力、生命周期成本及碳减排成本；表明e-fuels的减排潜力超过85%，是实现深度脱碳的长期方向.

现有研究从生命周期排放、技术经济性以及综合评估模型等不同角度探讨交通与航运部门的脱碳路径，仍存在以下不足. 1) 多基于单国/单部门分析，或在综合评估模型中对航运部门进行高度聚合处理，缺乏全球尺度和跨部门耦合的系统评估，难以揭示航运与电力、制氢、CO2供给及土地利用之间的联动影响. 2) 常将航运路径简化为单一燃料或有限技术选项，缺少对多种e-fuels（如氨、甲醇和费托柴油等）在不同航运细分市场中的竞争与适配性刻画. 3) 对e-fuels规模化部署带来的用电、用水、碳源约束及与农业/土地等资源的竞争考虑不足，可能低估潜在的系统性约束与权衡. 本研究在GCAM基础上开发出覆盖“可再生电力—绿氢—碳源—多类e-fuels合成—终端消费部门”的全链条e-fuels模块，开展全球尺度和多部门耦合情景模拟，定量评估e-fuels对国际航运脱碳及其跨部门影响. 本研究1) 在GCAM中新增并耦合e-fuels全链条供需与资源约束模块，实现全球多部门系统评估；2) 在航运部门刻画多种e-fuels（氨/甲醇/费托柴油/二甲醚等）的竞争与替代，评估e-fuels在不同航运需求与约束下的部署路径；3) 统一评估e-fuels规模化对电力、制氢、CO2供给、用水以及土地/农业的资源占用与权衡，据此评估e-fuels对国际海事组织（international maritime organization, IMO）2050净零目标的贡献.

1. 研究方法

采用GCAM开展宏观计算. GCAM由美国太平洋西北国家实验室与马里兰大学联合开发，该模型包括能源、农业和土地利用、区域气候和全球气候等子模型，可以定量模拟能源—经济—农业和土地利用—水—气候之间的联动和相互作用[26]，有效克服基于具体学科研究方法难以全面分析碳中和影响的不足，已被广泛应用于国家和国际尺度上的情景设计与政策评估. 此外，GCAM以历史年份为基准进行校准，主要用于中长期情景分析，而非对短期年份变化进行精确预测. GCAM采用logit选择公式来模拟各行业不同能源载体和技术之间的竞争，该方法的可靠性已在现有研究中得到证明[27]. GCAM的最终能源需求受到经济和人口的外生假设驱动，也受到提供特定服务（如e-fuels生产）成本的内生变化影响. 人口和经济数据遵循“可持续发展”的共享社会经济路径的假设（SSP1）：未来全球向更可持续的发展模式转型，注重环境保护、社会公平与经济包容性增长. 本研究基于GCAM 7.0（基准校准年份为2015年）构建e-fuels并细化国际航运部门的燃料供给与需求模块，以评估e-fuels在国际航运业脱碳中的贡献.

1.1. 情景设计

IMO长期致力于推动航运业的温室气体减排工作. 2023年7月，海洋环境保护委员会第80次会议（MEPC 80）通过了修订的《2023 IMO温室气体减排战略》，提出了到本世纪中叶（2050年前后）实现航运业净零排放的宏伟愿景，并设立了2030年和2040年的阶段性减排目标（2030年相比2008年至少减排20%，力争30%；2040年减排70%，力争80%）. 为了将上述战略目标转化为具有法律约束力的具体措施，IMO于2025年4月批准了全球航运业首个法律约束性《净零框架》草案，并引入燃料温室气体强度（greenhouse gas fuel intensity, GFI）的目标，以2008年GFI参考值93.3 gCO2eq/MJ为基准，设定逐年收紧的双重目标线机制，即较为宽松的基础目标和更为严格的直接合规目标，如表1所示为各年份的GFI折减率rr. 该草案适用于所有5000总吨及以上的国际航行船舶，国际航运业将首次被纳入全球统一的、具有法律约束力的净零排放轨道.

表 1   燃料温室气体强度的减排目标[28]

Tab.1  Emission reduction target of greenhouse gas fuel intensity

年份rr/%
基础目标直接合规目标
注：2036—2040年的直接合规目标及2040年之后的减排目标将由IMO于2032年1月1日前在后续审议中确定.
20284.017.0
20296.019.0
20308.021.0
203112.425.4
203216.829.8
203321.234.2
203425.638.6
203530.043.0
$\vdots $$\vdots $$\vdots $
204065.0（待定）
2050净零排放

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为了评估e-fuels对国际航运业的脱碳潜力，遵循SSP1，考虑到GCAM的特点，结合《2023年IMO船舶温室气体（GHG）减排战略》中对碳排放量的指标，对全球国际航运碳排放量进行约束. 如表2所示，分别设计Ref和JUST_efuels情景.

表 2   脱碳策略设计情景

Tab.2  Decarbonization strategy design scenarios

参数Ref情景JUST_efuel情景
人口和经济假设SSP1SSP1
政策仅延续当前气候政策（无对国际航运新增强制减排措施）在IMO的净零框架下，对国际航运按燃料温室气体强度指标实施新的气候政策
国际航运燃料组合基于GCAM中既有燃料，即Liquids、Hybrid Liquids、电池、氢在GCAM既有燃料的基础上，新增绿色e-fuels：绿氢、绿氨、绿色电子甲醇、绿色二甲醚、绿色电子柴油
新燃料推广与基础设施假设无（仅现有技术路线与供应链延续）政策驱动下e-fuels产业化，同步建设如燃料链与港口加注、储运的基础设施

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Ref 情景（基准情景）：在 SSP1下，延续现行气候政策框架，不对国际航运部门引入额外减排约束. 航运能源系统沿用 GCAM 的既有燃料供给结构，未实施新型低碳燃料的大规模推广，具体技术路径包括：Liquids、Hybrid Liquids、氢能船舶（包括煤制氢、天然气制氢、生物质制氢及电解水制氢等多种来源，本研究将“绿氢”作为其中特定低碳来源加以区分）以及电池电动船舶（battery electric vehicle, BEV）等. 基准情景用于刻画在既有政策与技术演进路径延续条件下，国际航运部门的能源消费结构与碳排放变化趋势，并作为后续情景分析的对照基础. Liquids表示常规液体燃料驱动的船舶技术（对应内燃机驱动），Hybrid Liquids表示在此基础上能效更高的混合动力液体燃料船舶技术. 需要说明的是，这两类技术在GCAM中均以统一的refined liquids enduse作为终端能源投入，而refined liquids enduse由石油炼制、煤制油、气制油及生物质制液体燃料4种路径共同生产，因此在终端消费层面不区分具体燃料来源. 两类技术的差异主要体现在动力系统与技术参数上，其中Hybrid Liquids相对于Liquids具有更高的能效水平，但伴随更高的成本设定.

JUST_efuels情景：全面使用e-fuels的情景，指在SSP1下依据GFI对国际航运实施新的气候政策，同时引入基于可再生电力和绿氢生产的e-fuels进行减排，即绿氢、绿氨、绿色电子甲醇、绿色二甲醚和绿色电子柴油. 该情景假定相应的产业化和配套基础设施（如港口加注、储运与航运燃料链）随政策驱动逐步建立与扩展.

1.2. e-fuels种类

基于对低/零碳燃料的全生命周期减排潜力、技术就绪度、储运与应用可行性以及在国际航运中的适用性等综合考量，选择5种典型e-fuels作为分析对象：e-氢、e-氨、e-甲醇、e-二甲醚和e-柴油. 这5种燃料使用前缀“e-”，目的是强调它们均具有可再生电力与近零碳排放的属性. 假设所评估的e-fuels由零碳电力（如风电和光伏）电解水制氢，并结合通过直接空气捕集（direct air capture, DAC）获取的CO2合成而成. 在此前提下，从碳循环的角度来讲，e-fuels燃烧释放的CO2等于生产时从大气中移除的CO2，形成碳闭环，在全系统碳平衡中实现净零.

e-氢：e-氢代表绿氢，氢燃烧产物仅为水，可实现净零排放；热值（单位质量的燃料完全燃烧时所释放的热量）q=120 MJ/kg，仅次于核燃料，是柴油（q=45 MJ/kg）的2.7倍，高能量密度和零碳排放的特点使得氢气被认为是可替代化石燃料解决能源危机和缓解环境问题的清洁能源载体. 氢燃料在推进系统上可通过氢内燃机或燃料电池（如质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）加以利用. 现有氢内燃机有效热效率为40%~50%，PEMFC系统效率可达50%~60%；虽然氢内燃机效率偏低，但功率可达到兆瓦级，已用于拖船和渡船. 在成本方面，氢内燃机明显低于PEMFC系统，以额定输出功率为100 kW的发电装置为例，基于当前技术的氢内燃机成本仅为PEMFC系统的50%. 可以预判，随着船舶储氢技术的发展和氢能基础设施的完善，氢内燃机在船舶上可取得广泛应用[29].

e-氨：氨作为零碳燃料，具有能量密度高、安全性强和液化成本低等优点. 作为重要的基础化工原料，氨在化肥、制冷和军事方面有广泛应用，生产、储存和运输技术成熟. 当前航运业正在开展氨燃料动力船型研发及配套装备的研制[30-32]，氨在火花点火和压燃式发动机中已成功进行测试，国际航运发动机多为大型低速二冲程压燃式发动机，燃烧过程受氨燃烧速度慢的影响较小，且船用二冲程发动机超长冲程、高压缩比的特性使上止点附近的缸内温度更高，有利于进一步提高燃烧速率与效率.

e-甲醇：甲醇在常温下为液态，作为世界上交易广泛的化学品，其生产、储运和加注技术已较为成熟，可以充分利用现有基础设施、液体燃料配送体系、加注站和终端配送体系实现供给，具备规模化快速复制能力. 早在20世纪七八十年代，甲醇就被提出作为替代燃料以应对石油价格的冲击. 随着现在排放法规的日益完善，航运业对甲醇作为替代燃料的兴趣日益浓厚[33]. 2020年IMO正式批准《甲醇/乙醇燃料船舶安全暂行指南》. Moirangthem[34]指出，甲醇似乎是目前最有前途的航运替代燃料之一. 《航运低碳发展展望2023》[35]指出，在全生命周期温室气体排放框架下，绿色甲醇可减排 63%~99%.

e-二甲醚：二甲醚无毒且对环境友好，分子中无C—C键，非常有利于其完全燃烧，从而减少颗粒物排放，十六烷值为55~60，无需额外点火源，可以实现单一燃料的简单和可靠运行，是压燃式船舶发动机的理想选择[36-37]. 二甲醚在车用发动机上已有成功应用，丹麦技术大学[38]、Navstar[39]和AMOCO[40]等机构对二甲醚在压燃式发动机中的应用开展了系统研究. 在中国，黄震教授及其团队对二甲醚燃料的喷射、燃烧特性以及二甲醚发动机运行的可靠性进行了深入系统研究[41–43]，并联合上海汽车工业总公司、上海柴油机股份有限公司研制出具有自主知识产权的二甲醚城市客车. 综合来看，二甲醚凭借其良好的燃料特性及已有的技术积累，在推动航运业低碳转型方面展现出可观潜力.

e-柴油：e-柴油与传统柴油在理化性质上高度相容，可直接在现有柴油发动机与燃料供应基础设施中使用[44]，降低短期应用门槛，使其成为航运业独特的解决方案. 试验表明，在重型多缸柴油机上，e-柴油在不改装发动机的情况下可实现与 0#柴油相近的动力性能，同时可降低碳烟、颗粒物与碳氢化合物排放. e-柴油在推进现有船舶群体的逐步脱碳方面具有现实可行性.

1.3. 绿色e-fuels的构建

在本研究所采用的 GCAM中，氢气的来源包含煤制氢、天然气制氢、生物质制氢和电解水制氢等多种路径；电网电力供应为混合能源结构，既包含基于化石燃料的发电（如煤和天然气），也包含可再生能源发电（如风能和太阳能）. 仅在电力系统由可再生能源主导的情形下，制得的氢气方可被视为真正的绿氢，从而使基于氢的e-fuels成为有效的减排路径[45]. 直接从电网抽取电力用于电解制氢难以保证100%的可再生电力占比，为此在模型中构建独立的再生能源电网系统，用于输送来自光伏与风电的100%可再生电力，并专门用于绿氢的制备与供应. 如图1所示为本研究构建的 e-fuels 模型框架，涵盖可再生能源发电、绿氢制备与供应、及 e-fuels 合成等关键环节，并进一步将 e-fuels 与国际航运终端燃料需求相衔接.

图 1

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图 1   e-fuels模型框架

Fig.1   model framework of e-fuels


绿氢既可直接作为燃料应用于国际航运，也可作为原料用于制备其他e-fuels. 本研究考虑2种绿氢制备与供应模式：就地制备——在化工厂或港口附近建设由100%风光供能的电解水制氢装置；集中式制氢并输送——在集中式制氢设施生产后，通过管道或卡车运输至使用地. e-氨由绿氢、氮气（来源于空气）和可再生电力通过Haber-Bosch反应合成. e-甲醇、e-二甲醚和e-柴油的合成路径主要为CO2催化加氢；e-二甲醚和e-柴油还可以由e-甲醇经脱水或进一步转化得到.

为了便于区分不同制备路线，采用以下命名方法：e-二甲醚(H) 与 e-柴油(H) 表示由 CO2 催化加氢直接合成的产物；e-二甲醚(MeOH) 与 e-柴油(MeOH) 表示经 e-甲醇中间体脱水/加氢得到的产物. 关于 CO2 的来源，考虑到生物质资源的可持续性与长期可获得性问题，以及碳负性潜力的最大化，主要采用DAC获得的 CO2 作为e-fuels合成的碳源，并假定 e-fuels 所需 CO2 供给不构成约束；若 CO2 来源为化石燃料，则其碳排放仅在时间上推迟[46]，e-fuels全生命周期的碳排放仍然会增加. e-fuels生产端的关键参数假设如表3所示. 在GCAM中，非能源成本基于假设的资本支出、运维成本、融资成本、设备寿命和装置利用率等要素，计算得到与燃料能量本身（燃料/电力消耗成本）无关的所有额外成本项，该成本统一以1975USD/GJ 为单位表示，与GCAM内部单位一致，代表以1975年美元购买力衡量的实际价值，便于进行跨时间成本比较.

表 3   e-fuels生产端的非能源成本参数假设

Tab.3  Parameter assumptions for production-side non-energy costs of e-fuels

燃料非能源成本/（1975USD·GJ−1）数据来源
e-氨5.21文献[26]
e-甲醇2.15文献[47]
e-二甲醚(H)7.05文献[48]
e-柴油(H)3.18文献[49]
e-二甲醚(MeOH)0.95文献[50]
e-柴油(MeOH)3.72文献[51]

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在e-fuels消费端（国际航运），非能源成本包括船舶改装或新建的资本性支出、运维成本、船级社/监管认证与试验费用、港口加注与临港设施适配费用以及保险/合规导致的保费差异等. 基于Curcio[52]对可持续海运替代燃料的分析，在国际航运行业，甲醇作为替代燃料的非能源成本为传统化石燃料的1.3倍，氨为1.9倍. 考虑到二甲醚在推进系统路径、船上系统复杂度与监管认证流程上与甲醇具有高度相似性，假定二甲醚的消费端非能源成本与甲醇相同. e-柴油在理化性质上与传统柴油高度接近，通常无需对推进系统或基础装置做根本性改造，因此在消费端假定 e-柴油与传统柴油的相关非能源成本一致. 考虑到技术进步与规模化学习对成本的潜在影响，进一步假设在 2035—2050 年，e-fuels的消费端非能源成本以年均 5% 的速度递减.

2. 结果分析

2.1. 国际航运温室气体排放及碳强度评估

国际航运对重质燃料油和柴油的严重依赖（2020年占船用燃料消耗总量超过99%）使其脱碳进程面临严峻挑战[20]. 如图2所示，在全球可持续发展路径下，若不采取额外的减排政策或技术替代措施（Ref情景），到2050年国际航运行业的碳排放量将达到1 007 Mt CO2e，相当于2008年排放水平的1.26倍，这一结果与文献[3]的结果一致. 相比之下，通过实施严格的碳排放约束，并推广零碳e-fuels技术（JUST_efuel情景），可以实现2050年零排放的目标. 在JUST_efuel情景下，2020—2050年的累积碳排放量为13. 38 Gt CO2e，相较于Ref情景减少15.76 Gt CO2e，表明e-fuels的规模化应用对长期减排具有显著贡献.

图 2

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图 2   不同情景下的国际航运温室气体排放对比

Fig.2   Comparison of international shipping greenhouse gas emissions under different scenarios


在e-fuels的应用下，国际航运业能够同时满足《2023 IMO温室气体减排战略》和IMO净零框架中提出的阶段性减排指标. 《2023 IMO温室气体减排战略》从排放量、单位运输工作碳排放强度和近碳/零碳燃料占比这3个角度设定具体的校核目标. 如图3所示为2种情景下的单位运输工作碳排放强度CI. 在JUST_efuel情景下，2030年的CI较2008年的降低了43.31%，达到了至少降低40%的目标. Ref情景对应的降幅仅为34.97%，未达到最低减排目标. 若延续当前的能源结构，预计到2030年，零碳/近零碳燃料的市场占比将不足1%，通过大规模部署e-fuels，这一比例预计将超过10%，超额完成减排目标.

图 3

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图 3   不同情景下的单位运输工作碳排放强度对比

Fig.3   Comparison of carbon emission intensity per unit transportation under different scenarios


如图4所示，e-fuels的大规模部署也可以实现净零框架提出的GFI指标，其中rg为GFI相比2008年的降幅. 在JUST_efuel情景下，2030年和2035年对应的GFI介于基础目标（较为宽松）和合规目标（更为严格）之间；但是在Ref情景下，无法满足任何一个GFI指标. 综上所述，e-fuels不仅能够帮助国际航运业达成既定的减排目标，还有助于实现更为长远的碳中和愿景，因此，积极推进e-fuels的开发和应用是航运业脱碳的关键策略.

图 4

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图 4   燃料温室气体强度对比

Fig.4   Comparison of greenhouse gas fuel intensity


2.2. 国际航运服务需求变化

全球贸易的持续增长推动国际航运服务需求总体上升[31]. 如图5所示为在Ref情景下，2020—2050 年国际航运周转量Q呈显著上升态势，年均增长率为 1.48%. 与之相比，JUST_efuel情景下尽管服务需求仍整体增长，但规模明显偏低：到 2050 年，总服务量较 Ref 情景约下降33.3%. 从作用机制来看，该差异主要源于减排政策约束与技术替代带来的成本冲击. 在JUST_efuel情景下，为了满足严格的碳减排目标，航运业加速向零碳/低碳燃料转型. e-fuels在发展初期仍面临较高的生产成本与基础设施投入需求，叠加如船舶改造的资本性支出，导致单位运输成本显著上升，进而抑制部分运输需求. 成本上升还可能引发行业结构调整，部分竞争力较弱的中小型航运企业退出市场，进一步降低了总体服务供给水平. 因此，国际航运服务需求在转型初期呈现出阶段性下降特征. 需要指出的是，2020—2025年服务需求的下降主要由减排政策约束及燃料替代所引致的成本上升驱动，属于模型情景模拟结果，不代表对现实短期发展趋势的预测. 随后进入较长的恢复期，直到 2035 年以后，随着船舶改造与新船投入以及e-fuels成本的逐步下降，服务供给与运输量逐步回升，航运市场将逐步适应新的技术与燃料结构. e-fuels的应用推动国际航运动力构成发生显著变化：在 JUST_efuel 情景中，至 2040 年e-fuels取代Liquids和Hybrid Liquids成为主导燃料，基于e-fuels的货运周转量预计达到 7.17×1013 t·km，占市场份额 64.53%.

图 5

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图 5   国际航运的服务需求

Fig.5   Service demand of international shipping


e-fuels技术通常具有较高的生产和燃料成本，主要包括电解制氢、CO2捕集与合成，以及工艺资本支出的增加. 因此与Ref情景相比，服务需求降低的同时也伴随着总成本的升高. 如图6所示为2020—2050年2种情景的国际航运服务总成本C. 受到政策推动与e-fuels强制采用的影响，JUST_efuel情景下的服务成本远高于Ref情景，累计总成本达到2 596.4百亿美元（以2020年为基准年），是Ref情景的1.12倍. JUST_efuel情景下，2025年国际航运服务相关的总成本达68.8百亿美元，2020年增加10.6百亿美元. 这是因为燃料替代在早期驱动了燃料费用的显著上升以及船舶改造所需的资本支出，形成短期内成本的显著增长. 随着e-fuels产量和技术规模化，单位成本逐步下降，服务总成本的增速逐渐放缓.

图 6

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图 6   不同情景下的国际航运服务总成本

Fig.6   Total cost of international shipping services under different scenarios


2.3. 国际航运燃料消耗

如图7所示为不同情景下的国际航运燃料消耗CF. 在JUST_efuel情景下，燃料消耗的变化趋势与服务需求基本一致，整体呈现先下降后缓慢上升的特点，至2050年，总能耗水平仍低于2020年基准值. 与Ref情景相比，JUST_efuel 情景下的总体能耗显著降低，且燃料结构发生根本性转变. 具体而言，Ref 情景至2050年仍以Liquids及Hybrid Liquids为主；在 JUST_efuel 情景中，e-甲醇、e-二甲醚、e-柴油、e-氨和绿氢等e-fuels自2030年起快速增长，并在随后的10 a内逐步完成对燃油的替代. 至2040年，航运燃料体系已呈现出以e-fuels为主导的格局. 在 JUST_efuel 情景下，e-fuels替代速度较快主要源于碳排放约束推高了化石燃料的隐含碳成本，同时e-fuels相关技术进步带来成本下降，使其在 GCAM 的 logit 竞争机制中快速获得更高市场份额，加速了燃料结构转型.

图 7

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图 7   不同情景下的国际航运燃料消耗

Fig.7   Fuel consumption of international shipping under different scenarios


如图8所示，至2050年国际航运的燃料消耗结构已发生显著变化. 与 Ref 情景相比，JUST_efuel 情景下的总能耗下降约25.90%，e-fuels市场份额si高达99%. 其中e-甲醇与e-二甲醚凭借较为成熟的基础设施条件及对现有发动机系统较低的改造要求，成为市场的主要选择，分别占据市场份额的40.49%与32.98%. 这表明，在政策驱动与技术成熟的双重作用下，e-fuels将成为未来国际航运脱碳的重要支撑路径.

图 8

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图 8   2050年国际航运燃料消耗结构

Fig.8   Fuel consumption structure of international shipping in 2050


2.4. e-fuels的生产与消费

e-fuels的生产规模与技术路径是其应用于国际航运业的基础. 如图9所示，随着时间推进至2050年，e-fuels总产量PF呈显著增长，由2025年的0.14 EJ增长到2050年的26.57 EJ，未来船用e-fuels供应将呈现多元化特征，但以绿氢为直接或间接能量载体（以绿氢为原料，用于合成e-甲醇、e-二甲醚、e-氨和e-柴油）的路线占据绝对核心地位（占比约48%），其次为e-甲醇（占比约31%）和e-二甲醚（占比15%），e-氨和e-柴油始终为较小的组成部分. 在技术路径方面，e-二甲醚和e-柴油均可通过CO2催化加氢（含RWGS+费托）或甲醇中间体2种路线获得. e-二甲醚的合成主要依赖于甲醇合成，e-柴油主要通过CO2催化加氢并经费托合成获得，因为甲醇→DME工艺在催化、反应器集成与现有装置衔接上更成熟易放大，费托工艺在直接制备长链烃、产物分布控制与工程化放大上更具优势，因而柴油合成多采用费托路线.

图 9

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图 9   各类e-fuels的产量

Fig.9   Production of different types of e-fuels


图10中pa为 各类能源载体中不同用途的分配比例. 可以看出，绿氢与e-甲醇同时承担燃料与化学原料的双重角色. 综合图9关于e-fuels的产量的计算，到2050年绿氢产量将达到13.20 EJ（原料11.49 EJ、燃料1.71 EJ），e-甲醇总产量为8.09 EJ（原料3.23 EJ、燃料4.86 EJ）. 与氢相比，甲醇对现有发动机和储存系统的改造要求较小，因此更多地作为燃料直接促进国际航运业的减排. 绿氢主要用于替代高碳化工原料，生产如e-甲醇、e-二甲醚的燃料，在化工部门实现碳减排；e-甲醇及其衍生物作为航运燃料，支持国际航运业的低碳转型.

图 10

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图 10   绿氢与e-甲醇在不同情景下的应用变化

Fig.10   Application trends of green hydrogen and e-methanol under different scenarios


2.5. 对其他部门的影响

航运业的脱碳并非孤立的进程，e-fuels在国际航运业的脱碳策略也会对制氢、电力、土地与水资源等多个部门产生影响. 为了实现大规模的e-fuels生产，JUST_efuel情景催生对氢能的巨大需求，根本性地重塑了制氢技术路线. 在Ref情景中，氢能供应长期以化石能源（如天然气蒸汽重整）为主导，占比可超过80%. 与之形成鲜明对比的是，JUST_efuel情景下的氢能供应链实现了深刻的脱碳转型. 如图11所示，2035年开始，由可再生电力（绿电）驱动的电解水制氢PH迅速成为绝对主力（53.26%）. 这一转变在图12中更为直观地体现出来：2050年JUST_efuel情景中绿电制氢的贡献率（57.42%）远超基准情景（5.28%），天然气重整制氢的份额被压缩至36.55%. 尽管天然气重整制氢技术在2050年仍保留一定份额，但这一结果主要是由于本研究未对制氢部门施加碳约束，所反映的是部门减排情景下的最优技术选择.

图 11

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图 11   不同制氢技术路径的比较

Fig.11   Comparison of various hydrogen production technologies


图 12

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图 12   2050年不同制氢技术的占比

Fig.12   Hydrogen production by different technologies in 2050


随着航运业对e-fuels需求的快速增长，电解水制氢过程对清洁电力的依赖增强，一定程度上拉动可再生能源发电量的提升. 如图13所示，至2050年，JUST_efuel情景下可再生能源（包括风能和太阳能）发电占比PE达到40%，累积可再生能源发电量较Ref情景增加33 500 TW·h. 至2050年，化石燃料发电仍然占据较高水平. 这是因为该研究仅针对国际航运业设定了2050净零排放目标，并未对其他行业的碳排放进行约束. 总体来看，e-fuels在航运领域的推广将推动电力系统深度脱碳，形成“能源-航运”双向协同减排效应，为实现全球航运与电力部门的协同转型提供重要路径支撑.

图 13

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图 13   不同情景下按能源分类的电力生产结构

Fig.13   Electricity generation structure by energy source under different scenarios


在国际航运领域部署e-fuels对土地、农业及水环境的影响总体较小，对人类生存所需资源的竞争可忽略不计. 如图14所示，与Ref情景相比，一方面，JUST_efuel情景下至2050年生物质种植面积减少约2.1%，相关用水量下降约2.92%，尽管航运部门在全能源系统中占比有限，上述结果仍表明 e-fuel 路径可在一定程度上降低对生物质资源的依赖. 受生态政策（如退耕还林还草）的影响，农田面积略有下降（约0.44%），生态用地面积呈小幅增长，进一步优化了土地利用结构. 另一方面，JUST_efuel情景中电力行业的用水需求有所增加，其中电力部门用水量较Ref情景上升约4.45%，主要源于电解水制氢规模的扩大. 总体而言，JUST_efuel情景在降低生物质利用强度的同时，也减少了化肥需求，对农业生产资源的依赖程度减弱. 这表明e-fuels路径不仅有助于航运业脱碳，也在土地与水资源利用方面体现出更高的环境可持续性.

图 14

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图 14   不同情景下土地、水和肥料使用变化

Fig.14   Land, water, and fertilizer use under different scenarios


3. 结　论

本研究基于GCAM计算仿真平台，发展了“可再生能源—绿氢—碳源—多种e-fuels合成制备”的全链条计算模型，从国际航运脱碳的视角系统评估了e-fuels在航运领域的部署及其跨部门影响，得出以下主要结论.

（1）e-fuels具备实现国际航运深度减排与满足国际燃料强度标准的潜力. 模型结果显示，在有力政策推动与配套基础设施建设下，e-fuels可在2040年前后成为主导燃料并在2050年占据几乎全部市场份额，显著降低航运温室气体排放强度，助力实现IMO设定的2050净零排放目标，并满足《2023 IMO温室气体减排战略》与IMO净零框架的阶段性指标.

（2）e-fuels的规模化推广呈现出先抑后扬的转型特征. 政策强制与早期产业化在短期内会推高燃料与改造成本，导致运输价格上升、服务需求和运输量在转型初期下降；随着e-fuels产量增长、技术的提升及碳价机制的作用，2035年后航运市场逐渐回升并完成结构性替代.

（3）e-fuels生产呈现规模化增长与多元化技术路径特征，并以绿氢为核心能量载体. e-fuels总产量从2025年的0.14 EJ增至2050年的26.57 EJ，绿氢占有绝对核心地位（48%），其次是e-甲醇（31%）、e-二甲醚（15%）；绿氢（2050年产量13.20 EJ）与e-甲醇（8.09 EJ）兼具燃料与原料双重功能，其中绿氢主要用于化工原料替代，e-甲醇因改造成本低更多直接作为航运燃料.

（4）e-fuels推广将对制氢、电力、土地与水资源产生系统性影响. 在JUST_efuel情景中，绿电制氢自2035年后迅速占优，2050年占比约57%，天然气重整降至约36%；绿电制氢可进一步推动可再生能源发电，相比Ref情景，累积增量达33 500 TW·h；此外，伴随着电力部门用水需求的上升，2050年相对Ref情景提高4.5%. 此外，还可降低对生物质的依赖并改善生态环境，2005年生物质种植面积与相关用水分别下降约2.1%和2.9%.

本研究基于 GCAM 对航运领域 e-fuels 的减排潜力进行情景分析，将DAC作为主要碳源并假定其供给充足，未充分反映其成本、能耗及规模化路径方面的不确定性，可能导致对 e-fuels 成本的低估及其部署规模的高估. 未来研究可进一步引入多元碳源体系与 CO2 资源配置机制，强化跨部门资源竞争刻画，并结合生命周期评价与基础设施约束分析，以提升模型结果的现实适用性与稳健性，为政策制定提供更具操作性的支撑.e-fuels路径不仅为航运业实现净零排放提供可行方案，也为能源、交通、环境系统的协同转型提供重要路径. 后续研究应进一步关注全球资源分布与利用的公平性与区域差异，将e-fuels纳入全球交易体系，为政策制定提供更具操作性的支持.

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