船用替代燃料应用进展_邢辉.pdf

162023年 总第332期船用替代燃料应用进展*邢 辉 李 想摘要：低碳航运背景下，为明晰低碳/零碳燃料的应用潜力，从理化性能、生产、储运和终端应用等维度对液化天然气、氢、氨、甲醇等潜在的船用替代燃料进行全面评述，分析船用替代燃料的应用进展情况。从替代燃料生命周期温室气体排放的角度来看，面向2050年的海洋运输，液化天然气是主要的过渡性燃料，而航运业选择可再生的甲烷、氢、氨、甲醇等其中的一种或几种作为未来船用燃料还具有不确定性，主要的挑战和障碍包括燃料成本、储运和加注基础设施、关键设备的研发与应用等。从技术、经济、环境、社会、可扩展性等多个维度进行评价，得出目前并没有一种燃料具有全方位、压倒性的优势从而可以完全替代燃油在船用燃料中的中心地位的结论。关键词：低碳航运；船用替代燃料；液化天然气；甲醇；氨DOI:10.16176/ki.21-1284.2023.02.003一、引言据国际海事组织（International MaritimeOrganization，IMO）IMO第四次温室气体研究2020（Fourth IMO GHG Study 2020）报告，2018年国际航运（不含国内航行船舶、渔业船舶和军用船舶）温室气体排放总量达10.76亿t二氧化碳当量（CO2e），其中CO2排放为10.56亿t，占当年全球人为源排放的2.89%。该研究测算的2008年国际航运温室气体排放总量为7.94亿t，十年间年均增长3.1%。而在多个经济和能源场景假设下，2050年国际航运CO2排放总量仍会达到2008年排放总量的90%130%。2018年4月，IMO以MEPC.304（72）号决议通过了IMO船舶温室气体减排初步战略（Initial IMO Strategy on Reduction of GHG Emissionsfrom Ships），设定了国际航运温室气体减排目标和路径，并为此安排了一系列的短期、中期和长期减排措施，如图1所示。从技术性措施和营运性措施两方面提升能效，是当前航运业实现温室气体减排的主要选项；碳排放交易机制、碳税、温室气体排放基金等基于市场的措施也经常被拿上桌面讨论，但这些措施并不能直接减少温室气体排放，而是必须通过技术性措施或营运性措施才能发挥作用。对于传统的“主机-推进器-船体”组成的能量转化与守恒系统，减少温室气体排放的技术性措施主要包括减少船舶阻力、提升推进效率和使用高效发动机，使用风力辅助推进系统、太阳能光伏系统、核动力推进装置、电池电力系统、燃料电池动力系统等动力装置替代或辅助柴油机推进动力装置也是选项之一；减少温室气体排放的营运性措施则主要包括物流与供应链优化，降速运行，航线和航速优化，使用岸电等1。然而，诸多学者、组织或机构的研究已经表明，无论技术性措施、营运性措施或二者组合，其节能减排潜力都相对有限，无法实现航运业的零碳排放1，2。也正如图1所列出的，就中、长期而言，低碳/零碳燃料是航运业停止温室气体排放的必由之路。*基金项目：2022年度交通运输行业重点科技项目清单项目（项目编号：2022-MS7-205）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（项目编号：3132022649）。绿色航运17第46卷 第2期预计 GHG排放CO2排放强度40%*基准水平停止GHG排放CO2排放强度70%GHG排放总量50%*2008年2020年2030年2050年2100年*与2008年相比实施路径和措施短期中期长期加强现有框架下的能效措施发展技术和操作能效措施技术合作与能力建设替代燃料和创新技术研发 EEDI&SEEMP EEXI&CII低碳/零碳燃料应用创新性减排机制技术和操作能效措施技术合作与能力建设 基于市场的机制零碳燃料应用其他潜在的创新性减排机制图1 I M O温室气体减排目标和路径绿色航运为更进一步加快低碳/零碳燃料的应用，IMO船舶温室气体减排初步战略还将制定燃料生命周期温室气体排放强度导则（LCA导则）作为短期措施之一，并于2021年开始了LCA导则的制定和审议，预期将于2023年7月MEPC 80次会议上通过最终报告。与此同时，在紧随2021年11月UNFCCCCOP 26次会议之后召开的IMO MEPC 77次会议上，国际海事行业释放了到本世纪中叶实现航运碳中和的强烈信号，并同意启动IMO船舶温室气体减排初步战略的修订工作。在2022年12月召开的IMOMEPC 79次会议上，关于MEPC.304（72）号决议的修订，讨论的焦点包括2030年和2050年减排目标的修订、引入额外的中间检查点、设定国际航运低碳/零碳燃料的使用比例等。预期MEPC 80次会议上，IMO将通过修订的温室气体减排战略，届时替代燃料的应用将驶入快车道。二、潜在的船用替代燃料自1897年第一台使用液体燃料的内燃机问世及1910年代柴油机动力装置真正意义上装船应用，“柴油机+燃油”驱动的航运业已逾一个世纪。传统的燃料选择是比较单一的化石基重质燃料油（H F O）、轻 质 燃 料 油（L F O）或 柴 油（MDO/MGO）。进入21世纪，随着国际防止船舶造成污染公约（MARPOL公约）附则VI的生效实施和累次修正，船舶废气排放中的氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）、颗粒物（PM）、CO2等逐渐被纳入不断严格的监管之中3，低硫燃油（LSHFO）、液化天然气（LNG）、液化石油气（LPG）等替代燃料的应用成为船舶减少排放的选项之一；尤其是随着IMO船舶温室气体减排初步战略的通过及船舶能效、碳强度等方面法规的生效实施，通过应用低碳/零碳燃料同步减少NOx、SOx、PM、CO2排放成为当前的讨论热点。（一）替代燃料概述对于水路运输燃料而言，学术界、工业界研究和讨论的替代燃料包括LNG（主要成分为甲烷）、L P G（主 要 成 分 为 丙 烷 和 丁 烷）、二 甲 醚（DME）、甲醇、乙醇、氢气（H2）、氨气（NH3）、合成燃料（Synthetic Fuels）、生物燃料（Biofuels）、电制燃料（e-fuels或Power-to-X）等。其中，合成燃料、生物燃料、电制燃料均是比较宽泛的概念，例如：合成燃料可能包括化石基或生物质基的合成甲醇、合成氨、合成汽油、Fischer-Tropsch柴油等；生物燃料可能包括生物甲烷、生物甲醇、乙醇、生物二甲醚、生物柴油等，而生物柴油又包括脂肪酸甲酯（FAME）、脂肪酸乙酯（FAEE）、纯植物油（SVO）、加氢植物油182023年 总第332期表1 潜在船用替代燃料的典型理化特性注：1MJ=1106焦耳（J）；1 GJ=1109焦耳（J）；*-70 MPa压缩氢气的体积能量密度仅为4.5 GJ/m3。200150100500燃料类型上游排放（WtT）下游排放（TtW）74.412.7 10.069.523.0 11.064.068.520.668.5120.05.040.013.052.044.036.07.08.199.184.2200.0图2 各种燃料的全球变暖潜值生产原料：（a）石油；（b）天然气；（c）市政固体垃圾；（d）煤；（e）森林残渣；（f）甜菜；（g）农业残渣；（h）油菜籽；（i）基于风电的水电解。生物质燃料的下游排放视为与生物质生长过程中的固碳作用相抵销。180370-162-426578-25-253-33沸点/42.848.646.119.926.728.8120.018.6质量能量密度/（MJ/kg）36.620.824.815.821.119.212.6体积能量密度/（GJ/m3）0.65.02.16.73.33.44.015.0空气中的可燃极限/vol%210540450464365350585651空气中的自燃点/柴油LNGLPG甲醇乙醇DME液氢液氨燃料CnH2n&CnH2n+2（n=1015）CH4C3H8&C4H10CH3OHC2H5OHCH3OCH3H2NH3分子式7.515.09.536.019.027.075.028.08.5*绿色航运考察各种燃料的理化性能，其在内燃机、燃料电池等终端设备中使用在技术上是完全可行的。燃料电池虽然没有热化学反应且效率较高，但其功率容量、经济性、可靠性、耐久性还面临诸多挑战，对于大型商船而言应用前景尚不明朗，可以预期内燃机仍是主流选择。而就内燃机燃用各种燃料的环境表现而言，SOx、PM排放均可忽略不计；只要存在燃烧反应，NOx排放就不可避免，但生物柴油、氨气作为燃料时的NOx排放甚至高于传统的柴油/燃料油；就CO2排放而言，单纯地讨论燃烧排放没有意义，同步考虑上游的井到舱（Well-to-Tank，WtT）和下游的舱到桨（Tank-to-Wake，TtW）全生命周期排放，目前还需等待IMO的LCA导则的生效实施才能具备强制性的、科学的方法指导。各种燃料的全球变暖潜值（Global Warming Potential，GWP）如图2所示4，燃料的原料、生产过程显著影响其生命周期温室气体排放。同时，基于生命周期评价赋予各种替代燃料生命周期标签（FuelsLifecycle Label，FLL），也能有效避免直接将氢、氨简单认可为零碳燃料或忽视了生物柴油、可再生甲醇等的零碳属性。（HVO或HDRD）等；电制燃料是以可再生电能为输入、以电解制氢技术为基础的合成燃料，可能包括电制甲烷、电制甲醇和电制氨等4。合成的、生物质的或电制的某种燃料可认为与对应的化石基燃料有近似的理化性能，各种燃料的典型理化特性见表1。19第46卷 第2期（a）薄膜型储罐（b）A型储罐（c）B型储罐（d）C型储罐图3 LNG储存技术绿色航运就终端使用而言，LNG发动机技术已经比较成熟，火花塞点火的纯LNG发动机、基于Otto循环的LNG-燃油低压双燃料发动机及基于Diesel循环的LNG-燃油高压双燃料发动机均已商用。MANEnergy Solutions、Wartsila、Rolls Royce等主要的船用发动机生产商均有超过20年的LNG发动机运行经验，可提供功率范围从180 MW的LNG发动机产品，如MAN 12G95ME-C10.5-GI、Win GD12X92DF、Wartsila W20DF、Bergen B32：40等。理论上，发动机燃用LNG相比燃油可减少20%25%的碳足迹，但由于燃烧效率、甲烷逃逸等原因，温室气体减排量通常低于20%5。即便如此，对于零碳航运而言，化石基LNG也只能作为一种过渡燃料，生物质甲烷或电制甲烷均可作为替代，但目前其燃料成本分别为化石基LNG的1.53倍和310倍，而且产量相对有限6。化石基LPG同样作为一种过渡燃料，目前在部分LPG运输船、乙烷运输船上作为燃料应用，但预期并不会扩展应用到更广泛的船舶类型中且不会有更长远的应用前景。多 个 学 者 和 研 究 机 构 基 于 层 次 分 析 法（Analytic Hierarchy Process，AHP）、多标准决策分析（Multi-Criteria Decision Analysis，MCDA）等方法，从技术、经济、环境、社会、可扩展性等多个维度，对替代燃料的应用前景进行了全面分析和综合评价4，得出的结论是这些替代燃料在不同的方面各具优势和缺点，但还没有一种燃料具有全方位、压倒性的优势从而可以完全替代燃油在船用燃料中的中心地位。通过业界专家打分或综合评价，或许可以得到一种综合评分最高的燃料，但并不足以得出该燃料就应当是航运业的选择的结论，因为不同的利益主体在技术、经济、环境等不同方面具有各自的倾向或偏好。在所讨论的替代燃料中，业界对于技术上可行、公众可接受、能够实现航运业的净零排放等评价维度基本可以达成共识，目前的分歧主要在于供应安全是否有保障及经济上是否可行。各种燃料有其具有优势的船型、航线和地域，但就海洋运输而言，短期以LNG作为过渡燃料，中长期重点发展可再生氨气和甲醇，对未来以氢能或核能驱动航运业保持审慎乐观，这应该算是现阶段业界的共识。生物质燃料始终存在与粮食、农作物、耕地、淡水资源等的竞争，以及地理分布不均衡、显著受到气候