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走向“碳中和”,航运业将依赖何种燃料
李蓉茜  2021-09-13

经过多年努力,航运业已经通过降低船舶航速、引入现代型环保船舶等方式减少二氧化碳排放,但要实现“碳中和”的目标只能通过燃料转换。时下备受追捧的LNG可否令航运业“进阶”?氢基燃料当真是“终极燃料”吗?电能又将充当何种角色

走向“碳中和”,航运业将依赖何种燃料

  根据克拉克森的数据,2020年全球航运业排放二氧化碳(CO2)约8.1亿吨,船队排放量较2008年下降约21%。这是航运业通过降低船舶航速、引入现代型环保船舶等举措取得的初步成效。干散货运输巨头Klaveness的一项研究显示,2008—2020年,船舶降速和能源效率等提升措施已使典型巴拿马型船的碳排放量减少约30%(相当于每年减少约10吨CO2当量,见图)。

  但是,由于全球气候形势日益严峻,航运业承担着继续降低CO2等温室气体排放的重任,而包括国际海事组织(IMO)在内的各大行业机构也在力促航运业加快碳减排进程。6月下旬,欧盟则进一步提议把航运业纳入其碳排放交易体系,并希望航运业从2023年起为往返于欧盟港口之间的船舶航行支付碳排放费用。

  某船厂商务人士周晓杰告诉《航运交易公报》,2008年以来的新造船几乎都是电推主机,这将促使单船能源消耗减少约10%。同时,一些船舶通过加装风帆、球鼻艏改造、加装螺旋桨桨毂鳍等方式降低能源消耗并减少CO2等温室气体的排放。此外,在船舶上加装太阳能光伏系统以提供船舶照明电源也成为一种降低能源消耗的重要方式。

  然而,Klaveness的研究表明,2010年以来业界探索的主要温室气体减排方式难以带领航运业实现减排的“终极理想”,能源转换几乎成为必然之路(见图)。

  LNG等清洁能源仅是“进阶石”吗

  在进入业界视野的主要可转换燃料中,当前受青睐度最高的是液化天然气(LNG)。

  自2018年IMO提出碳减排的目标后,达飞轮船规模化订造9艘23000TEU型和5艘15000TEU型LNG混合动力船,中远海能将其在大连船舶重工订造的4艘超大型油轮升级为LNG混合动力船舶,壳牌石油通过多家船东订造LNG混合动力油轮,众多企业成为把LNG应用为主流船型燃料的先行者。

  法国船级社可持续发展中心经理宋丹表示,由于在LNG船上的应用,LNG作为船用燃料的应用历史超过10年,技术上已经较为成熟。据周晓杰介绍,2021年以来越来越多的新造船选择应用LNG双动力系统。在集装箱船领域,包括赫伯罗特6月份在韩国大宇造船与海洋订造的6艘23500TEU型船、达飞轮船4月份在中国江南造船订造的6艘15000TEU型船和在沪东中华造船订造的6艘13000TEU型船、塞斯潘3月份在韩国三星重工订造的10艘15000TEU型船和6月份在中国扬子江船业订造的15艘7000TEU型船等,均选择应用这一系统;在油轮领域,15艘新造超大型油轮选择应用这一系统;在散货船领域,挪威Himalaya Shipping等船东订造的20艘210000DWT级纽卡斯尔型船应用这一系统……克拉克森统计数据显示,在2021年截至8月底的新订单中,有182艘船舶选择LNG作为替代燃料。

  周晓杰表示,另有一些船东选择“骑墙”。在2021年截至8月底的新订单中,有49艘船舶采纳一种便于在未来改装成可增加LNG驱动(LNG-ready)的设计。除了加装费用高、设计建造难度大等原因,宋丹认为,甲烷(CH4)逃逸现象也是一个不可忽略的因素,据了解,CH4的温室气体效应约是CO2的28倍。尽管目前CH4并未被列入IMO规管的排放气体,但是这并不代表未来不会。

  此外,甲醇、二甲醚、乙醇以及液化石油气(LPG)等也进入航运业减少温室气体的候选名单之中。在这些燃料中,甲醇是一种可以与LNG相媲美的船用燃料。宋丹表示,较之LNG的优势是,甲醇在常压常温下是液态,不需要降温加压液化,与传统燃料在船上的储存类似,但是甲醇的单位体积能量密度较低,因此相对于传统燃料,需要较大舱容来储存。在港口加注可获得性方面则几乎与LNG相当,据悉全球已有超过100个港口可以获取甲醇。

  8月,马士基在韩国现代重工订造的(8+4)艘16000TEU型船选用甲醇混合动力主机引发广泛关注。实际上,马士基7月初在韩国现代尾浦订造的1艘2100TEU型船已经使用这一动力系统。

  从趋势上看,清洁能源混合动力新造船正呈逐步增加之势。船用主机巨头MAN新近表示:“双燃料主机订单规模正在扩大,当前其约占总体订单的1/3,传统主机占2/3。我们预计到2025年两种主机的订单比例将达到1∶1。”

  让业界有所疑虑的是,目前广泛使用的LNG或甲醇作为燃料均有一定比例的CO2排放,无法以其追寻“零碳”的“终极理想”。更为理想的生物燃料在生产和运输中也会产生CO2,而且作为其主要原材料之一的废弃食用油的供应量并不充足。

  然而,也有专业人士指出,生物LNG可以达到更好的温室气体减排效果。由“灰色”甲醇(将甲醇生产过程中产生的CO2排向大气)向“蓝色”甲醇(将甲醇生产过程中产生的CO2捕捉)的转变将进一步减少排放,再向“绿色”甲醇(甲醇由生物质原料直接获得,或使用捕捉封存的CO2与“绿”氢反应获得)转变便可实现“终极理想”。据了解,马士基在订造甲醇双动力集装箱船时也意在使用“绿色”甲醇,以便未来实现“碳中和”。

  氢基燃料可否成为“终极”燃料

  与马士基的理念类似,业界也在研究通过“绿”氨(NH3)等燃料实现零排放。

  一直以来,氨主要运用于化肥工业。氨作为燃料的主机技术研究始于第二次世界大战期间,燃料匮乏的比利时成功地在1941—1942年冬季的100辆汽车和从1943年起的8辆公交车上应用了氨和压缩的混合煤气(主要是氢气和一氧化碳)。随着航运业面临脱碳和摆脱对化石燃料依赖的压力,氨看起来是一种有强吸引力的替代燃料。

  2019年12月,在“2019年中国国际海事技术学术会议和展览会”上,中国船舶集团发布氨燃料双动力概念超大型集装箱船,引发更多关注。

  周晓杰表示:“2021年以来,我们看到越来越多的新造船订单采纳一种便于在今后改装成可增加氨驱动(Ammonia-ready)的设计。”在2021年截至8月底的新订单中,有22艘船舶选用这种设计,包括9艘集装箱船、9艘油轮和2艘LPG船。“只是氨燃料双动力主机现在仍在研发阶段,还没有成型的产品推出。根据主机厂商的信息,首台可燃烧氨的主机要到2023或2024年才会正式面世”,宋丹说。

  尽管氨作为燃料在船上的实际应用仍处起步阶段,却是航运业走向“终极理想”最具潜力的燃料。首先,氨是氮与氢的化合物,由于不含碳,因此在用作船用燃料时不会排放任何CO2,这创造了“零碳”推进的可能性。其次,从能量密度来看,氨的体积能量密度与甲醇相似,约为传统化石燃料的1/3,从而使得氨燃料在船上存储具有相对经济可行性。第三,氨的液化需要较少的冷却,在常压下-33°C左右,或者常温在1MPa左右即可成为液态,便于存储和运输。

  但不可忽视的是,氨是一种有毒物质,并且对某些金属材料存在腐蚀性,这较传统船用燃料而言更加危险。此外,氨燃烧时会排出具有刺鼻恶臭的一氧化二氮,该物质也是较强的温室气体,这也是在技术上需要解决的问题。“与甲醇当前的生产状况类似,氨绝大部分是通过工业生产合成的,在此过程中不可避免要产生CO2,这种氨只能称为‘灰’氨。如果在源头生产过程中捕捉CO2,将可获得‘蓝’氨。生产‘绿’氨则需要利用绿色电能电解海水等方式获取氢,再将氢与空气中的氮气合成。”宋丹详细解释氨燃料的获取途径。

  既然“绿”氨需要氢来合成,那何不直接利用氢作为船用清洁燃料呢?实际上,氨是利用氢特性作为燃料,也被称为“氢基”燃料。宋丹认为:“尽管氢也是一种很好的燃料,但其要求的储存条件比较严苛,易燃易爆的特性导致其危险性较高,未来或许近海短程运输船舶会选择氢作为燃料。”

  绿色电能成为通达彼岸的“桥梁”

  无论是氨,还是氢在未来作为船用绿色燃料方面的应用,都离不开一个“电”的概念,这一切还要从“绿”电开始。

  中远海运集团近日称:“大力推进船舶受电和港口岸电设施升级改造,分步推动五星旗沿海航行船舶岸电改造,重点推进在建码头岸电配套设施建设;重点打造绿色航运样板工程和绿色航线,推进船舶岸电使用,实现自有船舶靠泊自有港口岸电使用,形成绿色航运建设和推广机制,完善相关标准规范……”岸电正成为其绿色转型的能源来源之一。

  有专家表示,在当前全球主要依赖化石能源发电的背景下,岸电来源“绿色化”才能真正促进CO2的减排。近年来,全球有多个港口正通过将风电、光伏电等引入岸电系统实现真正的绿色岸电供应。不久前,天津港从山西省河曲飞龙泉风电场、交口祝源光伏电站等50家风电及光伏发电企业采购的电能已输送至天津北疆港区智能化集装箱码头的岸电设施上。

  除了岸电之外,电池混合动力船舶的订造也在增加。在2021年截至8月底的新订单中,有39艘船舶选择电池混合动力系统,包括12艘客船/客滚船、1艘豪华邮轮、4艘汽车运输船、9艘住宿船、4艘港拖、2艘杂货船、2艘小型化学品船、2艘LNG与原油燃料船和2艘沥青运输船。

  不难发现,上述船舶以沿海近洋运输为主。某业内专家认为,由于船用电池能源密度的瓶颈仍旧难以突破,以电池为燃料的船舶更适宜承担短途运输任务。国际航运商会的研究也表明,要满足一艘全球航行的大型集装箱船的能耗需求,需要至少1万个动力电池,目前的电池技术尚不足以应用于远洋船舶。

  然而,电能对于航运业走向“碳中和”仍然意义重大,前文所提及的“绿色”甲醇、“绿”氨以及“绿”氢无一例外需要电解水获取氢基。也就是说,电能的供应、尤其是绿色电能的充足供应是航运业实现“终极理想”的必由之路。

  应该说,随着风能、太阳能、潮汐能等清洁能源获取技术的不断进步,清洁电能不断增多,将为绿色船用燃料的生产提供支撑。不过,一旦与一年超过3亿吨船用燃油当量进行换算,当前的清洁电能供应仍显“卑微”。有机构按当前航运业使用的能源量计算,如果完全转换为使用“绿”氨,需要消耗的电能约7万亿千瓦时,几乎与目前中国一年的总发电量相当。需要提醒的是,2020年中国约70%的发电量依赖火力发电。

  世界银行也强调,到2030年,“零碳”燃料至少需要占船用燃料组合的5%,才能保证航运业不偏离IMO设定的减碳轨迹。

  从当前新船订单的燃料选择中可以看到,传统燃油仍是主流,LNG与燃油双燃料在增多,选择设计可改装的也有一些。在走向“终极理想”时,航运业总体仍表现为无措。尽管没有“灵丹妙药”,航运业也必须在探索中走下去。除了燃料上的抉择,时下更多船东仍然选择以降低航速、利用各种措施提升船舶能效等方式降低CO2排放。在提升船舶能效的措施方面,数字化应用正给予船东更多助力,船舶大型化也成为提升单位运能的有效方式。

  在实现远期目标上, CO2捕捉或将成为一种替代方案。但从目前的技术上看,这也同样是一条漫长而曲折的道路。

 
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