航运去碳化，三条路径谁更胜一筹？

YIMNIOCKHRTP

开发零排放船舶，发展零碳航运是当前航运业面临的一大挑战。近期，某航运机构与海事战略国际公司(MSI)联合开展的一项研究显示，航运业去碳化目标可以通过三种可行的路径来实现。它们分别是：轻气体、重气体和醇类、生物燃料或合成燃料。船东和运营商在选择适用的去碳化路径时，应当参考两项基本标准：一是船型，二是船舶运营模式，如航线和货物种类。　　专家表示：海运业的去碳化挑战可以看作是一个复杂的谜题，其中包含了三个要素：船舶能效技术、船舶运营优化，以及低碳、零碳或碳中和燃料。这些要素都有各自的作用，但是我们发现航运业向低碳燃料转型的速度是影响其全球碳足迹的最大因素，比可预见的商品需求转变、操作方式改进、船舶航线或船舶设计改变的影响都要大。我们的研究模型显示，航运业可以在2050年之前实现降低碳强度的目标，但是可能无法达到温室气体年度总排放目标。　　一、轻气体路径　　这个类别是指由小分子、低碳氢比构成的燃料，包括LNG、生物LNG、合成天然气(SNG)或者可再生天然气(RNG)，它们可由生物质和/或可再生能源生产得来。目前通过生物生产合成燃料或可再生燃料的规模有限，必须扩大规模才能用作商业上可行的解决方案。　　LNG是一种相对成熟的低碳燃料，主要由甲烷构成。相比重燃油，LNG的碳氢比使其能减少多达21%的二氧化碳排放。不过这个数值并不包括甲烷逃逸造成的碳释放，减少甲烷逃逸是这类可再生燃料得到商业推广需要考虑的关键问题。目前业界正在开发缸内排放控制策略，这种方式可与废气后处理装置结合使用。将甲烷逃逸降到最低水平，生物LNG、合成天然气或可再生天然气等燃料就可以提供碳中和推进系统。　　二冲程和四冲程发动机制造商已经在利用缸内高压气体喷射为行业提供降低甲烷逃逸的方案。这些措施还可以与甲烷氧化催化剂和其他废气后处理系统结合使用，进一步减少甲烷排放，将LNG的碳足迹降至最低水平。　　作为一种低碳燃料，LNG可与新技术和/或船舶运行措施结合使用，来实现2030减排目标。如果与生物LNG、合成天然气或可再生天然气混合使用，LNG还可以进一步降低航运业碳排放。　　轻气体中的氢气也有可能成为未来零碳船舶的一种解决方案，因为氢气扩散率高，火焰传播速度快，并且是在所有候选燃料中每单位质量能量含量最高的一种。　　不过，氢气也需要低温储存和专用燃料供应系统来控制。氢气已经在内燃机、燃气轮机和燃料电池中得到了应用，这些都会在船舶发电和推进系统中发挥重要作用。　　然而，正如专家所说，在氢气成为一种能够得到大规模推广应用的商业燃料选项之前，我们还需要取得重大的技术进步。　　二、重气体和醇类路径　　这个类别下燃油的构成分子比轻气体群更大，它们的碳氢比也相对较高，因此其二氧化碳减排的潜力和能量含量也就相对较低。不过它们的燃油储存和供应需求也相应地更为宽松。这类燃油包括LPG、甲醇、乙醇和氨。　　在用作初级燃料时，甲醇可以减少约10%的二氧化碳排放。但如果是以生物甲醇等可再生的形式生产出来的话，甲醇将来就有可能成为碳中性燃料。　　此类别下的某些燃料(如甲醇)，由于能量含量较低，限制了可在船舶上储存的燃料能量的数量，因此它们只适用于允许频繁加油的航线和船舶。　　LPG的能量含量高于醇类，可能更适合在现代双燃料发动机中使用，但由于其减排潜力较低并且存在安全方面的挑战，LPG还没有像LNG一样得到较为广泛的采用。　　不过，目前发动机制造商已经将甲醇和LPG视为成熟的燃料类型，它们已经开始销售能够使用这类燃料的发动机平台。因此，这些燃料可以用来实现航运业的2030碳减排目标，如果它们在未来可以通过可再生方式生产的话，还可以为开发碳中性推进系统铺平道路。　　排在重气体或醇类谱系末端的是氨气，如果以可再生方式生产的话，氨气也能成为零碳燃料。尽管氨气具有毒性并且有着更为严格的处理要求，氨气发动机却已经在设计当中了。最近业界有团队已经揭晓了氨燃料支线船设计。　　专家指出，要使氨气成为商业上可行的长期燃料选项，行业就需要建立全面的供应方基础设施，并制定和实施全新、严格的安全条例。　　三、生物或可再生燃料路径　　这个类别包括由生物质，如植物、废油和农业废料，生产的燃料。　　对生物质进行催化加工和升级可以产生物理和化学性质与柴油相当的液体燃料；从设计的角度来看，这是可取的，因为它们可以用作添加类生物燃料(drop-in biofuels)，只需对船舶发动机及其燃料输送系统做出微小的改变。　　目前使用最为广泛的成分是脂肪酸甲酯(FAME)，或者说生物柴油，这在最新的ISO(8217/2017)船用混合燃油规范中有描述。这项标准允许混合燃料中包含7%的生物柴油，但一些船东正在测试生物柴油比例高达20%-100%的混合燃油。作为第一代生物燃料，脂肪酸甲酯面临着氧化稳定性较差以及随着时间的推移可能降解等挑战。　　加氢处理植物油(HVO)是第二代生物燃料，这类燃油不是通过粮食作物生产的。它们通常被称为可再生柴油，采用现代加氢处理工艺生产，这种高质量燃料比脂肪酸甲酯生物柴油稳定性更好。　　HVO的物理和化学性质与船用轻柴油(MGO)相似，因此能够与现有发动机和燃料输送系统完全兼容。可再生柴油也可以费托合成工艺通过生物质气化来生产。它们通常被称为气体转液体燃料(gas-to-liquid)或生物质转液体燃料(biomass-to-liquid fuel)。　　业界认为可再生柴油对于船东而言是一种很有前景的中长期解决方案，因为它们能够以最小的资本支出大幅减少碳排放。　　利用可再生能源从生物质中生产电燃料(electro-fuels)可以减少燃料生产所需的能源，从而减少其全生命周期碳足迹。上述三种去碳化燃料路径都可以使用这种技术来生产生物LNG、生物甲醇或可再生柴油。电燃料具有提供碳中性推进力的潜力，并且可以作为一种中长期解决方案。　　除化石和生物质来源外，还可以通过二氧化碳回收(CDR)来生产电燃料，该技术可将二氧化碳转化为合成气，而合成气又可用于生产生物LNG或生物甲醇。二氧化碳回收具有从大气中去除二氧化碳并将其用于生产电燃料的潜力，从而能最大限度地减少燃料生产所需的能源。　　航运业的去碳化使命将给该领域带来众多变化，包括船舶设计、安全和环保法规以及贸易模式和货物运量等等方面。　　专家表示，每单位体积能量含量较低的低碳和零碳燃料，例如甲醇、氨气或氢气，如果用作初级燃料，可能会需要对船舶进行整体重新设计。能量含量低的燃料需要更大的储罐来储存，储罐在船上的位置将是设计时需要考虑的一大关键因素。新型发电系统(如燃料电池)也可能会改变当前的船舶机舱架构。这些设备或许会促进船舶空间的利用效率，因为它们可以分布式放置。　　预计到2050年，石油基燃料将占据相当大的市场份额(高达40%)，这样一来，碳捕获和封存系统不仅会在岸上得到推广，海船上也有可能会得到应用。　　向低碳和零碳燃料过渡可能会在中期内增加船舶自身及其运营成本，这种状况要在燃料生产、分配、加注和船上应用技术的成本效益得到改善之后才能改变。　　专家总结称：“根据本次研究对五种船型所使用的燃油组合的预测，航运业可在2050年前实现IMO每一运输单位二氧化碳排放(gCO2 /dwt/nm)降低70%的目标。但是要想实现绝对二氧化碳排放量降低50%的目标，石油基燃料的市场份额就得降到40%以下才行。”