開發(fā)零排放船舶，發(fā)展零碳航運(yùn)是當(dāng)前航運(yùn)業(yè)面臨的一大挑戰(zhàn)。近期，某航運(yùn)機(jī)構(gòu)與海事戰(zhàn)略國際公司(MSI)聯(lián)合開展的一項研究顯示，航運(yùn)業(yè)去碳化目標(biāo)可以通過三種可行的路徑來實現(xiàn)。它們分別是：輕氣體、重氣體和醇類、生物燃料或合成燃料。船東和運(yùn)營商在選擇適用的去碳化路徑時，應(yīng)當(dāng)參考兩項基本標(biāo)準(zhǔn)：一是船型，二是船舶運(yùn)營模式，如航線和貨物種類。
專家表示：海運(yùn)業(yè)的去碳化挑戰(zhàn)可以看作是一個復(fù)雜的謎題，其中包含了三個要素：船舶能效技術(shù)、船舶運(yùn)營優(yōu)化，以及低碳、零碳或碳中和燃料。這些要素都有各自的作用，但是我們發(fā)現(xiàn)航運(yùn)業(yè)向低碳燃料轉(zhuǎn)型的速度是影響其全球碳足跡的最大因素，比可預(yù)見的商品需求轉(zhuǎn)變、操作方式改進(jìn)、船舶航線或船舶設(shè)計改變的影響都要大。我們的研究模型顯示，航運(yùn)業(yè)可以在2050年之前實現(xiàn)降低碳強(qiáng)度的目標(biāo)，但是可能無法達(dá)到溫室氣體年度總排放目標(biāo)。
一、輕氣體路徑
這個類別是指由小分子、低碳?xì)浔葮?gòu)成的燃料，包括LNG、生物L(fēng)NG、合成天然氣(SNG)或者可再生天然氣(RNG)，它們可由生物質(zhì)和/或可再生能源生產(chǎn)得來。目前通過生物生產(chǎn)合成燃料或可再生燃料的規(guī)模有限，必須擴(kuò)大規(guī)模才能用作商業(yè)上可行的解決方案。
LNG是一種相對成熟的低碳燃料，主要由甲烷構(gòu)成。相比重燃油，LNG的碳?xì)浔仁蛊淠軠p少多達(dá)21%的二氧化碳排放。不過這個數(shù)值并不包括甲烷逃逸造成的碳釋放，減少甲烷逃逸是這類可再生燃料得到商業(yè)推廣需要考慮的關(guān)鍵問題。目前業(yè)界正在開發(fā)缸內(nèi)排放控制策略，這種方式可與廢氣后處理裝置結(jié)合使用。將甲烷逃逸降到最低水平，生物L(fēng)NG、合成天然氣或可再生天然氣等燃料就可以提供碳中和推進(jìn)系統(tǒng)。
二沖程和四沖程發(fā)動機(jī)制造商已經(jīng)在利用缸內(nèi)高壓氣體噴射為行業(yè)提供降低甲烷逃逸的方案。這些措施還可以與甲烷氧化催化劑和其他廢氣后處理系統(tǒng)結(jié)合使用，進(jìn)一步減少甲烷排放，將LNG的碳足跡降至最低水平。
作為一種低碳燃料，LNG可與新技術(shù)和/或船舶運(yùn)行措施結(jié)合使用，來實現(xiàn)2030減排目標(biāo)。如果與生物L(fēng)NG、合成天然氣或可再生天然氣混合使用，LNG還可以進(jìn)一步降低航運(yùn)業(yè)碳排放。
輕氣體中的氫氣也有可能成為未來零碳船舶的一種解決方案，因為氫氣擴(kuò)散率高，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，并且是在所有候選燃料中每單位質(zhì)量能量含量最高的一種。
不過，氫氣也需要低溫儲存和專用燃料供應(yīng)系統(tǒng)來控制。氫氣已經(jīng)在內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池中得到了應(yīng)用，這些都會在船舶發(fā)電和推進(jìn)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。
然而，正如專家所說，在氫氣成為一種能夠得到大規(guī)模推廣應(yīng)用的商業(yè)燃料選項之前，我們還需要取得重大的技術(shù)進(jìn)步。
二、重氣體和醇類路徑
這個類別下燃油的構(gòu)成分子比輕氣體群更大，它們的碳?xì)浔纫蚕鄬^高，因此其二氧化碳減排的潛力和能量含量也就相對較低。不過它們的燃油儲存和供應(yīng)需求也相應(yīng)地更為寬松。這類燃油包括LPG、甲醇、乙醇和氨。
在用作初級燃料時，甲醇可以減少約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產(chǎn)出來的話，甲醇將來就有可能成為碳中性燃料。
此類別下的某些燃料(如甲醇)，由于能量含量較低，限制了可在船舶上儲存的燃料能量的數(shù)量，因此它們只適用于允許頻繁加油的航線和船舶。
LPG的能量含量高于醇類，可能更適合在現(xiàn)代雙燃料發(fā)動機(jī)中使用，但由于其減排潛力較低并且存在安全方面的挑戰(zhàn)，LPG還沒有像LNG一樣得到較為廣泛的采用。
不過，目前發(fā)動機(jī)制造商已經(jīng)將甲醇和LPG視為成熟的燃料類型，它們已經(jīng)開始銷售能夠使用這類燃料的發(fā)動機(jī)平臺。因此，這些燃料可以用來實現(xiàn)航運(yùn)業(yè)的2030碳減排目標(biāo)，如果它們在未來可以通過可再生方式生產(chǎn)的話，還可以為開發(fā)碳中性推進(jìn)系統(tǒng)鋪平道路。
排在重氣體或醇類譜系末端的是氨氣，如果以可再生方式生產(chǎn)的話，氨氣也能成為零碳燃料。盡管氨氣具有毒性并且有著更為嚴(yán)格的處理要求，氨氣發(fā)動機(jī)卻已經(jīng)在設(shè)計當(dāng)中了。最近業(yè)界有團(tuán)隊已經(jīng)揭曉了氨燃料支線船設(shè)計。
專家指出，要使氨氣成為商業(yè)上可行的長期燃料選項，行業(yè)就需要建立全面的供應(yīng)方基礎(chǔ)設(shè)施，并制定和實施全新、嚴(yán)格的安全條例。
三、生物或可再生燃料路徑
這個類別包括由生物質(zhì)，如植物、廢油和農(nóng)業(yè)廢料，生產(chǎn)的燃料。
對生物質(zhì)進(jìn)行催化加工和升級可以產(chǎn)生物理和化學(xué)性質(zhì)與柴油相當(dāng)?shù)囊后w燃料；從設(shè)計的角度來看，這是可取的，因為它們可以用作添加類生物燃料(drop-in biofuels)，只需對船舶發(fā)動機(jī)及其燃料輸送系統(tǒng)做出微小的改變。
目前使用最為廣泛的成分是脂肪酸甲酯(FAME)，或者說生物柴油，這在最新的ISO(8217/2017)船用混合燃油規(guī)范中有描述。這項標(biāo)準(zhǔn)允許混合燃料中包含7%的生物柴油，但一些船東正在測試生物柴油比例高達(dá)20%-100%的混合燃油。作為第一代生物燃料，脂肪酸甲酯面臨著氧化穩(wěn)定性較差以及隨著時間的推移可能降解等挑戰(zhàn)。
加氫處理植物油(HVO)是第二代生物燃料，這類燃油不是通過糧食作物生產(chǎn)的。它們通常被稱為可再生柴油，采用現(xiàn)代加氫處理工藝生產(chǎn)，這種高質(zhì)量燃料比脂肪酸甲酯生物柴油穩(wěn)定性更好。
HVO的物理和化學(xué)性質(zhì)與船用輕柴油(MGO)相似，因此能夠與現(xiàn)有發(fā)動機(jī)和燃料輸送系統(tǒng)完全兼容。可再生柴油也可以費托合成工藝通過生物質(zhì)氣化來生產(chǎn)。它們通常被稱為氣體轉(zhuǎn)液體燃料(gas-to-liquid)或生物質(zhì)轉(zhuǎn)液體燃料(biomass-to-liquid fuel)。
業(yè)界認(rèn)為可再生柴油對于船東而言是一種很有前景的中長期解決方案，因為它們能夠以最小的資本支出大幅減少碳排放。
利用可再生能源從生物質(zhì)中生產(chǎn)電燃料(electro-fuels)可以減少燃料生產(chǎn)所需的能源，從而減少其全生命周期碳足跡。上述三種去碳化燃料路徑都可以使用這種技術(shù)來生產(chǎn)生物L(fēng)NG、生物甲醇或可再生柴油。電燃料具有提供碳中性推進(jìn)力的潛力，并且可以作為一種中長期解決方案。
除化石和生物質(zhì)來源外，還可以通過二氧化碳回收(CDR)來生產(chǎn)電燃料，該技術(shù)可將二氧化碳轉(zhuǎn)化為合成氣，而合成氣又可用于生產(chǎn)生物L(fēng)NG或生物甲醇。二氧化碳回收具有從大氣中去除二氧化碳并將其用于生產(chǎn)電燃料的潛力，從而能最大限度地減少燃料生產(chǎn)所需的能源。
航運(yùn)業(yè)的去碳化使命將給該領(lǐng)域帶來眾多變化，包括船舶設(shè)計、安全和環(huán)保法規(guī)以及貿(mào)易模式和貨物運(yùn)量等等方面。
專家表示，每單位體積能量含量較低的低碳和零碳燃料，例如甲醇、氨氣或氫氣，如果用作初級燃料，可能會需要對船舶進(jìn)行整體重新設(shè)計。能量含量低的燃料需要更大的儲罐來儲存，儲罐在船上的位置將是設(shè)計時需要考慮的一大關(guān)鍵因素。新型發(fā)電系統(tǒng)(如燃料電池)也可能會改變當(dāng)前的船舶機(jī)艙架構(gòu)。這些設(shè)備或許會促進(jìn)船舶空間的利用效率，因為它們可以分布式放置。
預(yù)計到2050年，石油基燃料將占據(jù)相當(dāng)大的市場份額(高達(dá)40%)，這樣一來，碳捕獲和封存系統(tǒng)不僅會在岸上得到推廣，海船上也有可能會得到應(yīng)用。
向低碳和零碳燃料過渡可能會在中期內(nèi)增加船舶自身及其運(yùn)營成本，這種狀況要在燃料生產(chǎn)、分配、加注和船上應(yīng)用技術(shù)的成本效益得到改善之后才能改變。
專家總結(jié)稱：“根據(jù)本次研究對五種船型所使用的燃油組合的預(yù)測，航運(yùn)業(yè)可在2050年前實現(xiàn)IMO每一運(yùn)輸單位二氧化碳排放(gCO2 /dwt/nm)降低70%的目標(biāo)。但是要想實現(xiàn)絕對二氧化碳排放量降低50%的目標(biāo)，石油基燃料的市場份額就得降到40%以下才行?！?/p>
來源：中國船檢
