零碳航運(yùn)
——氨燃料大有作為

本刊記者 王思佳

近日，一項由德國規(guī)模最大且最古老的國際性非政府組織——自然和生物多樣性保護(hù)聯(lián)盟(NABU)與德國生態(tài)研究所（?ko-Institut）合作的研究項目“氨作為船用燃料”發(fā)現(xiàn)，綠色氨作為一種能源，在氣候保護(hù)方面具備巨大的潛力。

氨，大有可為

當(dāng)“百年一遇”變成經(jīng)常遇見，當(dāng)避暑勝地變成“新火爐”城市。這種新常態(tài)就好比地球向我們發(fā)出的警告信號——由于全球氣候變暖所造成的氣候危機(jī)正在進(jìn)一步惡化。

當(dāng)下，全球變暖問題已躍升為國際社會密切關(guān)注的重要問題之一，甚至是民眾日常所關(guān)注的焦點(diǎn)?！叭绾螒?yīng)對這一危機(jī)？”已成為國際社會的重點(diǎn)研究課題。

據(jù)相關(guān)研究顯示，全球氣候變暖是由于溫室效應(yīng)不斷積累，導(dǎo)致地氣系統(tǒng)吸收與發(fā)射的能量不平衡，能量不斷在地氣系統(tǒng)累積，從而導(dǎo)致溫度上升而造成。在導(dǎo)致氣候變化的各種溫室氣體中，二氧化碳對升溫影響最大。針對此，國際海事組織（IMO）制定并推出了溫室氣體減排初步戰(zhàn)略，要求到2030年，效率比2008年提高40%，到2050年，總減排量比2008年減少50%。同時，我國也確立了國家層面的“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)（以下簡稱雙碳目標(biāo)），中國將力爭在2030年前二氧化碳排放量達(dá)到峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和。

為實現(xiàn)這些目標(biāo)，航運(yùn)業(yè)的脫碳行動也被提上日程。然而，隨著近年來極端天氣出現(xiàn)的更為頻繁，氣候危機(jī)的極速惡化，航運(yùn)業(yè)尋找和探索有效減排措施的步伐變得更加刻不容緩。

IMO秘書長林基澤(Kitack Lim)認(rèn)為，如要在2050年之前實現(xiàn)國際航運(yùn)每年至少減少50%的溫室氣體排放，只有通過技術(shù)創(chuàng)新的研發(fā)應(yīng)用和引進(jìn)替代燃料才能實現(xiàn)，這意味著需要盡快找到低碳排放或零碳排放燃料。由此可見，想要實現(xiàn)脫碳目標(biāo)，更好應(yīng)對全球氣候變化，航運(yùn)業(yè)需要作出徹底的改變，其中一個最有效的措施便是從排放根源的船用燃料入手——尋找零碳能源。

在船用零碳燃料方面，行業(yè)多年來做了不少研究與測試驗證，如今，氫與氨的優(yōu)勢逐步顯現(xiàn)。而與氫相比，氨不需要冷卻到極端溫度，-33度便可液化（液態(tài)氫需要-253度），而且液態(tài)氨比液態(tài)氫具有更高的能量密度（氨的體積能量密度幾乎是氫的2倍），使其運(yùn)輸和儲存更具有能效性。NABU的報告也進(jìn)一步凸顯了氨的優(yōu)勢，使其成為航運(yùn)業(yè)未來實現(xiàn)脫碳目標(biāo)最有希望的燃料之一。有行業(yè)專家曾表示，到2050年，氨燃料將取代化石燃料，用于船舶發(fā)動機(jī)。

氨(NH3)作為氮?dú)浠衔?，具有穩(wěn)定的供應(yīng)和便于儲存、運(yùn)輸，燃燒時不會產(chǎn)生溫室氣體二氧化碳。因此，使用氨燃料動力的船舶將可有效地降低碳氧化物和硫氧化物，實現(xiàn)真正意義上的“零”排放。作為一種潛在的船用燃料，它既可用于內(nèi)燃機(jī)，也可用于燃料電池。正因為氨的優(yōu)勢逐步被放大，受到了越來越多的關(guān)注，業(yè)界也慢慢向著氨的應(yīng)用側(cè)重。

“氨是未來船舶燃料的候選者，因為它是一種無碳后化石燃料，因此可能比其他后化石燃料更便宜，”該研究報告指出。

盡管當(dāng)下還沒有氨被用作船用燃料的先例，但NABU的研究報告顯示，只要消除燃燒過程中產(chǎn)生的一氧化二氮，解決有害氮氧化物排放問題，并確保嚴(yán)格的安全法規(guī)防止泄漏，氨作為綠色船用燃料具有很高的潛力。

隨著氨作為船用燃料優(yōu)勢的逐步凸顯，且已被證實可實現(xiàn)真正意義上“零”排放，行業(yè)各方也逐步加大了對于氨燃料和氨動力船的研究。包括曼恩公司（MAN）和上海船舶研究設(shè)計院（SDARI）為吉大港設(shè)計研發(fā)的氨燃料支線集裝箱船，載箱量約為2700TEU，也是業(yè)界開發(fā)新一代氨燃料集裝箱船的典型案例之一，這個項目可將國際海事組織提出的2030年和2050年減排目標(biāo)戰(zhàn)略相結(jié)合；韓國造船與海洋工程公司（KSOE）子公司現(xiàn)代尾浦造船（Hyundai Mipo Dockyard）獲得了相關(guān)船級社對其5萬載重噸級中程成品油船（MR型船）的氨動力設(shè)計原則性批準(zhǔn)（AiP），該項目由現(xiàn)代尾浦造船負(fù)責(zé)船舶基本設(shè)計，曼恩公司負(fù)責(zé)氨動力雙燃料發(fā)動機(jī)開發(fā)和規(guī)格設(shè)計，目標(biāo)是到2025年實現(xiàn)氨動力船舶的商業(yè)化運(yùn)營；大連船舶重工有限公司（DSIC）和曼恩公司的設(shè)計氨動力超大型集裝箱船（載箱量為23000TEU）的方案——“C-FUTURE”，該項目是海事界探索和測試氨等低碳替代燃料作為超大型集裝箱動力的關(guān)鍵一步。

生產(chǎn)、供應(yīng)有保障

新燃料是否能被最終選中來替代傳統(tǒng)燃料，除了排放指標(biāo)外，新燃料的供給及運(yùn)輸也是最重要的考量因素之一。

氨是氮和氫的化合物，是世界上產(chǎn)量最多的無機(jī)化合物之一，是許多食物和肥料的重要成分。氨作為一種基本化學(xué)品，用途及其廣泛，可在全球范圍內(nèi)交易和生產(chǎn)，目前多于八成的氨被用于制作化肥。

根據(jù)氨能源協(xié)會(Ammonia Energy Association)最新報告顯示，氨的生產(chǎn)水平目前接近大約每年2億噸。其中10%在全球市場上交易。幾乎98%的全球氨生產(chǎn)原料來自化石燃料，其中72%使用天然氣作為原料。

在此背景下，各大相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和組織也加大了針對氨用于船用燃料的研究。針對氨，國際能源機(jī)構(gòu)(IEA)發(fā)表的《2020能源展望》報告顯示，預(yù)計到2060年將有60%以上的新船使用氨或氫燃料。由阿法拉伐、哈夫尼亞、哈爾多·托普索、維斯塔斯和西門子歌美颯共同發(fā)布的報告認(rèn)為，氨有潛力能夠為未來全球30%的海上船隊提供動力。

然而，盡管就目前來看，氨氣產(chǎn)能可以滿足初期的船用需求，但隨著氨燃料應(yīng)用的擴(kuò)大，對于氨燃料的需求量也定將隨之大幅增長。針對此，各大燃料供應(yīng)商也加大了氨燃料的供應(yīng)布局。

全球大宗商品交易商托克公司（Trafigura）與挪威化學(xué)品公司雅苒國際（Yara International）簽署諒解備忘錄，旨在為航運(yùn)業(yè)提供零碳排放的氨燃料。根據(jù)諒解備忘錄，雙方將共同開發(fā)和推廣氨氣在航運(yùn)中作為清潔燃料的應(yīng)用，探索在某些清潔氨燃料（綠氨和藍(lán)氨）基礎(chǔ)設(shè)施和市場機(jī)遇方面進(jìn)行合作的可能性。雙方計劃在以下領(lǐng)域進(jìn)行合作，包括Yara向托克公司供應(yīng)清潔氨燃料，探索將清潔氨用作船用燃料的聯(lián)合研發(fā)舉措，以及開發(fā)船用燃料基礎(chǔ)設(shè)施等新的清潔氨資產(chǎn)。據(jù)了解，Yara是全球氨生產(chǎn)、物流和貿(mào)易領(lǐng)導(dǎo)者，每年大約生產(chǎn)850萬噸氨氣。Yara的船隊運(yùn)營著11艘氨氣運(yùn)輸船，包括5艘全資擁有的船舶。該公司還有18個船用氨氣碼頭，儲存能力達(dá)58萬噸，使其能夠在全球范圍內(nèi)生產(chǎn)和交付氨氣。

日本最大的航運(yùn)公司之一的日本商船三井 (MOL)、日本伊藤忠商事株式會社（Itochu）以及荷蘭皇家孚寶（Vopak）等六家合作伙伴簽署諒解備忘錄，將共同在新加坡開發(fā)氨燃料船舶的燃料供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。合作伙伴包括MOL、Itochu、伊藤忠Enex、皇家孚寶、法國石油巨頭道達(dá)爾子公司Total Marine Fuels以及新加坡主權(quán)基金淡馬錫旗下的能源公司Pavilion Energy。根據(jù)備忘錄，各方將共同擴(kuò)大和加速發(fā)展氨燃料供應(yīng)鏈，包括在新加坡建立一個岸上和/或岸外設(shè)施及一艘氨燃料加注船。值得一提的是，伊藤忠商事和伊藤忠ENEX去年曾聯(lián)手日本今治造船、三井E&S控股子公司三井E&S機(jī)械、日本船級社，與全球船機(jī)巨頭MAN Energy Solutions共同研發(fā)氨燃料船舶，目標(biāo)是在2024年實現(xiàn)氨燃料船的商業(yè)化。

日本最大的電力公司JERA今年6月表示，該公司正在與國內(nèi)外企業(yè)進(jìn)行談判，包括能源巨頭、航運(yùn)公司和當(dāng)?shù)仉娏?，以建立作為燃料的氨的全球供?yīng)鏈。JERA是東京電力公司和中部電力公司的合資企業(yè)，目標(biāo)是到2050年實現(xiàn)二氧化碳凈零排放，到2035年實現(xiàn)燃煤電廠氨氣使用量20%。在與馬來西亞國家石油公司(Petronas)就氨和其他能源領(lǐng)域的合作達(dá)成協(xié)議后，該公司已經(jīng)與挪威氨制造商雅拉公司簽署了一份諒解備忘錄(MOU)，為日本的發(fā)電提供無排放的氨燃料。

在氨燃料不斷增長的大背景下，氨燃料的大規(guī)模應(yīng)用還需依靠穩(wěn)定且相對廣泛的物流鏈。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，目前全球已有120多個港口可以處理氨氣產(chǎn)品的進(jìn)出口，還有大量氨氣存儲設(shè)施。值得一提的是，目前，中國的氨產(chǎn)量占全世界三分之一，且合成氨廠遍布全國，運(yùn)輸體系和分布網(wǎng)絡(luò)也已初具規(guī)模。

此外，由于氨具備便于儲存、運(yùn)輸和燃燒，同時還可以把它轉(zhuǎn)換回氫和氮（可用作載體）等優(yōu)勢，在氫經(jīng)濟(jì)日益增長的背景下，氨除了直接應(yīng)用之外，氨將成為長距離和大批量運(yùn)輸氫的最便宜的載體。中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院歐陽明高教授曾在接受本刊專訪時就表示：“就目前而言，如果直接使用氫，存在儲存和運(yùn)輸?shù)雀鞣矫娴膯栴}，因此還需在船上找到氫的載體。對于氫究竟用什么方式使用在船上。目前，我比較看好的是氨，因為其儲氫的重量比能量和體積比能量都比較高，此外，氨合成再轉(zhuǎn)化成氫的技術(shù)比較成熟，也符合中國特色，中國有很多化肥廠，目前已有很多合成裝置，而且技術(shù)的升級、技術(shù)的接替性也非常好，馬上會有更高效更綠色的電化學(xué)合成技術(shù)投入應(yīng)用。而且，這或許會成為船舶行業(yè)做氫能應(yīng)用的一個特色方向。因為氨的燃燒速率偏低，更適合目前船舶所使用的中低速柴油機(jī)使用?！?/p>

大規(guī)模應(yīng)用仍有幾道坎

近年來，氨作為一種潛在的船用燃料受到業(yè)界相關(guān)各方越來越多的關(guān)注。然而，盡管從減少空氣污染的角度來看，使用氨作為船用燃料將有助于推動航運(yùn)業(yè)的脫碳進(jìn)程，但顯然，氨燃料的大規(guī)模推廣應(yīng)用還有幾道關(guān)口需要邁過。

首先，氨雖是一種無碳的能量載體，與其它燃料相比，其燃燒性較差，并且具有毒性和腐蝕性，如果將氨用于船用燃料或者其他燃料載體（例如氫）進(jìn)行運(yùn)輸，需要確保其對人類和海洋環(huán)境的安全性，因此氨的安全輸送和存儲至關(guān)重要，需要制定詳細(xì)的監(jiān)管框架和分類規(guī)則。

NABU報告顯示，由于氨具有劇毒，因此需要嚴(yán)格的安全規(guī)定來防止泄漏，同時，還需要通過可控硅催化轉(zhuǎn)化器消除其對氣候有害的一氧化二氮（N2O）和有害的氮氧化物排放。

“如果可以完全消除氨在生產(chǎn)、運(yùn)輸和燃燒過程中所產(chǎn)生的對氣候有害的一氧化二氮的排放，那么氨作為船舶燃料將可以充分發(fā)揮其氣候保護(hù)潛力?！盢ABU總經(jīng)理Leif Miller表示?！盀榱舜_保這一點(diǎn)，所有溫室氣體都必須納入各個國家和國際法規(guī)和定價。此外，必須制定嚴(yán)格的安全條例來規(guī)范使用氨作為船舶燃料。盡管氨造成的事故無論從短期還是長期都不如重油或柴油事故來的深遠(yuǎn)，但其對海洋環(huán)境的影響仍然是巨大的?！?/p>

其次，適用于氨燃料的發(fā)動機(jī)的研發(fā)需要盡快提上日程。Leif Miller表示，如果將氨作為航運(yùn)業(yè)的短期減排措施，就需要加快發(fā)動機(jī)開發(fā)和后續(xù)計劃部署的步伐。根據(jù)預(yù)防原則，同時為所有的溫室氣體減排新技術(shù)提供激勵，環(huán)境完整性需要通過嚴(yán)格的監(jiān)管手段來確保，包括所有溫室氣體，包括N2O。

近日，全球船用發(fā)動機(jī)領(lǐng)導(dǎo)者瓦錫蘭對一臺采用使用70%氨含量的燃料的發(fā)動機(jī)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果顯示發(fā)動機(jī)成功運(yùn)行。進(jìn)一步的測試將在未來幾年內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行。針對船用市場，瓦錫蘭預(yù)計將在今年內(nèi)推出氨混合燃料發(fā)動機(jī)，于2023年推出純氨燃料發(fā)動機(jī)，并將于2025年推出純氫燃料發(fā)動機(jī)。與此同時，德國知名發(fā)動機(jī)制造商MAN Energy Solutions也針對氨燃料發(fā)動機(jī)制定了時間表，其二沖程氨燃料發(fā)動機(jī)計劃于2024年投放市場，用于大型遠(yuǎn)洋船舶；隨后將提供翻新改造服務(wù)，以使現(xiàn)有船舶能在2025年之前以氨燃料運(yùn)行。

不過也不是所有船舶都適合使用氨燃料，這為行業(yè)研究縮小了范圍，增添了針對性?！拌b于其風(fēng)險特性，氨的使用可能不適用于航運(yùn)板塊的所有分支，如客船。未來，航運(yùn)板塊可能會依賴于不同的后化石燃料，這具體將取決于市場細(xì)分的不同?！?Leif Miller表示。

第三，基礎(chǔ)設(shè)施還需進(jìn)一步加強(qiáng)。NABU研究報告稱，即使氨并未在航運(yùn)業(yè)被廣泛用作燃料，但是對氨相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的投資也不是浪費(fèi)的投資。氨將在氫經(jīng)濟(jì)中的其他板塊的脫碳中發(fā)揮重要作用。與液化天然氣基礎(chǔ)設(shè)施的投資不同，在必要的環(huán)境和安全要求下，需及時從財政和法律上推動綠色氨生產(chǎn)，對于未來的氣候保護(hù)而言，這不會被視為一個錯誤的決定。

第四，合作共治。NABU的航運(yùn)專家Beate Klünder認(rèn)為，除了監(jiān)管溫室氣體，政府還應(yīng)與IMO合作，確保立即在所有海域建立氮氧化物排放控制區(qū)，為完全零排放的航運(yùn)鋪平道路。IMO可以立即啟動這樣一項規(guī)定，因為這是一項經(jīng)過試驗和檢驗的措施——在北海和波羅的海以及美國沿海水域生效的船舶排放控制區(qū)（ECA）。

第五，全生命周期“零碳排放”才是主流。隨著溫室氣體減排研究的深入，全生命周期二氧化碳零排放變得至關(guān)重要。因此，對與氨的生產(chǎn)過程中的碳排放也要給予關(guān)注。數(shù)據(jù)顯示，依靠化石燃料生產(chǎn)氨，生產(chǎn)本身約占全球二氧化碳排放量的1.8%。為了實現(xiàn)真正的可持續(xù)性，“綠色制氨”才能全面消除氨的溫室氣體足跡。據(jù)行業(yè)人士介紹，“綠色制氨”的方法有兩種，一種是使用可再生能源，另一種則是捕獲氨生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的溫室氣體并將其埋在地下巖石中。