擺脫化石燃料是實現(xiàn)船舶脫碳的關(guān)鍵

崇明海事局 鄢和誠 李 偉

在全球溫室氣體減排達(dá)成共識的大背景下，船舶如何減排已逐漸成為海運業(yè)的熱議話題。如何擺脫化石燃料？國際航運公會ICS曾提供了一份名為“催化第四次動力革命”的報告。為幫助船舶脫碳，以實現(xiàn)IMO溫室氣體減排初步戰(zhàn)略確定的減排目標(biāo)，該報告介紹了包括使用氨、氫、電池等零碳或低碳燃料和技術(shù)。報告認(rèn)為，船舶要徹底脫碳并實現(xiàn)IMO制定的溫室氣體減排目標(biāo)，就需要進(jìn)行第四次動力革命。本文將以該報告為基礎(chǔ)，并結(jié)合當(dāng)前已有研究和市場情況，對上述零碳或低碳燃料進(jìn)行解讀。

氨

目前，氨被認(rèn)為是最有前途的船舶低碳燃料之一。氨很容易液化和儲存，其原材料主要是水或化石燃料，分布廣泛，價格低廉，生產(chǎn)技術(shù)也比較成熟。據(jù)國際能源署IEA預(yù)測，到2060年將有60%以上的新船使用氨或氫燃料。

圖1 氨燃料動力拖船概念圖

此前，氨一般是由化石燃料制成，被廣泛用于化肥工業(yè)。在生產(chǎn)氨的過程中會排放出大量的碳，約占全球總排放量的1.8%。為實現(xiàn)真正的零碳排放，我們可以對氨的生產(chǎn)過程進(jìn)行脫碳，此舉也稱為“綠色制氨”?！熬G色制氨”的一種方法是使用可再生能源氫氣和氮氣進(jìn)行反應(yīng)生成氨，整個過程不釋放任何碳。另一種則是收集氨生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的溫室氣體并將其埋在地下巖石中。通過安裝催化系統(tǒng)，氨燃燒產(chǎn)生的唯一溫室氣體氮氧化物也可以被消除。

然而，氨用作燃料時必須作為液體進(jìn)行儲存，同時也需要有能夠安全處理這種毒性燃料的加注系統(tǒng)。此外，氨的能量密度比柴油更低，相比柴油燃料船舶，氨燃料船舶必須攜帶兩倍以上的燃料量才能行駛相同的距離。根據(jù)韓國向IMO貨物和集裝箱分委會（CCC）第7次會議提交的報告顯示，若要使用氨作為燃料，還需要解決其他安全性和可用性等方面的問題。例如，氨一般具有毒性和腐蝕性，需要制定特殊的安全標(biāo)準(zhǔn)；與其他燃料相比，氨的燃燒性也較差，很難點燃且燃燒速度慢；氨與石油、氯氣等燃料混合，或者與金、汞等重金屬反應(yīng)時，容易引起爆炸；此外，未燃燒的氨還會與船體表面附近的水汽發(fā)生反應(yīng)，容易腐蝕船體；對氨的燃燒過程控制不當(dāng)，還可能導(dǎo)致更高的氮氧化物排放等。

目前，包括中國、日本、韓國和歐洲等都已開始布局氨燃料船舶的研發(fā)，我國前期主要聚焦于船型的研發(fā)，上海船舶研究設(shè)計院、大連船舶重工集團(tuán)、江南造船等企業(yè)先后分別推出氨燃料散貨船、集裝箱船以及液化氣船的設(shè)計；日本主要聚焦產(chǎn)業(yè)鏈的布局，今治造船、日本郵船等企業(yè)先后啟動研發(fā)項目，旨在構(gòu)建包括船舶建造、設(shè)備研發(fā)、燃料裝卸等為一體的全產(chǎn)業(yè)鏈；相比于其他國家，韓國還關(guān)注標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定，韓國船級社已于2021年1月發(fā)布了《氨燃料動力船舶報告》；而歐洲則主要聚焦于氨燃料發(fā)動機(jī)的研發(fā)，曼恩和瓦錫蘭等企業(yè)計劃在2024年左右推出氨燃料發(fā)動機(jī)。

氫

氫作為燃料很有吸引力，因為它在使用時不排放碳或其他污染物。氫氣具有清潔、高效等優(yōu)點，其燃燒熱值也是除核燃料之外所有化石燃料和生物燃料中最高的。目前，大多數(shù)可買到的氫氣都是由化石燃料制成的，其生產(chǎn)過程會排放大量的碳。研究人員正在研究通過熱化學(xué)工藝從水中生產(chǎn)氫氣，實現(xiàn)真正的零碳排放。

圖2 世界上第一艘自主航行氫動力船“Energy Observer”

圖3 世界上第一艘氫燃料拖船“HydroTug”

目前來看，氫燃料的在船應(yīng)用仍有一些問題亟待解決。例如，氫的能量密度相對較低，需要液化并在壓力下儲存才能作為燃料，儲氫場所應(yīng)有適當(dāng)?shù)陌踩胧?，這給氫的運輸和儲存帶來了挑戰(zhàn)；同一體積液氫提供的能量不到柴油的一半，因此需要兩倍多的空間來儲存；此外，氫還需要一個特有的加注設(shè)施。國際能源署也指出，由于氫的儲存成本高、能量密度低，其作為大型船舶燃料的作用比氨更為有限。

盡管如此，在實際應(yīng)用方面，氫比氨應(yīng)用得更早。2018年，豐田贊助的世界上第一艘自主航行氫動力船“Energy Observer”下水，該船使用太陽能、風(fēng)能和波浪發(fā)電，并且可以通過海水產(chǎn)生零碳?xì)渥鳛閯恿?。比利時CMB航運公司最近與ABC發(fā)動機(jī)公司合作研發(fā)了世界上第一臺雙燃料氫-柴油發(fā)動機(jī)。Behydro公司開發(fā)出一種柴油-氫燃料發(fā)動機(jī)，功率高達(dá)10兆瓦。該公司已收到首個訂單，將2×2兆瓦雙燃料發(fā)動機(jī)安裝在拖船“HydroTug”上。該船是世界上第一艘氫燃料拖船，將部署在安特衛(wèi)普港。

為實現(xiàn)真正的“零排放”和“碳中和”，現(xiàn)有的氫燃料制造商還可以通過收集儲存生產(chǎn)過程中排放的碳來生產(chǎn)“零碳”氫燃料。挪威Equinor公司已在開展世界上第一個規(guī)?；臍淙剂仙a(chǎn)項目，將天然氣與碳收集儲存結(jié)合起來生產(chǎn)氫。另一種生產(chǎn)碳中和燃料的方法是將氫與碳或氮一起進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，以生產(chǎn)氣體或液體燃料。這種碳基合成燃料的性質(zhì)類似于今天使用的化石燃料，但事實上，它們使用收集的碳意味著它們在技術(shù)上是碳中和的。

燃料電池

燃料電池可以為短途航行船舶提供動力，也可以滿足大型船舶的輔助能源需求。除了可以作為燃料燃燒，氫也可以用在燃料電池中，通過電化學(xué)反應(yīng)將氫的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。

目前，在船舶上使用電池為發(fā)動機(jī)提供動力的做法仍處于初級階段，隨著技術(shù)的發(fā)展，相信將來即使是大型遠(yuǎn)洋船舶也可以使用可再生能源電池提供動力。但是，受電池能量密度所限，純電動船舶一般僅適用于短途旅行。一艘典型的大型集裝箱船每天需要1萬節(jié)特斯拉S85電池，這意味著它需要7萬節(jié)電池才能航行一周。但是，得益于汽車電池技術(shù)的發(fā)展，相信這種情況很快就會改變。目前，研究人員已經(jīng)在研究如何將特斯拉Model 3的電池能量密度從當(dāng)前的250瓦時/千克提高至1000瓦時/千克。

在實船應(yīng)用方面，當(dāng)前歐洲已有超過50艘純電動力船舶營運，除了純電動力船舶外，一些船型較大的船舶采取柴電混合或“LNG+電”混合動力技術(shù)來節(jié)省燃料消耗，降低廢氣排放量。我國也有電動船舶項目的初步嘗試，例如廣船國際有限公司建造的2000噸級電動自卸船，上海瑞華集團(tuán)改制的500噸級電動貨船等。

圖4 2000噸級純電動自卸船

風(fēng)能

風(fēng)能被認(rèn)為是海運業(yè)最古老的推進(jìn)動力。現(xiàn)代商船不太可能完全用自然風(fēng)力作動力，但仍可以利用風(fēng)力作輔助推進(jìn)，以此補(bǔ)充零碳燃料系統(tǒng)。盡管現(xiàn)有的風(fēng)電系統(tǒng)目前只能提供船舶所需能源的5%～10%，但這些系統(tǒng)可以進(jìn)一步優(yōu)化，其中風(fēng)電混合系統(tǒng)就是一個很有前景的發(fā)展方向。

圖5 “海翼”風(fēng)帆系統(tǒng)

圖6 采用旋翼帆技術(shù)的馬士基油船“MaerskPelican”

在技術(shù)研發(fā)方面，芬蘭制造商Norsepower開發(fā)出一種旋翼帆技術(shù)，當(dāng)船舶安裝這種旋翼帆后，它會根據(jù)船舶的環(huán)境和運行條件以不同速度旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生壓力差，推動船舶前行。此外，法國Airseas公司研發(fā)的“海翼”（Seawing）風(fēng)帆系統(tǒng)也值得關(guān)注。據(jù)了解，“海翼”風(fēng)帆是以繩索連接船頭，面積可達(dá)1000平方米，且風(fēng)帆上安裝感應(yīng)器，實時收集和分析氣象和海洋數(shù)據(jù)，通知船長揚帆時機(jī)及順應(yīng)風(fēng)向的航行路線。當(dāng)不再需要拖曳時，風(fēng)帆也會自動重新折疊并回收。

在實船應(yīng)用方面，2018年底，招商輪船公司成功下水了全球首艘裝備U型風(fēng)帆的30萬噸級油船“凱力”輪；目前包括日本航運巨頭川崎汽船在內(nèi)的多家航運公司已與Airseas公司簽署“海翼”系統(tǒng)訂造協(xié)議；而Norsepower的旋翼帆技術(shù)現(xiàn)也已經(jīng)成功安裝在多艘大型客船、貨船和油船上，例如馬士基的成品油船“Maersk Pelican”、芬蘭Bore公司的滾裝船“MSEstraden”以及維京游輪的LNG動力客船“Viking Grace”等。

圖7 俄羅斯核動力破冰船“50年勝利”號

核能

相對來說，核燃料的技術(shù)已比較成熟，可以很容易地應(yīng)用到商船上，徹底消除二氧化碳排放。它一般只需要一個小型的核反應(yīng)堆，就可以使船舶在若干年內(nèi)都不需要加裝燃料。目前，俄羅斯已在北極部署了多艘核動力破冰船，比爾蓋茨所創(chuàng)辦的核能公司“泰拉能源”也于2020年宣布開展相關(guān)技術(shù)研發(fā)。然而，出于對安全和安保的擔(dān)憂，預(yù)計大多數(shù)政府在短期內(nèi)不大可能接受核燃料的廣泛使用。若想在商船上推廣核燃料，仍有很多工作需要做。

長江新一代高端豪華游輪“長江叁號”交付

2021年12月16日，由招商局郵輪制造有限公司為長江海外游輪旅游有限公司建造的長江新一代高端豪華游輪“長江叁號”舉行了交船儀式。

“長江叁號”游輪是招商局長航集團(tuán)通過自主技術(shù)創(chuàng)新打造出來的長江新一代高端豪華游輪，總長149.99米、型寬23米、型深4.7米、設(shè)計吃水3米，可載客600人。絕大多數(shù)乘客可入住帶觀景陽臺的奢華客房，游輪上設(shè)有影劇院、各類餐廳、露天水上樂園、兒童樂園、會議室等多種設(shè)施，主要運營區(qū)間為長江風(fēng)光最雄奇秀麗的重慶至宜昌航段，集三峽風(fēng)光觀賞、休閑娛樂、會議、親子活動等多種功能于一體，相當(dāng)于一座移動式五星級酒店。