氨能成為未來的船舶燃料嗎？LR詳解航運脫碳

2021-08-27 13:41:59
來源：英國勞氏船級社編輯：國際船舶網(wǎng) 我有話要說

氨（NH3）由1個氮原子與3個氫原子結(jié)合而成，目前工業(yè)合成氨沿用的是有著百年歷史的“哈伯法”，該方法實現(xiàn)了工業(yè)上第一個加壓催化過程，是催化工藝發(fā)展史上的一個里程碑，引發(fā)了肥料生產(chǎn)的變革，促進了全球糧食產(chǎn)品史無前例的增長。“哈伯法”的發(fā)明者Fritz Haber和Carl Bösch也因此分別獲得了1918年和1931年的諾貝爾化學(xué)獎。

今天，80%的氨生產(chǎn)專門用于化肥工業(yè)。然而，隨著航運業(yè)面臨脫碳和擺脫對化石燃料依賴的壓力，氨看起來像是一種有強吸引力的燃料替代品。

目前，全球范圍內(nèi)，大多數(shù)國家政府已經(jīng)制定了未來幾十年內(nèi)雄心勃勃的溫室氣體 (GHG) 減排目標(biāo)。在推動從化石燃料轉(zhuǎn)向替代能源的過程中，包括航運在內(nèi)的每個行業(yè)都將受到影響。國際海事組織 (IMO) 和歐盟等監(jiān)管機構(gòu)正在將目標(biāo)轉(zhuǎn)化為法規(guī)。隨著強制性二氧化碳 (CO2 ) 法規(guī)的加強，很明顯沒有一種燃料可以解決航運面臨的所有零碳需求。未來，船東需要根據(jù)船舶類型、航線和貨物，為船舶配備最適合的燃料。其他替代燃料的候選者包括氫、氨、甲醇、生物燃料、電池和核能。

每種燃料都有優(yōu)點和缺點，但燃料的靈活性以及發(fā)動機轉(zhuǎn)換為使用不同燃料的能力，這兩因素在燃料選擇中發(fā)揮重要作用。在全球脫碳化的背景下，每個船東都需對其船隊做出重要的投資決策，考慮到船舶的預(yù)期平均壽命為 25-30 年，在未來幾十年中可能還需要進行多次投資。一些船只將改裝全新的推進系統(tǒng)，而有些船只將被報廢和更換。

Lloyd's List（海事出版物）和 LR 最近對航運業(yè)利益相關(guān)者進行的一項調(diào)查顯示，氨將成為 2050 年最具潛力的三大燃料之一。調(diào)查顯示，預(yù)計氨燃料在航運燃料中的使用量占比將從2030 年的7%增長到2050 年的20%。

本文將審視氨作為航運燃料的潛力，研究它如何減少或消除 CO2這一與化石燃料相關(guān)的主要溫室氣體的排放。

01碳排放

氨是氮和氫的化合物，由于不含碳，因此在用作內(nèi)燃機燃料時不會排放任何 CO2，這創(chuàng)造了真正零碳推進的潛力。燃燒需要額外的少量點火燃料，其也應(yīng)為零碳燃料。

然而，必須考慮的是，當(dāng)今大多數(shù)氨合成所需要的氫是由化石燃料生產(chǎn)的，2018年全球氨產(chǎn)量大約是1億7千6百萬噸，消耗了大約全球1.8%的能源（其中蒸汽甲烷重整產(chǎn)生氫所消耗的能量占80%以上），產(chǎn)生了大約5億噸的CO2，約占全球CO2排放的1.8%。因此從生命周期的角度來看，氨不是零碳，如果使用它，如何控制生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的CO2是行業(yè)需要解決的問題。

02能量密度

當(dāng)前化石燃料的一大吸引力在于它們的高體積能量密度，這是大多數(shù)替代燃料無法與之匹敵的。替代燃料的低體積能量密度意味著將會占用船上寶貴的貨物空間。氨的體積能量密度與甲醇大致相似，約為傳統(tǒng)化石燃料的一半，但明顯高于氫，從而使得氨燃料在船上存儲具有經(jīng)濟可行性。

03可處理性

氫需要保持在 -253°C 的低溫罐，或以氣態(tài)儲存在壓力高達70MPa的容器中（江湖傳言，1噸氫氣需要10噸的存儲設(shè)備來存）。而氨的液化需要較少的冷卻，在常壓下 -33°C 左右，或者常溫在1MPa左右即可成為液態(tài)。

通過以上兩點可以看出，攜帶氨比氫具有優(yōu)勢。同時氨在一定條件下可以裂化為N2和H2，這也為氫氣的存儲和運輸提供了另一種可能：通過在源頭用氫氣制造氨，運輸產(chǎn)生的氨，然后在使用的目的地重新還原為氫氣，從而降低氫氣運輸?shù)某杀荆枰龈嗟墓ぷ鱽碛嬎氵@種成本降低。

04 經(jīng)濟性

氨是一種定價透明的全球商品，整個生產(chǎn)、運輸、交易市場存在已久并且成熟。

目前市場上供應(yīng)的大部分氨，是由天然氣產(chǎn)生的氫氣制造的“棕色”氨，中間過程產(chǎn)生大量的 CO2排放。但航運的目標(biāo)是從目前的“棕色氨”過渡到在制造過程中應(yīng)用碳捕獲和儲存技術(shù)的“藍色氨”，最終，實現(xiàn)使用可再生能源生產(chǎn)“綠色氨“。

雖然這在短期內(nèi)成本會更高，但隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，價格應(yīng)該會大幅下降，因此氨作為燃料在經(jīng)濟性方面具有長期潛力。

05岸基設(shè)施

人們對于航運業(yè)的碳排放，重點通常是船舶發(fā)動機和船上輔助系統(tǒng)產(chǎn)生的碳排放。然而，能源開采、燃料制造、運輸和港口儲存，燃料在生產(chǎn)和供應(yīng)中也會產(chǎn)生大量排放。為了避免簡單地將問題轉(zhuǎn)移到上游，航運業(yè)需要考慮整個供應(yīng)鏈。

大學(xué)海事咨詢服務(wù) (UMAS) 和LR能源轉(zhuǎn)型委員會在2020年的一項研究發(fā)現(xiàn)，到2050年實現(xiàn) IMO 的碳減排目標(biāo)需要 1-1.4 萬億美元。該研究同時強調(diào)，總投資的 87% 左右需要用于低碳燃料的陸基基礎(chǔ)設(shè)施和生產(chǎn)設(shè)施。在許多情況下，上游挑戰(zhàn)也更難以克服，因為它們涉及更多的利益相關(guān)者，而且這些巨大的基礎(chǔ)設(shè)施投資可能會對人類和環(huán)境產(chǎn)生重大影響。

目前全球氨分銷系統(tǒng)已經(jīng)就位，但現(xiàn)有的氨運輸網(wǎng)絡(luò)主要連接為工業(yè)市場服務(wù)的生產(chǎn)和儲存地點，其港口設(shè)施并非為船舶燃料加注而準備，因此目前的港口布局或許需要進一步調(diào)整。

同時，如果要讓氨成為一種被廣泛接受的燃料，更廣泛的業(yè)界、外部船隊運營商對氨的看法將需要改變。

由于氨的毒性危害，港口當(dāng)局和監(jiān)管機構(gòu)目前不愿批準氨燃料的加注，而市民對港口大規(guī)模儲存氨的反應(yīng)也沒有經(jīng)過測試。

雖然現(xiàn)行法規(guī)禁止將氨作為航運燃料使用，但船級社和其他團體正在評估風(fēng)險，并提供指導(dǎo)，以制定新的規(guī)則和標(biāo)準。

06安全性

雖然氨不是高度易燃的，但空氣中僅 0.25% 的濃度即可導(dǎo)致死亡，使該燃料對人具有高度毒性。燃料系統(tǒng)的設(shè)計、制造、操作和維護必須確保船員、港口工作人員和燃料供應(yīng)商的安全。重油和餾分油（甚至天然氣）的風(fēng)險都低于氨。

當(dāng)前船舶都是按照標(biāo)準配置建造的：發(fā)動機和燃料系統(tǒng)通常位于下層甲板的密閉空間中。氨的不同要求可能會改變船舶布局，甚至可能導(dǎo)致徹底的重新設(shè)計。

因此，在船上處理氨將需要一套全新的技能和安全程序。同時需要了解在泄漏或事故的情況下對人類生活、水和土壤的潛在負面影響，以及如何減輕這些類型的風(fēng)險。幸運的是，目前已有的有關(guān)氨運輸?shù)囊?guī)則可以借鑒。

此外，發(fā)動機中氨的燃燒會釋放一氧化二氮 (N2O，俗稱“笑氣”)，一氧化二氮是排在二氧化碳、甲烷之后的第三大溫室氣體。它所能造成的溫室效應(yīng)的效果大約是二氧化碳的200倍。因此，船上將需要額外的設(shè)備來控制 NOx排放。

解決方案準備

航運業(yè)將氨作為散裝貨物運輸已有100多年的歷史，對貨物風(fēng)險管理有著充分的認知。氨也是最早在船上使用的制冷劑之一，由于其廣泛的可用性、簡單的制造工藝和相對較低的成本，它仍然是漁船制冷設(shè)備的熱門選擇。

但是，航運業(yè)沒有使用氨作為燃料的經(jīng)驗，考慮到安全方面的挑戰(zhàn)，需要對燃料處理和推進系統(tǒng)進行嚴格的風(fēng)險評估，整個供應(yīng)鏈也必須強制執(zhí)行強有力的安全標(biāo)準。

為了讓各組織能夠在零碳旅程中做出明智的選擇，LR 創(chuàng)建了海洋解決方案就緒水平 (MSRL) 框架。這是一種標(biāo)準化的篩選評估，可確保對不同的燃料和技術(shù)進行評估的一致性，從而能夠做出基于實證的決策。

目前準備水平

燃料是運營成本的主要組成部分，也是船舶競爭力的主要驅(qū)動因素。

LR 和 UMAS 的研究“零碳燃料的技術(shù)經(jīng)濟評估”（2020 年）給出了氨作為航運燃料與其他替代燃料（包括氫、甲醇、生物燃料和電池）相比的投資準備情況的早期跡象。

該研究使用一艘典型的散貨船作為案例，在能源價格和總運營成本的一系列情景下進行研究。一個關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，考慮到 2050 年的時間框架，由天然氣生產(chǎn)的氨結(jié)合碳捕獲和儲存，即“藍色氨”是成本最低的零碳選擇。

該研究還審視了技術(shù)準備情況，發(fā)現(xiàn)氨輸送鏈的某些方面，包括加注設(shè)備、儲罐和燃料供應(yīng)系統(tǒng)，正在朝著詳細的設(shè)計解決方案發(fā)展。其他領(lǐng)域，如程序文件和質(zhì)量標(biāo)準、船上輔助設(shè)備以及鍋爐，仍處于概念階段。推進技術(shù)在迅速發(fā)展，主機制造商也宣布了原型機和試點項目。

注：數(shù)字越大表示技術(shù)準備程度（TRL)越高

LR 和 UMAS 研究還提供了與生命周期排放以及更廣泛能源格局演變相關(guān)的社區(qū)準備情況的高級指標(biāo)，顯示出“綠色氨”是整個生命周期中凈 CO2表現(xiàn)最好的一個。為了使氨從工業(yè)商品過渡到航運燃料，需要在所有社區(qū)層面都具備合適的條件，例如，充分的跨領(lǐng)域需求、高效的生產(chǎn)流程以及強有力的國際政策和法規(guī)。

新燃料的成功應(yīng)用需要許多不同類型的組織的貢獻，相互合作以減少剩余風(fēng)險和不確定性。LR 正在通過其海事脫碳中心（LR 基金會和 LR的合資企業(yè)）來指導(dǎo)相應(yīng)的發(fā)展：通過確定關(guān)鍵挑戰(zhàn)，建立合作伙伴關(guān)系來克服這些挑戰(zhàn)，LR正在推進未來燃料和技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的解決方案準備工作。一些氨燃料船設(shè)計已原則上獲得批準，包括中國的氣體運輸船，韓國的超大型集裝箱船概念以及將于 2024 年實現(xiàn)商業(yè)化的深海油輪設(shè)計。

總體而言，氨看起來是一種很有前途的替代燃料，有可能為航運脫碳做出重大貢獻�，F(xiàn)在，各領(lǐng)域利益相關(guān)者必須共同努力，制定切實可行的解決方案，并加以證明。