在航运业脱碳转型进程中,以低碳能源(天然气、醇类、醚类等)、碳中和能源(生物燃料、电燃料)、零碳能源(氢、氨、电能等)等为代表的清洁能源已开展了不同程度的船用研究与实践,从能源层面为实现减碳目标提供了多种可能发展方向。

表 船舶燃料的主要理化性质

低碳能源

液化天然气(LNG)。天然气在全球能源构成中的重要性日益凸显,2019年天然气在全球能源结构中占比达到23%,主要集中在工业燃料、城市燃气、发电燃气领域;并且,全球天然气市场当前基本处于“产销两旺、总体宽松”的态势,2019年全球LNG供应过剩约7000万吨。由此可见,LNG作为船舶燃料在供给侧具有坚实基础。船用LNG燃料的进一步发展还需要在产业链的上下游协同发力,上游需要完善LNG加注基础设施建设,下游需要针对甲烷排放控制技术开展研发应用。

甲醇(Methanol)。作为一种重要的化工原料,甲醇主要以煤和天然气为原料制取,甲醇目前的产能可确保其在全球范围内的供应。甲醇燃料在内燃机中使用可实现碳减排约10%,NOx减排约60%。从能源资源蕴藏看,我国煤炭资源丰富,适合作为生产甲醇的原料,因此推广甲醇燃料在航运业中的应用,对于减少我国对油气资源的对外依存度,确保我国航运能源安全具有战略意义。

二甲醚(Dimethyl Ether)。二甲醚主要由甲醇脱水而制取,因此仍然依赖于煤、天然气等化石能源,在生产端与甲醇相比并无优势。二甲醚的优势主要体现在使用端,与柴油相比,二甲醚具有更高的十六烷值和更低的自燃温度,故着火性能更好,可作为柴油的理想替代燃料在压燃式发动机中应用。二甲醚运动黏度低、润滑性差的特性也带来应用上的挑战,需对内燃机燃料供应、喷射、控制等系统等进行改造调整。碳减排效果方面,二甲醚与甲醇基本相当。

碳中和能源

碳中和能源燃烧所释放的CO2来自于大气系统中自然存在的CO2,不会造成CO2总量的增加。以生物燃料为例,其燃烧过程是光合作用的逆过程,燃烧释放至大气系统的CO2经过光合作用又回到生物质中,如此循环往复,以此实现“碳中和”。但绝对意义上的“碳中和”并不存在,因为碳中和能源在生产、储存、运输环节都需要消耗能源,而这些能源的生产及使用过程都会产生温室气体排放,因此碳中和能源属于一个相对的概念。

生物燃料(Biofuels)。生物燃料主要以能源作物、农业废弃物、林业产品及其废弃物等为原料,采用化学转化、厌氧消化、气化等工艺制取,主要包括生物柴油、生物甲烷、生物甲醇等。生物燃料也被称为“即用型燃料”(drop-in fuel),因为其能量密度、燃烧特性等理化性质与对应的石化燃料类似或相同,无需对设施或设备进行技术改造,即可在现有船用设备和燃料加注基础设施中使用。受生物质原料的来源不稳定且价格易波动等影响,目前船用生物燃料项目基本为科研和试验为主,离商业营运还存在相当的距离。

电燃料(Electrofuels)。碳中和途径制取的电燃料是以可再生电力为能量来源,以H2和CO2/N2为原料合成制取的燃料。根据是否含有碳元素,电燃料可分碳基燃料(甲烷、甲醇、二甲醚等)和非碳基燃料(氢、氨等)。电燃料也属于即用型燃料,可以掺混或替代常规燃料在现有船舶动力系统中应用。目前,全球范围内的电燃料项目主要处于试点阶段,生产规模小、成本高。据测算,甲烷、甲醇、二甲醚等电燃料的价格约为对应常规燃料的10余倍。

零碳能源

氢燃料(Hydrogen)。目前制氢的主要途径仍基于化石能源(煤、天然气),制氢环节会副产大量CO2。未来,以海上风电制氢为代表的绿色制氢途径将成为发展趋势。储氢技术方面,满足船舶续航力要求的高密度储氢技术有待进一步发展。目前,业界已围绕船舶应用氢燃料开展了一系列应用研究及试点示范,但还不具备规模化应用的条件,在船用技术、规范标准、基础设施等方面未来数十年仍需要大量投入。

氨燃料(Ammonia)。氨是化肥工业的重要原料,主要由氢气和氮气合成制取,氢气仍然主要依赖于化石能源制取,氮气则来源于空气分离。氨燃料在内燃机中应用需解决火焰传播速度低、燃烧范围较窄以及NOX、N2O排放等问题。此外,由于氨具有一定毒性和强烈刺激性气味,作为船舶燃料使用需要采用严格的安全防护措施,目前尚缺乏技术标准支撑。业界正在开展氨燃料内燃机、氨燃料电池研发以及氨燃料动力船型开发。与液氢(-253℃)相比,液氨(-33℃)的储存及供应相对容易,且液氨能量密度约为液氢的1.5倍,可作为海上运输氢能的载体。

电池(Battery)。采用纯电池动力在船舶使用端可实现零排放,但要实现全生命周期的零排放,则需要采用清洁能源发电(可再生能源、核能),或在发电厂应用碳捕捉与封存(CCS)技术。现阶段受能量密度制约,纯电池动力主要应用于小型和短途船舶;采用基于电池储能的混合动力系统是兼顾能量密度限制和减排效果的一种折中方案。