海洋能源(燃料怎么选？海洋能源转型——MAN助推航运业实现气候中性)

Posted 2023-06-01

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海洋能源(燃料怎么选？海洋能源转型——MAN助推航运业实现气候中性)

摘要

与许多行业一样，为保护地球生态环境，海运业也需要进行可再生能源转型。因此，国际海事组织（IMO）出台了相关法规，要求航运业在2050年前将其温室气体排放量减少50%（相比于2008年温室气体排放量）。与此同时，在国际贸易增长的推动下，海运总量预计增加。国际海事组织预测，在行业增长情况下假设推进技术保持不变，到2050年，航运业温室气体排放量可能增加250%。因此，国际航运业需要保持在确保行业增长的同时减少碳足迹以解决这一问题。

作为世界领先的发动机制造商之一，MAN Energy Solutions在助力航运业实现气候中性方面已经处于领先地位。由于50%的世界航运贸易都是由MAN Energy Solution研发的发动机所推动，因此，MAN Energy Solution以助力航运业可持续发展为使命，不断进行技术研发和突破。自2016年以来，MAN Energy Solutions不断推动航运业能源转型。该公司不仅致力于开发技术解决方案，还倡导建立有效的全球监管体系。

在道路运输中，电池充电技术逐渐成为首选，助力脱碳目标的达成。与之不同的是，在航运业，燃料仍会发挥无法替代的作用。大型远洋船舶无法通过电池或燃料电池充电，因此，MAN Energy Solutions相信大型内燃机在未来仍会是航运业的主要动力来源，尤其是在长途运输方面，而航运业脱碳只能依靠研发更清洁的燃料来实现。因此，MAN Energy Solution正在大力发展面向未来的气候中性燃料，不断探索，助力打造碳中性的未来。

就现阶段和中期而言，MAN Energy Solutions认为，液化天然气前景广阔，其既能达到环境标准（NOx、SOx），又能将二氧化碳排放量减少20%。然而，MAN Energy Solution并没有仅仅止步于用液化天然气作为燃料，并积极寻找更优的解决方案。利用可再生能源生产气候中立的合成燃料，包括合成天然气（甲烷）、绿色氨和甲醇，以及氢气（应用于短程航行）都更加符合打造碳中性的未来需求。本文提供未来燃料解决方案相关的最新技术状况及当前海洋能源转型路径。

气候变化-全球性挑战

毫无疑问，由于温室气体排放，气候变化已经成为全球经济面临的最大挑战，随之而来的极端天气、冰川融化和海平面上升等我们现阶段意识到的威胁只是冰山一角。因此，我们非常清楚加速实现“碳中和”的迫切需求。通过利用可再生能源生产气候中立的合成燃料，就可以在减排的同时实现利用电力和机械能的生产。

对于日趋恶化的气候变化及其影响，国际社会已经达成了共识，重大改变已经迫在眉睫，国际协作势在必行。在巴黎举行的第21届缔约方首脑会议上达成了著名的2015巴黎协定，试图将气候变化这一全球性挑战——限制在1.5°C（相较于工业化前）。巴黎协定的签订代表着在1992年《联合国气候变化框架公约》之后所有缔约方首次同意为实现碳中和做出最大努力。于2021 年11月在格拉斯哥举行的第26届缔约方首脑会议也进一步强调了尽快停止使用化石能源的紧迫性。

陆地能源转型 VS 海上能源转型

陆地能源转型趋势已经非常明显，煤炭和石油燃烧发电的方式正在被太阳能和风电等环保方式取代，而电动汽车正以先前无法想象的速度扩张。

与陆地能源转型相比，海上能源转型引起的关注度相对较小，但却与之同样迫切。海运业的温室气体排放量巨大，因此海上能源转型将会有助于减少全球碳排放量。因此，在国际海事组织（IMO）的引导下，船东、船舶运营商、船厂和海洋设备制造商已经开始实施他们自己的应对计划。（国际海事组织是国际航运安全、安保和环境绩效的全球论坛和监管机构，涵盖了所有航运业利益相关者。）2018年初，国际海事组织制定了关于脱碳的初步战略，要求国际航运业的年度温室气体排放总量尽早实现达峰，到2050年，温室气体排放量降至2008年水平的50%。

为达成海事组织所制定的目标，相关措施已经制定完成并开始逐步实施，这也是“海洋能源转型”道路上的第一步。MAN Energy Solutions（MAN）是全球领先的船舶发动机制造商之一，从2016年开始MAN Energy Solution 开始为客户提供全方位的能源解决方案。50%的海洋船舶均以MAN在德国奥格斯堡和丹麦哥本哈根研发的发动机为动力。因此，MAN Energy Solution也更有机会通过在海上能源转型方面的努力，更大程度地上减少温室气体的排放。长远来看，海上能源转型是机会也是挑战，因此，MAN Energy Solution也呼吁供应链各方携手面对这一海运业脱碳的挑战。

协调可持续发展和经济增长

根据国际航运协会的统计数据，每年约有110亿吨货物通过船舶运输，相当于世界人口的人均运输1.5吨货物。这说明了制成品和原材料的海上运输在多大程度上支撑了现代生活。例如，就欧盟贸易而言，80%的进出口量——价值约为50%——在某个阶段是通过船舶运输的。

此外，到2050年，全球航运量预计将增长250%。因此，该行业面临着一个两难境地：如何在保持货运量持续稳步增长的同时减少温室气体排放？

相比于其他运输方式，航运业在减排方面潜力巨大，海运运输的货物量大，但航运部门产生的二氧化碳排放量仅占全球温室气体（CO2）总排放量的2.5%。这使航运成为迄今为止二氧化碳排放量（每吨和每公里）最低的运输方式——但如果航运脱碳不与其他运输方式脱碳同步，这一比例将明显上升。

全球携手共建碳中和的未来

MAN Energy Solution在船用发动机市场的份额高达50%，因此，也更有能力采取果断行动，助力航运脱碳事业，自2016年以来，MAN Energy Solution一直致力于开发航运可持续发展相关的技术。然而，MAN也认识到，海洋能源转型需要整个航运部门的支持，寻求共同、协商一致的方法，建立一整套技术、监管和政策举措。

可行性，备选方案和执行者

在技术方面，探索燃料替代方案至关重要。例如，在汽车行业，由内燃机驱动向电池驱动(配套相应技术和解决方案)的趋势显而易见，另一方面，在海运业，使用电池作为储能系统直接充电的技术仅适用于某些特定领域，例如，部分沿海航运或短程渡轮。由于远洋航运的操作和安全要求，电池供电系统无法满足集装箱船、油轮和散货船等大型船舶的需求。

电池–高转换效率–极低的能量密度

氢–中等能量密度–生产成本低于PtX合成燃料–高配送/储存成本–燃料电池未完全工业化

液体合成燃料（PtL）——更高的生产成本——最高的能量密度

根据“经验法则”，在目前的技术状态下，船舶越大，使用电池电力推进系统的可能性就越低。在现在的技术状态下，电池和燃料电池都无法提供满足远洋船舶所需航程和续航力的功率输出或能量密度，耐用性和坚固性更无从谈起。

因此，目前，大型二冲程和四冲程发动机在大多数传统船舶推进和船上发电应用中不可替代。海上能源转型需要落脚于寻找减少或消除传统海上原动机温室气体排放的方法。

相应的，MAN Energy Solution将现有的低碳燃料和新脱碳燃料——而不是完全不同形式的推进力——视为海上温室气体问题的解决方案，对此方案的阐释也是MAN创作本文的意图。

从液化天然气燃料迈进

事实上，向低碳燃料的过渡已经开始——目前，MAN Energy Solution新订单中30%的发动机是双燃料发动机，燃烧液化天然气作为动力（LNG），每千瓦时产生的二氧化碳比传统柴油发动机少20%。因此，航运业能够在继续产品开发、制定战略并利用液化天然气的同时，实现减排，初步向减少温室气体排放的目标迈进。

燃烧液化天然气作为动力是海洋能源转型的开始，在此之后，MAN Energy Solution开始注意寻找其他替代燃料以继续船用发动机的脱碳进程。MAN Energy Solution的海洋能源转型战略提出要利用适配于可再生能源生产气候

中立的合成燃料的发动机，以逐步减少温室气体排放。未来的发动机解决方案将在很大程度上由合成燃料提供动力，这种燃料由绿氢制成，来源于可再生电能的电解水制氢(也称之为电力多元转换)。

甲烷：实现燃料革新的推手

转向液化天然气燃料的优势的产生是基于甲烷的性质和特性，甲烷是天然气的主要易燃成分（约85%）。甲烷的化学式为CH4，是碳氢化合物（烷烃）中，氢和碳的最简单组合，因此燃烧时产生的二氧化碳量最低：与重质和馏分液体燃料相比，优势高出20%。

值得庆幸的是，在过去20年的发动机发展中，趋势一直是使用液化天然气替代自20世纪50年代以来一直在船舶上使用的重油和馏分液体燃料。作为船用发动机技术的领导者，MAN Energy Solution一直是推进液化天然气燃料普遍使用的先驱。重点包括改装二冲程和四冲程柴油发动机，使船舶能够使用液化天然气，并推出首款商用二冲程双燃料（DF）发动机：具有高压燃气喷射和柴油燃烧的ME-GI发动机。

除了可能减少二氧化碳排放外，天然气的使用还有更多好处：

–现阶段可以广泛使用，将来也可以继续使用。

–便于运输，基于成熟的液化天然气的处理和运输技术，液化天然气可以便利地以液化形式运输。

–设计用于燃烧液化天然气的大型二冲程和四冲程活塞发动机已得到充分检验，并在各种船舶中逐渐流行。

–作为大型发动机的燃料，液化天然气符合有关有害排放物（即NOx、SOx和微粒）的现行法规，满足IMOTier III标准。

然而，在确定了液化天然气的适用性和可行性后，必须解决甲烷逃逸问题。无论是天然存在于化石液化天然气中，还是在绿色工艺中合成的甲烷，其在100年的时间跨度内的温室效应都是二氧化碳的28倍。因此，MAN Energy Solution已经优先考虑了这个问题的解决方案：

–在二冲程方面，MAN双燃料ME-GI发动机的工作原理在很大程度上防止了甲烷逃逸。其狄塞尔循环燃烧原理在确保节省燃料的同时，最大限度地释放热量。因此，MAN Energy Solution可以保证其ME-GI双燃料发动机的甲烷逃逸水平低至0.2克/千瓦时，公差为+/-0.1克/千瓦小时。

–对于二冲程奥托循环发动机，与不带EGR的二冲程奥托循环发动机相比，带EGR（废气再循环）的ME-GA发动机可将甲烷逃逸减少50%。

–在四冲程方面，自2000年代中期推出四冲程双燃料发动机以来，MAN Energy Solution在减少甲烷逃逸方面取得了卓越的进展。与以前的型号相比，目前市场上的发动机产生的甲烷逃逸于之前相比减少了50%，并且，在短期内，MAN Energy Solution将采用发动机内部措施将这一比例减少20%。到2025年，MAN预计将使用氧化催化剂实现进一步60%的减排。

燃料革新—未来脱碳的道路

得知液化天然气的特性将使其船用发动机的二氧化碳排放量减少20%后，MAN Energy Solution也对其他燃料进行了评估，这些燃料可以在海上能源转型中逐渐取代液化天然气。

为了得出这一结论，MAN Energy Solution基于燃料使用的一些重要特性和限制条件，将船舶脱碳的候选燃料与重油（HFO——原油蒸馏和裂解的残渣油）和轻油（MGO——由混合馏分组成的船用馏分油）进行了对比。从本质上讲，这些因素将决定海上能源转型的可行性以及运营成本（Opex）和资本支出（Capex）。它们包括：

–可用性–在全球和区域范围内可用数量。

–碳强度–燃烧过程中的碳排放量。

–发动机和设备在船上的初始成本，用于调整发动机以适用于燃烧燃料，以及储存和调节燃料以供燃烧。

–燃料沸腾温度–衡量燃料对储存、处理和运输技术的复杂程度的标准。

–燃料的预计生产和装卸成本–生产流程越简单，装卸越容易，燃料价格越低。

因此，理想的燃料将是这些因素之间的可行折衷，最佳低碳或零碳燃料有希望投入使用，这具体需要取决于船舶类型、运行状况、交易方案以及地区——航运可能需要各种燃料的燃烧。

氢气

该评估从高度易燃的氢（H2）开始，其燃烧的巨大优势在于其在燃烧过程中仅会产生（H2O），意味着其能达到零碳和零温室气体的排放。然而，氢的许多特性使它难以用作燃料。其中最主要的是氢的低体积能量密度及其极高的可燃性。

即使加工成为液态氢，氢的能量密度也比HFO或MGO低4.5倍。此外，要液化氢气，需要将其冷却至-253℃，即便如此，氢气的体积也是LNG的几倍。另外，将氢保持在液态所需的设备体积大且复杂。因此，在实践中，与液体燃料设备相比，完整的氢燃料系统的总安装空间系数为6–7。

因此，尽管有人建议在一些船舶（如沿海船只和轮渡）上使用氢气作为发动机燃料，氢载体显然不适合作为大型商船活塞发动机直接燃烧的标准燃料。另一方面，MAN Energy Solution预计，利用从水中电解出的绿色、可再生的氢气，将在合成气体燃料生产方面发挥关键作用，这将促进航运业脱碳的持续发展，此前使用化石液化天然气。由绿色氢气生产的最值得注意的燃料将是合成天然气（甲烷）、氨和甲醇。

合成天然气

对于利用从大气或其他碳源捕获的绿氢和碳，生产碳中性合成烃气（如甲烷）的提议已经提出。在生产方面，技术流程已经得到了很好的验证。例如，2013年，MAN Energy Solutions为位于德国维尔特的奥迪工厂的欧洲最大的燃气发电厂提供了甲烷反应器。

值得注意的是，合成天然气（SNG）是甲烷（CH4），因此在化学成分方面与LNG的主要可燃成分相同。但由于它是由绿氢生产的，所以它是碳中性的。其化学结构使SNG非常适合于在MAN Energy Solution现有的两冲程和四冲程双燃料发动机中燃烧，其次，与LNG逐步混合将作为海洋能源转型进程中的拟议步骤。此外，可以继续利用现有的天然气供应基础设施运输和储存合成天然气。

将燃料应用于船运的过程相对简单，但其意义却至关重要——比如，液化天然气的应用。新的气体燃料必须在加注前保持在低温状态下（对于LNG和SNG，温度需要保持在 -162°C）。同时，已经建立的船上液化天然气基础设施也适用于SNG燃料。

2021年9月，1036箱集装箱船ElbBLUE号成为全球第一艘在商业航行中使用气候中性合成天然气的集装箱船。她于2017年被改装为使用四冲程MAN 51/60双燃料发动机。MAN Energy Solutions及其合作伙伴通过其试点项目证明，任何经过LNG改装的船舶都可以使用PTX（电力多元转换）技术产生的燃料，甚至可以根据燃料可用性使用混合燃料。

氨

氨作为燃料的主要优点是其化学成分NH3不含碳，因此在燃烧过程中不会产生二氧化碳。另一个优势是：与甲醇（见下文）一样，氨已经可以通过工业达到量产，并在全球大规模交易，例如作为肥料原料。氨的安全处理体系已经建立。然而，与甲醇一样，氨的生产在现阶段还不是绿色的，但利用来自于可再生能源的绿色氢气对其进行生产是有希望的。绿色氨生产将同样以可再生能源为动力，并使用来自空气的氮气。

就其作为发动机燃料的适用性而言，NH3燃烧缓慢，因此，目前比较适用于二冲程柴油机进行燃烧。根据这种情况，MAN Energy Solution已经根据自身资源在研发一种能够进行氨燃烧的二冲程发动机，并计划于2024年上市。在四冲程方面，为了确定研发以氨为燃料的双燃料中速机的必要步骤，MAN Energy Solution与工业和研究伙伴合作启动了在四冲程内燃机中测试氨的使用情况的项目。

另外一个优点是，因为氨在-33°C下就可以液化，而与液体柴油相比，能量密度为2.9，体积紧凑，这使其在船上的储存和运输都会相对简单。然而，燃烧过程中可能形成的一氧化二氮（N2O，“笑气”）仍然是需要解决的问题之一。与CO2（1）相比，N2O的温室气体效应指数是CO2的270倍。但是，就像解决甲烷逃逸一样，MAN同样有信心解决这个问题。

众所周知，氨也是一种毒性较大的物质，但它在所有浓度下都不像氢那样易燃或易爆。此外，氨的刺鼻气味使得人们即使在低ppm水平下也能及时洞察泄露情况，而MAN Energy Solution氨燃烧驱动的二冲程发动机的设计将会允许它在极低氨逃逸水平下工作。

液化石油气

与液化天然气一样，液化石油气（LPG）是一种化石燃料，与重燃油和船用轻油相比，具有相对较高的能量密度以及减排方面的优势。由于二氧化碳排放量可能减少18%，液化石油气在船舶发动机脱碳的第一阶段越来越受欢迎。它也相对容易储存和处理。

MAN Energy Solution已经提供了双燃料二冲程发动机，可使用液化石油气为动力，并为现有柴油发动机提供了改装升级服务。现今，MAN Energy Solution B&W ME-LGIP是全球LPG运输船提供动力的行业标准。然而，由于液化石油气仍然是一种化石燃料，类似于液化天然气，并不是一种长期前景，而是一种启动海洋能源转型的助推器，直到无碳替代品占据中心地位。

生物燃料

MAN Energy Solution的客户近期对生物燃料越来越感兴趣，这种燃料可以在对发动机进行小规模改装的情况下，在二冲程和四冲程发动机中燃烧。因此，在有足够可用量的前提下，生物燃料有希望为脱碳事业做出巨大贡献，既可以作为主要燃料，也可以作为引燃油，确保双燃料发动机的完全碳中和。然而，对于这些燃料能否满足日益增长的需求仍然存疑。

考虑到世界人口的日益增长，农业用地很可能需要专用于粮食作物。此外，对生物燃料能否真正实现可持续生产的问题仍在审核当中，例如，在不破坏雨林和威胁野生动物的自然栖息地的情况下是否可能保持生物燃料的量产。与此同时，从有机废物中提取的生物燃料的方式很有潜力，这将会在船用发动机碳中性燃料的供应中发挥很重要的作用。

（注：本文由MAN Energy Solution提供）