低零排放船用燃料的发展概况及对我国的启示-交通运输部水运科学研究院 (1).pdf-solarbe文库

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2022 年 9 月低零排放船用燃料的发展概况及对我国的启示冯淑慧彭传圣致谢我们感谢抽空审阅本报告并提供了宝贵信息和建议的同行，包括程世东发改委综合运输研究所、Barbara Finamore 牛津能源研究所、Tristan Smith 伦敦大学学院、Faig Abbasov 欧洲交通与环境机构、冒晓立和 Bryan Comer 国际清洁交通委员会以及 Mi- chael Walsh 国际顾问。我们也感谢 Dorthe Jacobsen 和 Peter Kirkeby 曼恩能源方案对替代燃料解决方案章节提供了很多有用的信息。我们特别感谢自然资源保护协会的吴琪和杨君帮忙审阅本报告。自然资源保护协会自然资源保护协会（NRDC）是一家国际公益环保组织，成立于 1970 年。NRDC 拥有 700 多名员工，以科学、法律、政策方面的专家为主力。NRDC 自上个世纪九十年代中起在中国开展环保工作，中国项目现有成员 40 多名。NRDC 主要通过开展政策研究，介绍和展示最佳实践，以及提供专业支持等方式，促进中国的绿色发展、循环发展和低碳发展。 NRDC 在北京市公安局注册并设立北京代表处，业务主管部门为国家林业和草原局。交通运输部水运科学研究院交通运输部水运科学研究院成立于 1956 年，是我国成立最早、规模最大的水路交通运输科研机构，也是唯一的综合性水路交通运输科研机构。经过多年发展，水运院形成了以“水运经济、安全应急、环保节能、现代物流、智能水运”五大科研领域为主、基本全面覆盖水路交通运输各个方向的专业体系，集咨询服务、装备研发、工程设计、航运服务、交流培训五大产业板块于一体的业务领域。水运院拥有 400 多名员工，包括运输经济学家、计量经济学家、交通 / 运输工程师、法律、政策和制度专家、信息和通信技术专家和培训专家。目录执行摘要 . . 1 1 全球气候行动的紧迫性 . 6 2 国际海事组织温室气体控制的初步战略 . 8 3 替代燃料解决方案概述 . 11 3.1. 替代船用燃料 14 3.1.1. 氢基燃料氢和氨 14 3.1.1.1. 背景 14 3.1.1.2. 应用 15 3.1.2. 甲醇 . 20 3.1.2.1. 背景 20 3.1.2.2. 应用 .22 3.1.3. 天然气（甲烷） . 25 3.1.4. 电力 . 28 3.1.4.1. 背景 28 3.1.4.2. 应用 28 3.2. 碳基合成燃料合成碳氢化合物燃料和生物燃料 29 3.2.1. 合成碳氢化合物燃料 . 29 3.2.1.1. 背景 29 3.2.1.2. 大气污染影响 .32 3.2.1.3. 应用状态 32 3.2.2. 生物燃料 .32 3.2.2.1. 背景 .32 3.2.2.2. 应用 34 3.3. 小结对比各类替代船用燃料的表现 . 36 4 对中国的启示 . . 39 4.1. 开发和应用低零碳船用燃料实现航运脱碳的路径逐渐明晰 39 4.2. 中国造船企业和发动机企业开展的试点项目和研究为开发低零排放解决方案奠定了基础 . 41 4.3. 确立针对性发展措施，确保低零排放的船用燃料的充足供应 . 42 4.4. 替代燃料的成本较高是一个主要挑战，但最大限度地提高能源效率可以减少转型中的障碍 43 4.5. 综合考量替代燃料的发展方案，投资更具长远发展价值的燃料类型 445 建议. . . 46 5.1. 制定适用于国内船队的温室气体和能源效率规章条例 . 47 5.2. 支持一批试点港口地区扩大低零温室气体排放燃料动力船舶示范项目 . 48 5.3. 确保航运成为中国向碳中和经济转型的重要组成部分 . 49 6 结束语 . . . 50 参考文献 . . 51 图录图 1. 主要气候污染物对全球变暖的贡献 .7 图 2. 国际海事组织应对气候变化行动 .9 图 3. 与欧洲的船用轻柴油和液化天然气价格相比，可再生氢、氨、电制甲醇、电制柴油和电制液化天然气的平准化成本 14 图 4. 氢和氨生产来源 19 图 5. 甲醇生产来源 22 图 6. 柴油和双燃料发动机的全生命周期二氧化碳当量 CO 2 e 排放 . 26 图 7. 生产碳基电制燃料的潜在途径 . 30 图 8. 使用不同电力来源的电制甲烷温室气体强度 31 图 9. 先进生物燃料、传统生物燃料和化石基替代燃料的全生命周期温室气体排放 34 表录表 ES1. 替代燃料的气候与环境表现、成本以及采用这些能源载体的优点和挑战 .4 表 1. 常规和替代船用燃料的特性 . 12 表 2. 氨、氢、甲醇和甲烷燃烧产生的大气排放和泄漏特性 . 13 表 3. 由亚洲造船商设计或建造的以氨为燃料的船舶 17 表 4. 由亚洲造船商建造的以甲醇为燃料的船舶 . 24 表 5. 替代燃料的气候与环境表现、成本以及采用这些能源载体的优点和挑战 361 执行摘要包括中国在内的多个国家今年夏天经历了严重洪水和创纪录高温热浪，反映出全球气候变化所导致的极端天气事件正在变得日益频繁。地球的平均温度已经比工业化前水平上升了 1.1℃，预计到本世纪末升幅将达到 2.4℃。为了避免气候变化对人类社会造成不可逆转的威胁， 2021 年第 26 届联合国气候变化大会通过的格拉斯哥气候协定重申了巴黎协定的温度控制目标，承诺努力将全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上 1.5℃的范围内。根据格拉斯哥气候协定，为实现这些目标，全球需要到 2030 年将二氧化碳排放量在 2010 年的水平上减少 45，并在本世纪中叶左右实现零排放，同时大幅减少其他温室气体的排放。为积极参与全球应对气候变化的治理，中国已把协同控制空气污染和应对气候变化影响提升到其政策议程的首位。力争 2030 年前实现碳达峰，2060 年前实现碳中和，同时深入打好污染防治攻坚战已成为中国经济、发展和环境规划的总体目标。尽管目前巴黎协定没有涵盖国际航运的排放，但若把国际航运视为一个国家，其二氧化碳排放量将位居世界第六。同时航运业的甲烷排放量（一种强效温室气体）从 2012 年到 2018 年激增了 150。国际海事组织 IMO 已承诺到 2050 年国际航运年度温室气体总排放量将至少比 2008 年减少 50，但这一目标被质疑远未达到实现巴黎协定1.5℃ 目标所需的力度。为了填补这一空白，许多国家和私营部门已采取一系列行动促进低排放或零排放简称低零排放船用燃料和推进技术的开发和应用，并刺激市场对这些燃料和技术的需求。最值得注意的行动包括主要海运客户呼吁航运企业提供更多气候友好型海运服务，以及越来越多的金融机构和保险公司开始根据脱碳标准跟踪和评估他们的航运贷款和保险的投资组合。中国作为世界航运大国可以在支持航运业向零排放转型方面发挥重要作用。为了支持政策制定者制定推动航运业加快低或零排放转型的行动，本文回顾了船用替代燃料解决方案的最新发展，并提供了政策建议，以促进这些新燃料和技术的采用，并实现国家的碳中和、空气质量改善和经济发展目标。迄今为止，氨、氢、甲醇、天然气和电力是获得最多关注的船用替代能源载体。这些能源低零排放船用燃料的发展概况及对我国的启示 2 载体如使用可再生资源生产，可以达到低零排放（如表 ES1 所示）。它们现处于不同的发展阶段，在用作船用燃料方面各有优势和挑战。虽然哪一种能源载体将在未来占据主导地位尚未有定论，但迄今为止启动的研究和示范项目表明，电池推进系统和氢燃料电池系统用于内河和短途沿海船舶上技术上可行，也是可扩展应用的零排放技术。船舶驱动技术直接使用电力或氢燃料可避免生产更复杂的电制燃料（如电制氨、电制甲醇和电制甲烷）所产生的能量损失，能够让航运业以更节能的方式利用可再生能源减排降碳。对于远洋航运，因为可再生甲醇和氨具有更高的能量密度并且相对更易于运输和在船上储存，这两种燃料已成为未来十年内最有前途的近零排放船用燃料。长远来看，氢能可以是一种更有优势的零排放解决方案其在泄漏时对环境的潜在威胁最小。但氢能应用于船舶有先决条件沿着繁忙的航道并最好在容易获得廉价可再生能源的地点，战略性地建设加氢基础设施。航运业成功向零排放转型不仅需要零排放燃料，还需要零排放船舶和燃料加注基础设施。为了让全球航运能在本世纪中叶达到零排放，航运业将不可避免地需要建造大量零排放新船，并在 2030 年代开始大规模改造在役船舶以使用零排放燃料。中国是世界上为数不多的同时拥有领先造船业以及巨大可再生能源发电潜力的国家之一，也是拥有多个世界最大港口的重要航运枢纽。这些因素使中国处于有利地位，可以通过以下方式推动航运业的能源转型研发零排放船舶及其关键部件（例如燃料电池、电池和替代燃料发动机），加快研发和生产低零排放船用燃料的技术（例如电解槽），并扩大燃料生产能力，以及建立港口基础设施以供应低零排放燃料。因此，全球对低零排放航运服务需求的不断增长将会为中国的造船、航运和港口行业带来宝贵的机遇。为了帮助这些行业抓住这一机遇，中国应制定政策来促进零排放燃料和推进技术的开发和应用，验证其技术和商业可行性，并加快通过法规和指引以确保这些新燃料的安全使用。这些政策可包括 1. 针对本地船舶实施温室气体和能效法规，包括在船用发动机排放标准中增加温室气体相关要求，确保在发动机设计时能考虑协同控制空气污染物和温室气体排放为新船和在用船舶制定能效要求，以降低转型到替代燃料的成本障碍根据全生命周期排放量为船用燃料制定温室气体强度标准，以推动真正低零排放燃料的生产和使用3 2. 支持试点港口地区扩大低零温室气体排放燃料船舶示范项目，包括增加资金以扩大示范项目规模提供资金支持开发生产和供应低零排放燃料的核心技术为选定的国内船种设定长期零排放目标参与双边或多边航运绿色走廊计划 3. 确保航运业成为推动中国碳中和经济转型行动的一个组成部分，从而使航运业能利用新开发的可再生能源和可再生氢的供应。鉴于全球航运业向零排放能源转型势在必行，支持中国的造船业、航运业和港口业建立生产、使用和供应零排放燃料和技术的能力对于保持这些行业的全球竞争力至关重要。这样做不仅可确保中国保持其作为全球航运大国的地位，还可以使中国航运业能够轻松获得应对国内外减排降碳挑战至关重要的低零排放燃料和技术。低零排放船用燃料的发展概况及对我国的启示 4 表 ES1. 替代燃料的气候与环境表现、成本以及采用这些能源载体的优点和挑战能源载体相对于船用轻柴油，全生命周期温室气体排放比例使用过程相对于常规燃料的大气污染物排放量产自可再生能源的电制燃料相对船用轻柴油价格的成本比例. h 技术、安全和燃料供应需考虑的因素化石燃料. a 产自可再生能源的电制燃料. b PM NO x SO x 2030 2050 优势挑战液氨 140 6 0 d 可能比常规燃料多，需要应用 NOx 减排措施 0 d 3.2 2.7 低可燃风险容易储存和运输生产可再生电制氨的成本比生产其他可再生电制燃料低已在全球交易的商品毒性很高可能产生 N 2 O 排放和氨逃逸发动机发展处于设计阶段燃烧特性差缺乏燃料供应基础设施还未有安全法规对某些物料有腐蚀性液氢 166 0 0 d 根据发动机的设计而变化 0 d 3.7 2.7 低毒性如泄漏对环境影响低高储存和运输成本爆炸风险缺乏燃料供应基础设施纯氢气发动机刚推出市场，营运经验有限甲醇 101 1 比常规燃料低 e 35 f 至 100 g 0 d 4.5 3.3 甲醇动力发动机已商业化容易储存和运输如泄漏对环境危害也比传统燃料低只需轻微改造便能使用现有燃料供应基础设备改造现役发动机使用甲醇的费用比其他替代燃料低国际海事组织已通过临时安全导则已在全球交易的商品比传统燃料需要更多储存位置爆炸风险高有毒，但比氨毒性低可再生电制甲醇的生产成本比其他可再生电制燃料高对某些物料有腐蚀性5 来源 .温室气体.-.Lindstad.et.al2020,.Lindstad.et.al2021,.Pavlenko.et.al2020.and.Martin.2021;.大气污染物.-.Zhou.et.al2020,.Anderson.et.al 2015,.Lewis.2021,.Fridell.et.al2021,.RINA.2020,.Maritime.Knowledge.Center.et.al2018,.Ellis.2020;.成本.-.Ash.et.al2020;.其他考虑.-.Kass. et.al2021;.Alfa.Laval.et.al2020. PM 为颗粒物，NO x 为氮氧化物，SO x 为硫氧化物，N 2 O 为一氧化二氮。备注 . a. 产自天然气的氨、氢和甲醇的全生命周期排放。对于液化天然气，包括燃料生产和燃烧过程的排放。 b. 假设最佳情景，则所有电制燃料均产自可再生电力，而且生产电制甲醇和电制甲烷使用的碳原料是通过空气捕集获得。 c. 上和下界分别代表奥托循环和狄塞尔循环发动机的排放量。 d. 不包括先导燃料的大气污染物排放；先导燃料的排放量与其使用量成正比。 e. 发动机颗粒物排放量因采用不同的发动机燃烧技术而异 Maritime Knowledge Center et al., 2018, Fridell et al., 2021。 f. 未采用 NO x 排放控制技术以优化能效 Ellis, 2020; 由于甲醇燃烧温度低，NO x 排放量相对使用传统船用燃料低 RINA, 2020。 g. 若应用 NO x 排放控制措施，发动机设计可设定以最优化能效和减少颗粒物排放为目标，NO x 排放量会与使用常规传统船用燃料相当。NO x 排放控制措施包括选择性催化还原系统、废气再循环系统；甲醇动力发动机还可使用燃料加水技术减少 NO x 排放。下界代表无使用 NO x 排放控制措施情况下发动机排放水平。 h. 成本比率定义为生产电子燃料的平准化成本相对 2020 年 11 月 24 日在鹿特丹销售的船用轻柴油价格的比例 https//shipandbunker.com/prices。液化天然气 83- 103 c 2- 12 c 0 d 75 至 100 g 狄塞尔循环 10 奥托循环 0 d 4.0 2.9 毒性低天然气动力发动机已商业化几个大海港已有燃料供应基础设备国际海事组织已通过安全导则易燃性高甲醇逃逸和上游甲醇泄漏可大幅抵消燃烧时二氧化碳减排的效益生产和使用可再生电制甲烷的成本比生产其他可再生电制燃料高生物甲烷的可扩展性值得怀疑储存和运输成本高锂离子电池取决于使用电力的温室气体强度 0 0 0 不适用随着各国可再生电力占比增加全生命周期排放会越来越低技术成熟比内燃机更静和无气味能源密度非常低；有限的续航力与电池能量将是约束全电动船舶发展的主要因素缺乏充电基础设施低零排放船用燃料的发展概况及对我国的启示 6 全球气候行动的紧迫性为了避免气候变化可能对人类社会和地球造成的不可逆转的威胁，197 个国家于 2021 年通过了格拉斯哥气候协定，重申了巴黎协定的温度控制目标，同时承诺努力将全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上 1.5℃的范围内。格拉斯哥气候协定承认，要实现这些目标，就需要到 2030 年将二氧化碳 CO 排放量在 2010 年的水平上减少 45，并在本世纪中叶左右实现零排放，同时大幅减少其他温室气体的排放 UNFCCC, 2021 年。地球的平均温度已经比工业化前水平上升了 1.1℃，如果不做改变的话，到本世纪末地球的平均温度将比工业化前水平上升 2.4℃，且极端天气已在世界各地肆虐，因此，在未来十年及以后采取进一步更具雄心的行动以增大减排力度至关重要 Climate Action Tracker, 2021。国际航运目前不包括在巴黎协定的国家承诺范围内，但其在 2018 年排放了超 9 亿吨二氧化碳，排放规模超过了除世界 5 大排放国之外的任何一个国家。除二氧化碳之外，航运也排放甲烷。2012 年至 2018 年，由于使用液化天然气 LNG 动力的船舶包括 LNG 运输船数量增加，且使用柴油 /LNG 双燃料船用发动机的船舶数量显著增加，国际航运的甲烷排放量急剧上升 150 Faber et al.，2020 年。相对于二氧化碳在大气中的滞留时间，甲烷的“寿命”要短得多，但甲烷是一种更强大的温室气体。自前工业化时代以来，甲烷对全球变暖的贡献率约为四分之一。因此，甲烷已成为全球应对气候变化努力的一个关键控制目标图 1IPCC, 2021 年。我国正在坚定不移地推进双碳目标 1 ，还需要进一步加强生态环境保护，深入打好污染防治攻坚战 2 ，因此，当前我国生态文明建设进入了以降碳为重点战略方向、推动减污降碳协同增效、促进经济社会发展全面绿色转型、实现生态环境质量改善由量变到质变的关键时期 3 。在这一背景下，研究、开发并推广应用有利于减少污染物排放的低排放乃至零排放（简称低零排放）船用燃料，已成为推进我国航运适应国际应对气候变化和我国生态文明建设要求的重要途径。 1 详情请参阅中国政府网站 http//www.gov.cn/zhengce/2021-10/24/content_5644613.htm 2 详情请参阅中国政府网站 http//www.gov.cn/zhengce/2021-11/07/content_5649656.htm 3 详情请参阅中国政府网站 http//www.gov.cn/xinwen/2021-05/01/content_5604364.htm 1. 7 图 1. 主要气候污染物对全球变暖的贡献对温度升高的贡献（℃）数据来源IPCC.2021 数据是 2010-2019 年相对于 1850-1900 年变暖的贡献。二氧化碳甲烷挥发性有机化合物和一氧化碳卤化气体黑碳一氧化二氮航空凝迹可能的范围低零排放船用燃料的发展概况及对我国的启示 8 国际海事组织温室气体控制的初步战略为了遏制航运温室气体排放，国际海事组织 IMO 成员国于 2018 年 4 月通过了一项减少国际航运温室气体总量的初步战略，旨在实现巴黎协定的目标。初步战略设定了以下几个层次的目标 4 。新造船舶通过加强能效设计指数 EEDI 的要求，降低碳强度以单位运输工作的二氧化碳排放量衡量。在役船舶通过到 2030 年将单位运输工作 5 的二氧化碳排放量在 2008 年的基础上至少减少 40，并争取到 2050 年减少 70，从而改善航运的碳强度。整个船队促使航运的温室气体排放尽快达到峰值，到 2050 年将年度温室气体总排放量比 2008 年减少至少 50，同时努力在符合巴黎协定温控目标的减排路径上逐步消除航运温室气体排放。自初步战略正式通过以来，国际海事组织已开始审议一系列近期、中期和远期的备选措施，目的是在近期内促进港口和船舶能源效率的提高，支持中远期采用替代低零排放燃料 6 和创新减排机制如图 2 所示。 4 详情请参阅国际海事组织网站 https//www.imo.org/en/MediaCentre/HotTopics/Pages/Reducing-greenhouse-gas-emissions-from- ships.aspx 5 航运单位运输工作的二氧化碳排放量目标以国际航运碳强度平均值估算。 6 本文提及的低或零碳燃料是指全生命周期（从油井到尾流温室气体）排放近乎零或零的船用燃料。 2. 9 图 2. 国际海事组织应对气候变化行动 . 改编自.Oftedal.2020. 2019 年，国际海事组织同意加强并提前实施能效设计指数（EEDI），对包括天然气运输船、普通货船、液化天然气运输船和集装箱船在内的几种新造船舶设定了能效标准。2021 年，国际海事组织通过了另外两项近期措施，即基于新的现有船舶能效指数 EEXI 的技术要求和基于碳强度指标 CII 的操作要求。EEXI 是以每艘现有船舶的设计参数衡量其能源效率，并对比基准值得出其能源效率表现。CII 对每艘船的碳强度由实际年度燃料消耗、航行距离和运输能力得出进行评分，并跟踪一段时间后的改进进展 7 。 7 现有船舶能效指数测量的是每单位运输工作的二氧化碳排放量以每吨英里克二氧化碳为单位，只考虑一艘船的设计参数，就像 EEDI 测量新船一样。现有船舶能效指数以主机功率、船舶的参考速度和台架试验燃油消耗量等 3 个因素为基础。为了提高全球船舶的能源效率，国际海事组织规定船舶的现有船舶能效指数必须低于设定的最大阀值水平。该规定将于 2023 年 1 月生效，追溯到适用于所有 400 总吨及以上的船舶。碳强度指标以船舶的年耗油量和行驶距离为基础，监管船舶实际操作或实际生活中的二氧化碳排放。从 2023 年 1 月 1 日起，所有总吨位在 5000 吨以上的船舶每年都要申报燃料消耗量。根据船舶的年度碳强度指标，将给予从 A 到 E 的评级。有关现有船舶能效指数和碳强度指标的更多信息参见 https//www.napa.fi/the-basics-of-eexi-from-2023-all-existing-ships- must-meet-new-energy-efficiency-standards/, https//www.dnv.com/maritime/insights/topics/eexi/answers-to-frequent-questions. html 及 https//www.dnv.com/maritime/insights/topics/CII-carbon-intensity-indicator/answers-to-frequent-questions.html. 2023-2030 中期措施替代低或零碳燃料加速使用替代燃料的实施计划进一步的营运和能效措施市场措施 2018-2023 近期措施新造船舶要求能效设计指数（EEDI）在役船舶要求技术效率措施，即现有船舶能效指数（EEXI）营运效率要求，即碳强度指标（CII）应对甲烷和挥发性有机化合物的措施技术合作国家行动计划修订的温室气体战略 2023 2030 及以后远期措施开发和供应零碳和非化石燃料采取新的创新的减排措施修订的温室气体战略 2033 修订的温室气体战略 2028低零排放船用燃料的发展概况及对我国的启示 10 虽然 EEXI 和 CII 是推动在役船舶提高能效的重要工具，但一些国际海事组织成员国、航运公司和环保组织担心，给这两个指标设定的要求相当宽松 8 ，不足以促使能效提高到国际海事组织的 2030 年目标水平。这可能导致中远期措施（比如加快应用低或零碳燃料）在推动航运业实现国际海事组织 2050 年及以后的目标方面承受更大压力 Safety4Sea, 2021；Val- eur, 2021；Smith et al., 2021。即使针对在役船舶的要求符合国际海事组织 2030 年的目标，围绕国际海事组织既定目标是否具有足够雄心的质疑声越来越大。越来越多的国家、联合国和主要的航运利益攸关方都注意到，国际海事组织目前制定的 2050 年温室气体排放目标远低于全球二氧化碳净零排放的要求。而净零排放是科学家们警告为避免灾难性的气候影响而需要达到的要求 Harvey, 2021。联合国秘书长、12 个国家以及代表整个海洋价值链的 230 多个行业领袖和组织已呼吁国际海事组织将目标提升至到 2050 年全面脱碳 Abnett et al., 2021；Global Maritime Forum, 2021。目前订购的新船很可能到 2050 年仍在运行，因此有必要在 2030 年前加快开发和应用低零排放燃料和推进技术，使国际航运符合巴黎协定将全球平均气温升幅控制在比工业化前水平高 1.5℃范围内的目标。作为世界领先的海洋国家之一，中国可以成为推动发展和采纳低零排放船舶解决方案的重要力量。过去十年，通过扩大光伏电池板和电池的生产规模并降低成本，中国在加速国内和世界其他地区使用可再生电力和电动汽车方面发挥了关键作用。中国可以用同样的方式支持其造船企业、港口设备制造商和潜在的燃料供应商在低零排放航运价值链的各个环节建立专业知识，促使全球航运业在本世纪中叶实现零排放转型。为了帮助中国决策者采取行动以促进低零排放航运，本报告概述了最常讨论的替代船用燃料解决方案，探讨了在中国应用这些燃料的机遇和挑战，并分析了可能通过哪些政策来促进发展和采用低零排放船用燃料解决方案。 8 预计约 70 的能效设计指数实施后的船舶将符合目前的现有船舶能效指数要求（Veritas Bureau, 2021 年），分析表明，2019 年至 2026 年碳强度指标的年度改进不足 2，远远低于国际海事组织 2050 年目标所需的削减量（Comer, 2021a）。11 替代燃料解决方案概述 . 全球航运几乎完全由化石燃料驱动。重燃料油 HFO、极低硫燃料油 VLSFO 和船用轻柴油 MGO 合计占国际、国内和渔业船舶燃料消耗的 96 以上，液化天然气 LNG 约占 3 Faber et al.，2021。业界正在研究和试验一系列可以减少船舶温室气体排放的替代燃料和能源载体。表 1 列出了与常规燃料相比较最具前景的替代燃料 / 能源载体的特性。表 2 列出了这些替代燃料燃烧时空气污染物排放和泄漏的特性。表 1 列出的温室气体排放数据包含上游油井到油箱阶段 WTT 和下游油箱到尾流阶段 TTW 的温室气体排放。上游排放包括燃油开采、加工、储存、运输和加注时所产生的温室气体排放。如表 1 所示，上述的替代燃料 / 能源载体若使用可再生电力以及可再生能源生产的原料生产（产自可再生能源的合成燃料，3.2 节有更详细讨论），其全生命周期温室气体排放会很低或近乎零。基于欧洲的研究，图 3 对比传统船用燃料现在的价格以及各种可再生替代燃料现在和未来预测的平准化成本。本节概述了这些最受关注的替代燃料的特点，并讨论了与现有燃料基础设施和船舶兼容的合成燃料电制燃料和生物燃料的最新进展。 3. 低零排放船用燃料的发展概况及对我国的启示 12 表 1. 常规和替代船用燃料的特性能源载体重量能量密度 ,. . 低位发热值. MJ/kg 体积能量密度. GJ/m 3 储存. 压力.bar 储存温度. .℃ 全生命周期.WTW 温室气体排放量.gCO 2 e/MJ 相对于船用轻柴油（MGO），. . WTW 温室气体排放比例 a 使用方式化石燃料 .b 产自可再生能源的合成燃料. c 化石燃料. b 产自可再生能源的合成燃料. c 内燃机燃料电池极低硫燃料油 41 38.7 1 20 92.1 -- 101 √ 船用轻柴油 43 36.6 1 20 90.8 1.3 100 1 √ √ e 液氨 18.6 12.7 1 或 10 - 34 或 20 126.7 5.3 140 6 √ √ e 液氢 120 8.5 1 - 253 150.8 0 166 0 √ √ 甲醇 19.9 15.8 1 20 92 0.9 101 1 √ √ e 液化天然气. LNG 50 23.4 1 - 162 75.2 - 94 1.7 - 11.1 83 - 103 d 2 - 12 d √ √ e 锂离子电池 0.9 2.4 不适用不适用取决于使用电力的温室气体强度 n.a. n.a. 来源 .燃料特性 ABS.2019， Alfa.Laval.et.al2020， .de.Vrie s.2019.和.Manthiram.2017 ； .温室气体排放 Lindstad.et.al2020， .Lindstad.et.al2021， . Pavlenko.et.al2020.和.Martin.2021。备注 a. 涵盖上游排放、燃烧排放和甲烷排放并包括二氧化碳、甲烷和一氧化二氮 N2O 等温室气体，所有评估都基于 100 年的时间跨度全球变暖潜能值 GWP100。假设氢用于燃料电池，所有其他燃料都在内燃机中燃烧。 b. 对于氨、氢和甲醇，估算值是从天然气中提取燃料的 WTW 排放量；船用轻柴油和液化天然气这两种常规燃料的全生命周期排放包括燃料生产和运输过程的排放以及其燃烧时的排放。 c. 假设所有的电制燃料都是 100 使用可再生能源生产的，这代表最好的情况。对于船用轻柴油，其全生命周期排放量是基于可再生电制柴油的数据。 d. 下界估算代表了高压狄塞尔循环发动机的排放，上界估算代表了低压奥托循环发动机的排放。 e. 高温燃料电池，如固体氧化物和熔融碳酸盐燃料电池，可以在没有外部转换器的情况下直接使用液化天然气、船用轻柴油、氨和甲醇作为燃料。直接甲醇燃料电池以纯甲醇为燃料。更多关于不同类型燃料电池的信息参见 https//www.energy.gov/eere/fuelcells/types- fuel- cells. 13 表 1. 常规和替代船用燃料的特性能源载体重量能量密度 ,. . 低位发热值. MJ/kg 体积能量密度. GJ/m 3 储存. 压力.bar 储存温度. .℃ 全生命周期.WTW 温室气体排放量.gCO 2 e/MJ 相对于船用轻柴油（MGO），. . WTW 温室气体排放比例 a 使用方式化石燃料 .b 产自可再生能源的合成燃料. c 化石燃料. b 产自可再生能源的合成燃料. c 内燃机燃料电池极低硫燃料油 41 38.7 1 20 92.1 -- 101 √ 船用轻柴油 43 36.6 1 20 90.8 1.3 100 1 √ √ e 液氨 18.6 12.7 1 或 10 - 34 或 20 126.7 5.3 140 6 √ √ e 液氢 120 8.5 1 - 253 150.8 0 166 0 √ √ 甲醇 19.9 15.8 1 20 92 0.9 101 1 √ √ e 液化天然气. LNG 50 23.4 1 - 162 75.2 - 94 1.7 - 11.1 83 - 103 d 2 - 12 d √ √ e 锂离子电池 0.9 2.4 不适用不适用取决于使用电力的温室气体强度 n.a. n.a. 来源 .燃料特性 ABS.2019， Alfa.Laval.et.al2020， .de.Vrie s.2019.和.Manthiram.2017 ； .温室气体排放 Lindstad.et.al2020， .Lindstad.et.al2021， . Pavlenko.et.al2020.和.Martin.2021。备注 a. 涵盖上游排放、燃烧排放和甲烷排放并包括二氧化碳、甲烷和一氧化二氮 N2O 等温室气体，所有评估都基于 100 年的时间跨度全球变暖潜能值 GWP100。假设氢用于燃料电池，所有其他燃料都在内燃机中燃烧。 b. 对于氨、氢和甲醇，估算值是从天然气中提取燃料的 WTW 排放量；船用轻柴油和液化天然气这两种常规燃料的全生命周期排放包括燃料生产和运输过程的排放以及其燃烧时的排放。 c. 假设所有的电制燃料都是 100 使用可再生能源生产的，这代表最好的情况。对于船用轻柴油，其全生命周期排放量是基于可再生电制柴油的数据。 d. 下界估算代表了高压狄塞尔循环发动机的排放，上界估算代表了低压奥托循环发动机的排放。 e. 高温燃料电池，如固体氧化物和熔融碳酸盐燃料电池，可以在没有外部转换器的情况下直接使用液化天然气、船用轻柴油、氨和甲醇作为燃料。直接甲醇燃料电池以纯甲醇为燃料。更多关于不同类型燃料电池的信息参见 https//www.energy.gov/eere/fuelcells/types- fuel- cells. 表 2. 氨、氢、甲醇和甲烷燃烧产生的大气排放和泄漏特性能源载体使用过程相对于常规燃料的大气排放量大量和突然释放燃料的泄漏特性颗粒物氮氧化物硫氧化物毒性耗散降解率易燃性 / . 爆炸风险机组人员空气置换和窒息生态影响泄漏污染物的清除氨 0 a 可能比常规燃料多，需要后处理 0 a 很高快低高无长期影响；泄漏区域附近的海洋生物可能会被烧伤或中毒将在清理工作开始前消散氢 0 a 根据燃料与空气的混合比例和其他发动机的设计而变化 b 0 a 低很高可能无长期影响；泄漏区海面的海洋生物可能会窒息或受冻甲醇比常规燃料低 c 35 d 至 100 e 0 a 高，但仅限于泄漏区域高低无长期影响；水生生物接触泄漏物可能中毒液化. 天然气 0 a 75 至 100 e （狄塞尔循环） 10 （奥托循环） 0 a 低高可能泄漏区海面的海洋生物可能会窒息或受冻来源 Kass.et.al2021.Table. 2 ； .Zhou.et.al2020 ； .Anderson.et.al2015 ； Alfa.Laval.et.al2020 ； .Lewis.2021 ； .Fridell.et.al2021.； RINA.2020 ； Maritime.Knowledge.Center.et.al2018.；Ellis.2020。备注 a. 先导燃料是必需的，其使用导致与其使用量成正比的少量的颗粒物和硫氧化物排放。此处不包涵先导燃料导致的污染物排放。 b. 目前的氢燃烧技术还不成熟，氮氧化物的排放随控制峰值燃烧温度的方法而变化，如燃料与空气比和发动机设计如燃料和空气预混等。更多的讨论可以在 Lewis 2021 中找到。 c. 发动机颗粒物排放量因采用不同的发动机燃烧技术而异 Maritime Knowledge Center et al., 2018, Fridell et al., 2021。 d. 未采用 NO x 排放控制技术以优化能效 Ellis, 2020; 由于甲醇燃烧温度低，NO x 排放量相对使用传统船用燃料低 RINA, 2020。 e. 若应用 NO x 排放控制措施，发动机设计可设定以最优化能效和减少颗粒物排放为目标，NO x 排放量会与使用常规传统船用燃料相当。NO x 排放控制措施包括选择性催化还原系统、废气再循环系统；甲醇动力发动机还可使用燃料加水技术。下界代表无使用 NO x 排放控制措施情况下发动机排放水平。低零排放船用燃料的发展概况及对我国的启示 14 图 3. 与欧洲的船用轻柴油和液化天然气价格相比，可再生氢、氨、电制甲醇、电制柴油和电制液化天然气的平准化成本图表提取自 Ash.