全球双碳背景下的“绿色航运”

全球双碳背景下的“绿色航运”

该型船由江南造船独立研发设计,满足氨燃料Ready的设计要求,配置有3500立方米氨燃料储罐,可实现全航程“零碳”运行,在碳运输的同时真正实现无碳排放的目标。该型船液货系统设计还同时满足二氧化碳、无水氨以及液化石油气(LPG)的兼装要求,提高了船舶运营灵活性。针对二氧化碳蒸发气体,该型船设计提供了二氧化碳再液化和液货舱蓄压两种备选方案,方便船东根据不同航程需求和初投资预算选择最具经济效益的方案。该型船已获得了船级社的原则性认可(AiP)。

全球双碳背景下的“绿色航运

由于独特的运力和成本优势,水运至今仍旧是世界运输业的中流砥柱。中国水运大体分为内河运输、沿海运输和远洋运输三类,其中内河运输约占全国水运周转量的16%,沿海运输约占32%,远洋运输约占52%。而且,近年来随着各种交通方式的联合,“公转水”“铁水联运”的推广,水运进一步发挥出了最高效能。

因此,在全球双碳的背景下,水运的绿化减碳也是必然的。而作为水运中最大比重的远洋航运,更是绿色航运的主阵地。事实上,广泛受到关注的“碳税”最初就是从欧洲的航空和航海两个领域开始的。

在全球应对气候变化的背景下,水运行业的碳排放问题受到多方关注。

根据麦肯锡公司的核算,近几年全球水运行业的年均温室气体排放量约为9亿吨二氧化碳当量,约占全球温室气体排放量的2.6%。如果按照当前态势发展,到2050年,水运行业碳排放量还将增加1倍。

为了应对气候变化,国际海事组织(IMO)已于2018年提出,到2050年将水运行业的温室气体排放量比2008年至少下降一半,降至5亿吨二氧化碳当量,并在21世纪内尽快实现该行业的全面脱碳。在当前全球多国纷纷提出于21世纪中叶前后实现碳中和的背景下,水运行业面临碳中和压力远胜从前。

为了应对碳减排的挑战,航运业广泛探索了LNG、液化石油气(LPG)、甲醇、氢、氨等清洁能源的船用适应性。在氨燃料动力的赛道上,曼恩公司和瓦锡兰公司都计划在2024年左右推出氨燃料发动机,这两家企业还参与了全球多个氨燃料船舶研发项目;日本高度重视氨燃料产业链布局,计划打造涵盖船舶建造、设备研制、燃料加注的全产业链;韩国也有诸多尝试,计划于2025年左右实现商业化运营。

中国主要聚焦于船型研发,2019年上海船舶研究设计院和大连船舶重工集团有限公司在上海国际海事展览会期间各发布了一艘氨燃料船舶。当前氨燃料在船舶工业的应用尚处于起步阶段,此前关键配套设备仍在研制、燃料供应不足、加注设施欠缺等问题。此次船舶下水也给氨燃料动力船舶的发展推进了一大步。随着绿色制氨技术以及氨燃烧优化技术的发展,零碳排放的氨燃料船舶有望大规模应用。

氨如何作为燃料?

相比于最广受关注的氢气,氨气作为燃料不但有点小众,甚至反常识。由于氢气使用时危险性高,运输难度大。其爆炸浓度极限范围较宽(室温下空气中H2体积分数为4%~75%),储存运输难度较大(常用的压缩气体储氢方式所需压力为20~70MPa)。因此,寻求清洁的载氢代氢媒介,成为了发展无碳能源的方向之一。

氨(NH3)含氢量高,是一种良好的氢载体,常温下只需要0.7~0.8MPa即可将其液化,方便储存和运输。同时,氨工业也可以实现低碳无碳。利用可再生能源制氨的研究表明,清洁氨的生产是可行的。且NH3完全燃烧后,产物为N2和H2O。体积能量密度高于氢能,与汽油、柴油相当。辛烷值较高,抗爆性能好,应用于高压缩比发动机时,能够增大压缩比,从而将发动机的热效率提高至60%以上。密度比空气小,如果运输过程中发生泄漏,会迅速消散,且极易溶于水因此,氨是一种具有潜力的载氢代氢清洁燃料。

氨作为燃料并不是什么新鲜创意,早在20世纪40年代,NH3作为替代燃料就已用于内燃机。

二战时期,由于燃料来源被切断,比利时政府将氨和煤油作为燃料为城市公共汽车提供动力。上世纪六十年代,美国为了应对战时可能出现的石油供应中断危险,开发了基于氨燃料的超高音速战斗机。氨燃料能够实现高效清洁燃烧,可广泛用于汽车发动机、燃气轮机、锅炉、燃料电池等,因此,氨燃料作为一种新型的二次能源具有巨大的发展潜力和市场前景。但最终NH3败给了成本:由于后来化石燃料成本低,加上NH3的燃烧技术要求较高,之后很长一段时间内氨燃料未能够得到广泛推广。

目前,大约80%的氨作为农业肥料使用,还被用作各种工业产品的原料,以及大型工业冷却器的制冷剂,少量氨被用作能量载体。工业上,氨主要通过成熟的哈勃-博施(Haber-Bosch)工艺在450~500℃和20MPa的高温高压条件下合成,该工艺中氢来自于天然气、煤或石油,氮来自于空气。

在将来,甚至可以利用太阳能等可再生能源合成氨,这种方法不仅可以消除二氧化碳等温室气体的产生,而且最终有望通过环保的工艺生产氨。与丙烷相同,氨可在室温和0.8MPa条件下以液态形式储存,且其每单位储存能量的成本仅为氢的三分之一。现有的成熟制氨工艺及运输技术会在很大程度上降低投资成本,从而提高氨作为替代化石燃料的竞争力分析氨能否作为一种可持续运输燃料,首先应该从每单位质量或体积所储存的能量和每单位储罐容量的成本方面与其他燃料进行比较。表总结了氨与一些主要燃料的相关特性。

4NH3+3O2→2N2+6H2O

2NH3+NO+O2→3H2O+1.5N2

2NH3+NO+NO2→3H2O+2N2

但直接以纯氨作为燃料还要解决很多技术上的问题,例如存在NH3不易点燃、燃烧不稳定和需要有效控制NOx排放等问题。

因此,对于氨作为燃料,开展了相当多的含氨混合燃料的相关研究,使用NH3作为化石燃料的补充燃料,既能降低化石燃料的消耗量,又能实现NH3的持续稳定燃烧。逐步增加NH3对化石燃料的替代量,经过燃烧优化最终有望实现纯氨完全替代化石燃料燃烧。

比如厦门大学已将氨燃料成功运用于锅炉及发电机,锅炉利用丙烷和氨进行混合燃烧,且氨掺烧比例高达66%。氨燃料完全燃烧只产生氮气和水,但是,实际燃烧时,N不会完全转变为氮气,而是会产生各种NOx,其中主要的产物是NO。有研究表明,将氨燃料引入汽车尾气中能够将汽车尾气中的NO浓度从550mg/L降低至10mg/L。从而降低了化石燃料其中的有害气体含量,同时还不需要考虑HC,PM,SO2和CO等污染物的脱除,处理过程简单且成本更低。

中国是世界上氨产量最高的国家,我国已拥有成熟的生产、运输、存储体系,这为氨燃料的推广提供了保障。虽然现在对氨燃料的研究仍处于起步阶段,但成熟的氨生产、储运及供给体系能够为氨燃料提供良好的应用基础,因此我国氨燃料的发展具有不错的后发优势。

CCUS技术助力“碳中和”

既然是运输二氧化碳的船,那么二氧化碳为什么需要运输呢?

这就不得不提到碳捕捉与碳封存。碳捕捉不仅可以运用物理和化学技术在化石燃料燃烧前与燃烧后进行清晰分离,而且实现精准抓获,以阻断其进入大气,同样,空气中的CO2也能够被碳捕捉技术收入囊中。对于捕捉到的CO2还可以进行商业化开发利用,这一系列的过程称作CCUS(即二氧化碳的捕捉、封存与利用)。碳捕捉技术在全球发展已经有45年之久了,全球有近100个项目在建设或运营,但是CCUS发展依旧缓慢。