甲醇燃料船舶在中国发展路径探讨

2021-09-26 10:45来源： 水运科技

作者：姜磊纪永波李坤王利朋刘畅

摘要

能源结构调整是中国能源发展面临的重要任务之一，也是保证中国能源安全的重要组成部分。甲醇在我国以煤炭作为主要原料生产，对外依赖度低，符合我国能源结构调整战略的要求。推动交通行业的甲醇燃料动力船舶发展，有利于发挥我国煤炭资源优势，有利于能源结构多元化，保障我国能源安全。

一、引言

我国具有富煤缺油少气的资源禀赋特点，能源结构主要以煤炭为主，原油和天然气资源的对外依存度较高，2019年原油对外依存度达70.8%，天然气对外依存度达43%。甲醇在我国以煤炭作为主要原料生产，对外依赖度低，可以替代石油和天然气作为燃料，符合我国能源结构调整战略的要求。交通行业作为能源消耗大户，备受社会各界关注。《能源生产和消费革命战略(2016-2030)》等提出积极发展交通燃油替代、扩大交通燃油替代规模等要求。推动交通行业的甲醇燃料动力船舶发展，有利于发挥我国煤炭资源优势，有利于能源结构多元化，对保障国家能源安全具有重要意义。

2018年，IMO的MEPC72会议通过了《IMO船舶温室气体减排初步战略》，推动国际航运业尽快减排，并在本世纪内实现温室气体零排放。中国作为IMO理事会A类理事国，是提供国际航运服务方面具有最大利害关系的国家，对于减少船舶温室气体排放具有不可推卸的责任。2020年9月，习近平主席在联合国大会上承诺，我国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。根据我国碳达峰、碳中和目标节点，我国重点行业已开始制定碳达峰行动方案，新形势下航运业面临较大的碳减排压力。从现有甲醇燃料船舶应用来看，可降低碳排放，在船舶上应用有利于实现碳达峰和碳中和的目标。

随着IMO Tier III标准推行和我国《珠三角、长三角、环渤海(京津冀)水域船舶排放控制区实施方案》《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)要求》等实施，国际国内船舶的硫排放、氮氧化物排放等要求更加严格，环保性成为船舶燃料结构调整的重要方向。甲醇燃料不含硫，且从现有船舶应用来看，可大幅降低氮氧化物、颗粒物等污染物排放，作为清洁燃料被航运业普遍看好。

二、甲醇作为燃料与我国能源特点相适应

我国煤炭资源丰富，但其中40%以上是高硫煤，这些高硫劣质煤不适宜直接作为发电或工业燃料，可用于生产甲醇，而甲醇可以作为石油和天然气的替代燃料。我国是国际上掌握煤制甲醇技术的主要国家，也是煤制甲醇世界产量最大的国家。2019年我国甲醇产能8992万吨、产量达到6997万吨，进口量约12.5%，且国内尚有较大富裕产能。

国内甲醇生产以煤为原料占据主要地位。截止2019年，我国以煤为原料甲醇产能已达6779.1万吨，占总产能的75.4%。

三、甲醇燃料船舶减排效果良好

从国外船用发动机厂商MAN的数据统计结果来看，现阶段已经应用的船用甲醇双燃料发动机相比TierII柴油发动机，各项减排效果良好:

(一)SOx减排。甲醇本身不含硫，燃烧无硫氧化物(SOx)排放，船用发动机厂商MAN的测试中可以减排90%-97%。

(二)PM减排理想。甲醇燃料本身含氧量高，有利于完全燃烧，船用发动机厂商MAN的甲醇发动机可减少PM排放90%。

(三)NOx减排优势突出。发动机厂商MAN的船用甲醇发动机相比柴油机可降低NOx排放30-50%。MAN公司最新研制的甲醇发动机采用甲醇燃料“水乳化”技术，NOx可比TierII阶段排放可降低80%，能够满足Tier III阶段要求，无需加装后处理，目前该型发动机已计划在梅赛尼斯甲醇运输船上安装使用。

(四)CO2减排明显。船用发动机厂商MAN的甲醇发动机统计数据显示，其现有的甲醇发动机可减少二氧化碳排放15%。

四、甲醇燃料船舶具有经济优势

目前，国外主要是欧洲有已建并投入运营的甲醇燃料动力船舶，根据FCBI Energy对欧洲现有甲醇燃料动力船舶建造成本统计，现有的船舶发动机为10MW、24MW，发动机的燃料系统成本增加10-20%、船舱部分燃料供给管路造价增加30-50%，其总体改造成本低于LNG燃料动力船舶。对于大型发动机(10-25MW)，从柴油到双燃料甲醇/柴油燃料的船舶改装成本估计为250-350欧元/kW。与液化天然气燃料的改装相比较，后者约为1000欧元/kW。

与LNG相比，甲醇最大的优势在于其不需要低温储存和绝热，因而燃料舱的设计和建造非常简单，成本大大降低。甲醇燃料舱可以是整体式，也可以是独立式，整体式货舱在甲醇运输船上已有大量应用。燃料箱安装和供应的实际成本将取决于船舶的布局:在滚装渡轮的例子中，可以在压载舱中安装甲醇罐，这样就不会占用货物的空间。而对于液化天然气储罐的安装，通常需要降低货物容量。

瑞典24兆瓦的渡轮Stena Germanica的改装成本为1300万欧元。Stena Germanica号及其相关基础设施的改造是此类项目中的第一次，需要在新的技术解决方案、安全评估以及规则和法规的调整方面进行大量的设计工作。预计后续改造项目的成本将大幅降低。按照单位换算来看，估计改装成本为350欧元/kW。对于使用两台改装的10MW发动机建造船舶相当于270欧元/kW(采用新发动机)，其成本构成:发动机成本82.5万欧元、发动机装配30万欧元、燃油供应系统60万欧元、油箱50万欧元、管道等50万欧元。

国外尤其是欧洲部分国家现已有甲醇燃料动力船舶投入运营，因此其在船舶应用甲醇燃料的经济性方面进行了分析总结。其中，欧盟海事局(EMSA)“甲醇和乙醇用作航运替代燃料研究”项目、FCBI Energy报告等对欧洲沿海船舶采用HFO+SCR、MGO、甲醇、LNG燃料等燃料进行了经济性比较。结果表明，对于仅在排放控制区(ECA)内航行的船舶，甲醇优势高于LNG，与重油加后处理装置的方案经济性相当。对船东而言，经济性的直接体现就是投资回收期，它取决于使用甲醇燃料产生的附加投资和潜在的燃料成本节省。甲醇相对高硫重质燃料油尚没有价格优势，使用甲醇燃料仅在SOx排放控制区(要求使用低硫油)内才可能产生燃料成本的节省，并且在排放控制区内的航行时间越长，节约燃料成本的可能性就越大。

五、国内外甲醇燃料船舶发展现状

世界上第一艘甲醇动力改造渡轮“StenaGermanica”可运输1500名乘客和300辆小汽车，改装了一台首创的使用多种燃料的瓦锡兰四冲程发动机，可以使用甲醇或者传统的船用燃料。2015年3月底，在瑞典哥德堡和德国基尔之间进行全球首次甲醇动力航行。目前，全球正在运营的甲醇燃料船舶共计17艘，其中，双燃料14艘，包括11艘化学品油船、1艘客滚轮渡、1艘引航船和1艘干散货船;单燃料3艘，包括2艘旅游船和1艘轮渡。

近年来，我国能源转型深入推进，清洁低碳发展步伐加快。2017年，农业部委托天津大学和淄柴联合开展了中大型船机加装甲醇喷射装置发动机台架试验，并于2018年7月通过了由交通部海事局组织的中期专家评审。完成了初步性能和排放试验，甲醇替代柴油显示出明显的经济和环境效益。2019年7月23日，由珠海游艇产业龙头企业之一的江龙船艇科技股份有限公司研制的我国首艘甲醇燃料动力船艇正式下水。根据调研了解，“江龙号”甲醇燃料动力船艇相比于纯柴油动力船艇，在设计应用场景下，经济性提升10%以上，CO碳氧化物减少96%、THC碳氢化物减少99%、烟度减少54%，各项排放值均优于最新的《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(第一、二阶段)》的限值，具备良好的经济性和环保性。