航运脱碳|氨能成为未来的燃料吗？

2021-08-27 13:09来源： 英国劳氏船级社

氨（NH3）由1个氮原子与3个氢原子结合而成，目前工业合成氨沿用的是有着百年历史的“哈伯法”，该方法实现了工业上第一个加压催化过程，是催化工艺发展史上的一个里程碑，引发了肥料生产的变革，促进了全球粮食产品史无前例的增长。“哈伯法”的发明者Fritz Haber和Carl Bösch也因此分别获得了1918年和1931年的诺贝尔化学奖。

今天，80%的氨生产专门用于化肥工业。然而，随着航运业面临脱碳和摆脱对化石燃料依赖的压力，氨看起来像是一种有强吸引力的燃料替代品。

目前，全球范围内，大多数国家政府已经制定了未来几十年内雄心勃勃的温室气体 (GHG) 减排目标。在推动从化石燃料转向替代能源的过程中，包括航运在内的每个行业都将受到影响。国际海事组织 (IMO) 和欧盟等监管机构正在将目标转化为法规。随着强制性二氧化碳 (CO2 ) 法规的加强，很明显没有一种燃料可以解决航运面临的所有零碳需求。未来，船东需要根据船舶类型、航线和货物，为船舶配备最适合的燃料。其他替代燃料的候选者包括氢、氨、甲醇、生物燃料、电池和核能。

每种燃料都有优点和缺点，但燃料的灵活性以及发动机转换为使用不同燃料的能力，这两因素在燃料选择中发挥重要作用。在全球脱碳化的背景下，每个船东都需对其船队做出重要的投资决策，考虑到船舶的预期平均寿命为 25-30 年，在未来几十年中可能还需要进行多次投资。一些船只将改装全新的推进系统，而有些船只将被报废和更换。

Lloyd's List（海事出版物）和 LR 最近对航运业利益相关者进行的一项调查显示，氨将成为 2050 年最具潜力的三大燃料之一。调查显示，预计氨燃料在航运燃料中的使用量占比将从2030 年的7%增长到2050 年的20%。

本文将审视氨作为航运燃料的潜力，研究它如何减少或消除 CO2这一与化石燃料相关的主要温室气体的排放。

01 碳排放

氨是氮和氢的化合物，由于不含碳，因此在用作内燃机燃料时不会排放任何 CO2，这创造了真正零碳推进的潜力。燃烧需要额外的少量点火燃料，其也应为零碳燃料。

然而，必须考虑的是，当今大多数氨合成所需要的氢是由化石燃料生产的，2018年全球氨产量大约是1亿7千6百万吨，消耗了大约全球1.8%的能源（其中蒸汽甲烷重整产生氢所消耗的能量占80%以上），产生了大约5亿吨的CO2，约占全球CO2排放的1.8%。因此从生命周期的角度来看，氨不是零碳，如果使用它，如何控制生产过程中产生的CO2是行业需要解决的问题。

02 能量密度

当前化石燃料的一大吸引力在于它们的高体积能量密度，这是大多数替代燃料无法与之匹敌的。替代燃料的低体积能量密度意味着将会占用船上宝贵的货物空间。氨的体积能量密度与甲醇大致相似，约为传统化石燃料的一半，但明显高于氢，从而使得氨燃料在船上存储具有经济可行性。

03 可处理性

氢需要保持在 -253°C 的低温罐，或以气态储存在压力高达70MPa的容器中（江湖传言，1吨氢气需要10吨的存储设备来存）。而氨的液化需要较少的冷却，在常压下 -33°C 左右，或者常温在1MPa左右即可成为液态。

通过以上两点可以看出，携带氨比氢具有优势。同时氨在一定条件下可以裂化为N2和H2，这也为氢气的存储和运输提供了另一种可能：通过在源头用氢气制造氨，运输产生的氨，然后在使用的目的地重新还原为氢气，从而降低氢气运输的成本，但需要做更多的工作来计算这种成本降低。

04 经济性

氨是一种定价透明的全球商品，整个生产、运输、交易市场存在已久并且成熟。

目前市场上供应的大部分氨，是由天然气产生的氢气制造的“棕色”氨，中间过程产生大量的 CO2排放。但航运的目标是从目前的“棕色氨”过渡到在制造过程中应用碳捕获和储存技术的“蓝色氨”，最终，实现使用可再生能源生产“绿色氨“。

虽然这在短期内成本会更高，但随着生产规模的扩大，价格应该会大幅下降，因此氨作为燃料在经济性方面具有长期潜力。

05 岸基设施

人们对于航运业的碳排放，重点通常是船舶发动机和船上辅助系统产生的碳排放。然而，能源开采、燃料制造、运输和港口储存，燃料在生产和供应中也会产生大量排放。为了避免简单地将问题转移到上游，航运业需要考虑整个供应链。

大学海事咨询服务 (UMAS) 和LR能源转型委员会在2020年的一项研究发现，到2050年实现 IMO 的碳减排目标需要 1-1.4 万亿美元。该研究同时强调，总投资的 87% 左右需要用于低碳燃料的陆基基础设施和生产设施。在许多情况下，上游挑战也更难以克服，因为它们涉及更多的利益相关者，而且这些巨大的基础设施投资可能会对人类和环境产生重大影响。

目前全球氨分销系统已经就位，但现有的氨运输网络主要连接为工业市场服务的生产和储存地点，其港口设施并非为船舶燃料加注而准备，因此目前的港口布局或许需要进一步调整。

同时，如果要让氨成为一种被广泛接受的燃料，更广泛的业界、外部船队运营商对氨的看法将需要改变。

由于氨的毒性危害，港口当局和监管机构目前不愿批准氨燃料的加注，而市民对港口大规模储存氨的反应也没有经过测试。

虽然现行法规禁止将氨作为航运燃料使用，但船级社和其他团体正在评估风险，并提供指导，以制定新的规则和标准。

06 安全性

虽然氨不是高度易燃的，但空气中仅 0.25% 的浓度即可导致死亡，使该燃料对人具有高度毒性。燃料系统的设计、制造、操作和维护必须确保船员、港口工作人员和燃料供应商的安全。重油和馏分油（甚至天然气）的风险都低于氨。

当前船舶都是按照标准配置建造的：发动机和燃料系统通常位于下层甲板的密闭空间中。氨的不同要求可能会改变船舶布局，甚至可能导致彻底的重新设计。

因此，在船上处理氨将需要一套全新的技能和安全程序。同时需要了解在泄漏或事故的情况下对人类生活、水和土壤的潜在负面影响，以及如何减轻这些类型的风险。幸运的是，目前已有的有关氨运输的规则可以借鉴。

此外，发动机中氨的燃烧会释放一氧化二氮 (N2O，俗称“笑气”)，一氧化二氮是排在二氧化碳、甲烷之后的第三大温室气体。它所能造成的温室效应的效果大约是二氧化碳的200倍。因此，船上将需要额外的设备来控制 NOx排放。

解决方案准备

航运业将氨作为散装货物运输已有100多年的历史，对货物风险管理有着充分的认知。氨也是最早在船上使用的制冷剂之一，由于其广泛的可用性、简单的制造工艺和相对较低的成本，它仍然是渔船制冷设备的热门选择。

但是，航运业没有使用氨作为燃料的经验，考虑到安全方面的挑战，需要对燃料处理和推进系统进行严格的风险评估，整个供应链也必须强制执行强有力的安全标准。

为了让各组织能够在零碳旅程中做出明智的选择，LR 创建了海洋解决方案就绪水平 (MSRL) 框架。这是一种标准化的筛选评估，可确保对不同的燃料和技术进行评估的一致性，从而能够做出基于实证的决策。

目前准备水平

燃料是运营成本的主要组成部分，也是船舶竞争力的主要驱动因素。

LR 和 UMAS 的研究“零碳燃料的技术经济评估”（2020 年）给出了氨作为航运燃料与其他替代燃料（包括氢、甲醇、生物燃料和电池）相比的投资准备情况的早期迹象。

该研究使用一艘典型的散货船作为案例，在能源价格和总运营成本的一系列情景下进行研究。一个关键发现是，考虑到 2050 年的时间框架，由天然气生产的氨结合碳捕获和储存，即“蓝色氨”是成本最低的零碳选择。

注：ICE-内燃机

该研究还审视了技术准备情况，发现氨输送链的某些方面，包括加注设备、储罐和燃料供应系统，正在朝着详细的设计解决方案发展。其他领域，如程序文件和质量标准、船上辅助设备以及锅炉，仍处于概念阶段。推进技术在迅速发展，主机制造商也宣布了原型机和试点项目。

注：数字越大表示技术准备程度（TRL)越高

LR 和 UMAS 研究还提供了与生命周期排放以及更广泛能源格局演变相关的社区准备情况的高级指标，显示出“绿色氨”是整个生命周期中净 CO2表现最好的一个。为了使氨从工业商品过渡到航运燃料，需要在所有社区层面都具备合适的条件，例如，充分的跨领域需求、高效的生产流程以及强有力的国际政策和法规。

新燃料的成功应用需要许多不同类型的组织的贡献，相互合作以减少剩余风险和不确定性。LR 正在通过其海事脱碳中心（LR 基金会和 LR的合资企业）来指导相应的发展：通过确定关键挑战，建立合作伙伴关系来克服这些挑战，LR正在推进未来燃料和技术领域内的解决方案准备工作。一些氨燃料船设计已原则上获得批准，包括中国的气体运输船，韩国的超大型集装箱船概念以及将于 2024 年实现商业化的深海油轮设计。

总体而言，氨看起来是一种很有前途的替代燃料，有可能为航运脱碳做出重大贡献。现在，各领域利益相关者必须共同努力，制定切实可行的解决方案，并加以证明。