新LNG船舶设计的潜在脱碳策略

在一项联合工业项目（JIP）中，TotalEnergies、现代重工，某航运公司和DNV合作研发新建造的液化天然气运输船项目，以确定满足2050年国际海事组织脱碳轨迹的可行方法。

1关于该联合工业项目（JIP）

该JIP 评估了将在现代重工（HHI） 建造的 174, 000 立方米 LNG 运输船的设计，以确定其如何满足 IMO 到 2050 年的二氧化碳排放目标。

目标是绘制一条切实可行的路径，使船舶能够遵守碳减排轨迹。尤其，该项目旨在确定最具成本效益的实现合规的有效方法和实施改造的最佳时间，并了解不确定性。不同的脱碳选项，包括：

从船舶生命周期的角度研究了与能源效率、能量收集、船上碳捕捉和存储（CCS）和替代燃料相关的措施。成本影响和安全性也纳入考量。

2原型船的规格

该原型船是一艘 109, 000dwt的LNG运输船，能装载174, 000立方米LNG，配备低压（XDF）推进系统和再液化装置。

作为节能设备，该船将配备螺旋桨毂盖鳍和舵球、空气润滑系统和轴发电机。该项目负责两个贸易航线：休斯顿-安特卫普和休斯顿-日本，以及两个运营模式，一个正常的商运速度和一个缓慢的航行速度。两条路线的典型年度运营数据，例如运营碳强度和年度燃料消耗量，均被用作参考。

3与脱碳轨迹的交叉点

图表中船舶的碳强度（显示为任一运营模式的水平线）与2050 年和 2040 年的脱碳轨迹相交的点，显示了改造节能措施和碳减排技术和/或开始使用碳中和燃料混合的最晚时间，使船舶能够继续遵守排放限制。

对于2050 年的轨迹，关键年份将是 2038 年的运营模式 1，而对于更加雄心勃勃的 2040 年轨迹，船舶必须在 2031 年之前进行改装/融合。假设该船于2025 年投入使用，在第一种情况下，2035年第二次干坞将是最好的机会。对于慢速运营模式 (OP2)，2040 年进行第三次干坞即可。

4降低碳强度的措施

原型船设计从一开始就包括了几个提高效率的功能和节能设备。当船舶达到需要升级和/或混合碳中和燃料以保持合规性时，JIP考虑采取五项额外措施：- 三个旋翼帆形式的风力辅助推进（ Flettner旋翼） - 使用岸电（“冷熨”） - 船上碳捕获和储存 (CCS) - 燃料电池- 废热回收 (WHR)

5脱碳策略

JIP 评估了为实现 IMO 脱碳目标的四种策略的益处和经济可行性： 

策略 A：LNG 船舶在其整个寿命周期内按设计和建造的方式运行，2037 年之后逐渐加入bio/e-LNG以保持合规。

策略B：该船从交付之日起额外配备三个旋翼帆（ Flettner旋翼）以及岸电设备，并于2038年开始加入bio/e-LNG和bio/e-MGO。 

策略C：2035 年将碳捕获和储存 (CCS) 系统安装在船上，以提取废气中的二氧化碳排放。假设 100% 的二氧化碳减排潜力（乐观），因此无需混合bio/e-fuel。

策略 D：2035 年安装模块化燃料电池系统和余热回收系统。到 2037 年，bio/e-LNG 和 bio/e-MGO 逐步加入，以实现目标碳强度。

6不同改造措施的技术影响

旋翼帆是一种久经考验的风力辅助推进技术。根据历史交易模式和风力条件，据估计三个旋翼帆每年可减少近 6% 的燃料消耗和二氧化碳排放。天气定航将进一步提高效益。此外，有必要对船员进行培训。

船舶在港时使用岸电将进一步减少燃料消耗，并将二氧化碳排放量减少约8-9%（相对于年总排放量），前提是停靠港口拥有所需的基础设施。船上碳捕获和储存 (CCS) 需要对船上进行重大改造，例如额外的甲板以容纳系统和二氧化碳气罐。为系统供电所需的额外燃料（约 24%）不会影响船舶的碳足迹，改装后碳足迹被认为是零。

该战略的可行性取决于岸上二氧化碳基础设施和价值链（仍未到位）的存在。在 LNG 上运行的模块化固体氧化物燃料电池 (SOFC) 系统与废热回收系统相结合，可以提供辅助动力并提高效率。燃料电池和电池在 8 年后需要更换。燃料节省估计为 6-7%，二氧化碳减排潜力也在相同范围内。

7使用FuelPath模型进行经济评估

JIP 应用 DNV FuelPath模型来评估设计方案的经济性能，即特定船舶可用的燃料和能源效率策略。基于不同的假设和情景，该模型可帮助船东确定能够适应未来变化并在船舶生命周期内各种情景下都能表现良好的设计方案。绩效以总拥有成本和其他经济参数来表示。由于未来的燃料价格难以预测，因此该研究考虑了三种不同的燃料价格情景（高、基线、低）。

8不同措施对碳强度的影响

这四种策略在改造后的碳强度 (CII) 方面存在显着差异。虽然该船舶将配备最先进的效率增强功能，使其碳强度性能明显优于当前船舶的平均水平，但其他三种策略中的任何一种都将进一步提高其 CII 评级和降低燃料成本。策略 B（新造船阶段的旋翼帆/岸电）和策略 D（燃料电池/余热回收改造）在较小程度上都将推迟需要混合碳中和燃料的时间点。策略 C（碳捕获）将 CII 降低到零，这抵消了它导致燃料消耗增加的事实。

9基准价格情景的年度和累计成本

年度成本的制订——假设中间或“基准”燃料价格情景——反映了对新建船和后续改造的投资以及由此产生的燃料成本。在策略 A 的情况下，当从 2037 年开始逐步添加碳中和燃料时，燃料支出会急剧上升。旋翼帆和岸电减轻了策略 B 的这种影响。而策略 C 必须在 2035 年对 CCS 系统进行大量投资，这项投资使燃料成本在剩余年份保持不变。由于对燃料电池的投资，策略 D 的总费用最高；节省的燃料无法弥补这一点。

10总拥有成本 - 贴现成本

总体而言，策略 B 和 C 显示在船舶整个寿命周期内的总拥有成本最低。然而，如果引入二氧化碳税，或应用更雄心勃勃的目标温室气体强度轨迹（例如 2040年实现脱碳），这一结论可能会改变。策略 C 对本研究中应用的不同燃料价格假设最不敏感，因为它不使用碳中和燃料。例如，与策略 B 和 D（2035 年之后）相比，策略 A 的 TCO 对燃料价格的敏感性最高，因为它依赖于碳中和燃料并且能耗相对较高。就 TOC 而言，最佳选择是风力辅助推进与岸电相结合，紧随其后的是 CCS 方法（基线和低燃料价格情景）。在加速情景下（2040 年实现脱碳），必须尽早采取额外的碳减排措施。

11碳税假设

未来的二氧化碳价格将通过“惩罚”具有最高燃料消耗的解决方案，来对成本情景产生重大影响。在为新造船选择碳减排策略时应考虑到这一点。在行业利益相关者认为碳税情景是现实可行的假设条件下，JIP 考虑了这个参数。此处未显示碳税的影响，但例如，对于策略 A（基线），碳税将使 TCO 增加约 20%。引入二氧化碳税后，策略 C (CCS) 的表现相对较好。重要的是要记住影响研究的不确定性，特别是燃料价格变动、燃料税、相关贸易区域的燃料供应、将应用的监管脱碳轨迹以及船东自己的脱碳目标。

12设计和安全考虑

JIP 还对设计和安全考虑进行了全面审查，其中值得一提的是：旋翼帆需要风能够自由流入，以最大限度地发挥马格努斯效应的向前推力。它们在甲板上的布置必须考虑诸如舵作用、船舶转向能力、货-甲板操作、驾驶台视野和帆基础结构加固等因素。需要对船员进行培训，并且必须考虑相关的安全规则。旋翼帆技术成熟。为了使用岸电，船上需要适当的电气装置，并应评估一系列考虑因素，例如设备相对于危险区域的位置、紧急撤离、配电盘布置等。CCS 技术预计将在未来五年内趋于成熟。船上必要的改造非常重要；可能需要靠近排气烟囱的额外甲板。船上二氧化碳管理对安全和船员培训具有重要意义。CCS 系统需要额外的发电和港口基础设施来收集捕获的二氧化碳。燃料电池系统是模块化和集装箱化的，需要一个安全的空间、用于废热回收系统的排气装置以及新鲜空气和燃料的获取。如果选择这种方法，则应在设计机舱和烟囱以及一些甲板加强件时加以考虑。燃料和电力危险以及船员培训是附加标准。有一条通往 2050 年的道路，但“正确”的方向是专门针对船舶和贸易的，此外还需要建立一系列的假设。

13主要结论

在本 JIP 中研究的 LNG 船舶预计将与 IMO 到 2050 年实现航运完全脱碳的雄心保持一致。更雄心勃勃的目标可以通过尽早采取适当措施来实现。该研究得出结论，对于燃料价格情景、二氧化碳定价和时间表情景，策略 B（旋翼帆、岸电）和 C（CCS）的拥有成本最低。令人惊讶的是，在这些假设下，策略 C 是最稳健的，前提是该解决方案实现 100% 的碳减排率以及建造适当的岸上二氧化碳基础设施。策略 B 的能源和燃料需求最低，前提是所有停靠港都有岸电。策略 A、B 和 D 的计算取决于相关加油港口的碳中和 LNG 和 MGO 的可用性。考虑到所涉及的不确定性，无法对任何特定的燃料或碳减排技术提出明确的建议。相反，JIP 展示了一个结构化的过程，该过程将帮助船东在航运界转向脱碳时拥有更多的选择。