氨能成為未來的船舶燃料嗎？LR詳解航運脫碳

2021-08-27 13:41:59
來源：英國勞氏船級社編輯：國際船舶網我有話要說

氨（NH3）由1個氮原子與3個氫原子結合而成，目前工業合成氨沿用的是有著百年歷史的“哈伯法”，該方法實現了工業上第一個加壓催化過程，是催化工藝發展史上的一個里程碑，引發了肥料生產的變革，促進了全球糧食產品史無前例的增長。“哈伯法”的發明者Fritz Haber和Carl Bösch也因此分別獲得了1918年和1931年的諾貝爾化學獎。

今天，80%的氨生產專門用于化肥工業。然而，隨著航運業面臨脫碳和擺脫對化石燃料依賴的壓力，氨看起來像是一種有強吸引力的燃料替代品。

目前，全球范圍內，大多數國家政府已經制定了未來幾十年內雄心勃勃的溫室氣體 (GHG) 減排目標。在推動從化石燃料轉向替代能源的過程中，包括航運在內的每個行業都將受到影響。國際海事組織 (IMO) 和歐盟等監管機構正在將目標轉化為法規。隨著強制性二氧化碳 (CO2 ) 法規的加強，很明顯沒有一種燃料可以解決航運面臨的所有零碳需求。未來，船東需要根據船舶類型、航線和貨物，為船舶配備最適合的燃料。其他替代燃料的候選者包括氫、氨、甲醇、生物燃料、電池和核能。

每種燃料都有優點和缺點，但燃料的靈活性以及發動機轉換為使用不同燃料的能力，這兩因素在燃料選擇中發揮重要作用。在全球脫碳化的背景下，每個船東都需對其船隊做出重要的投資決策，考慮到船舶的預期平均壽命為 25-30 年，在未來幾十年中可能還需要進行多次投資。一些船只將改裝全新的推進系統，而有些船只將被報廢和更換。

Lloyd's List（海事出版物）和 LR 最近對航運業利益相關者進行的一項調查顯示，氨將成為 2050 年最具潛力的三大燃料之一。調查顯示，預計氨燃料在航運燃料中的使用量占比將從2030 年的7%增長到2050 年的20%。

本文將審視氨作為航運燃料的潛力，研究它如何減少或消除 CO2這一與化石燃料相關的主要溫室氣體的排放。

01碳排放

氨是氮和氫的化合物，由于不含碳，因此在用作內燃機燃料時不會排放任何 CO2，這創造了真正零碳推進的潛力。燃燒需要額外的少量點火燃料，其也應為零碳燃料。

然而，必須考慮的是，當今大多數氨合成所需要的氫是由化石燃料生產的，2018年全球氨產量大約是1億7千6百萬噸，消耗了大約全球1.8%的能源（其中蒸汽甲烷重整產生氫所消耗的能量占80%以上），產生了大約5億噸的CO2，約占全球CO2排放的1.8%。因此從生命周期的角度來看，氨不是零碳，如果使用它，如何控制生產過程中產生的CO2是行業需要解決的問題。

02能量密度

當前化石燃料的一大吸引力在于它們的高體積能量密度，這是大多數替代燃料無法與之匹敵的。替代燃料的低體積能量密度意味著將會占用船上寶貴的貨物空間。氨的體積能量密度與甲醇大致相似，約為傳統化石燃料的一半，但明顯高于氫，從而使得氨燃料在船上存儲具有經濟可行性。

03可處理性

氫需要保持在 -253°C 的低溫罐，或以氣態儲存在壓力高達70MPa的容器中（江湖傳言，1噸氫氣需要10噸的存儲設備來存）。而氨的液化需要較少的冷卻，在常壓下 -33°C 左右，或者常溫在1MPa左右即可成為液態。

通過以上兩點可以看出，攜帶氨比氫具有優勢。同時氨在一定條件下可以裂化為N2和H2，這也為氫氣的存儲和運輸提供了另一種可能：通過在源頭用氫氣制造氨，運輸產生的氨，然后在使用的目的地重新還原為氫氣，從而降低氫氣運輸的成本，但需要做更多的工作來計算這種成本降低。

04 經濟性

氨是一種定價透明的全球商品，整個生產、運輸、交易市場存在已久并且成熟。

目前市場上供應的大部分氨，是由天然氣產生的氫氣制造的“棕色”氨，中間過程產生大量的 CO2排放。但航運的目標是從目前的“棕色氨”過渡到在制造過程中應用碳捕獲和儲存技術的“藍色氨”，最終，實現使用可再生能源生產“綠色氨“。

雖然這在短期內成本會更高，但隨著生產規模的擴大，價格應該會大幅下降，因此氨作為燃料在經濟性方面具有長期潛力。

05岸基設施

人們對于航運業的碳排放，重點通常是船舶發動機和船上輔助系統產生的碳排放。然而，能源開采、燃料制造、運輸和港口儲存，燃料在生產和供應中也會產生大量排放。為了避免簡單地將問題轉移到上游，航運業需要考慮整個供應鏈。

大學海事咨詢服務 (UMAS) 和LR能源轉型委員會在2020年的一項研究發現，到2050年實現 IMO 的碳減排目標需要 1-1.4 萬億美元。該研究同時強調，總投資的 87% 左右需要用于低碳燃料的陸基基礎設施和生產設施。在許多情況下，上游挑戰也更難以克服，因為它們涉及更多的利益相關者，而且這些巨大的基礎設施投資可能會對人類和環境產生重大影響。

目前全球氨分銷系統已經就位，但現有的氨運輸網絡主要連接為工業市場服務的生產和儲存地點，其港口設施并非為船舶燃料加注而準備，因此目前的港口布局或許需要進一步調整。

同時，如果要讓氨成為一種被廣泛接受的燃料，更廣泛的業界、外部船隊運營商對氨的看法將需要改變。

由于氨的毒性危害，港口當局和監管機構目前不愿批準氨燃料的加注，而市民對港口大規模儲存氨的反應也沒有經過測試。

雖然現行法規禁止將氨作為航運燃料使用，但船級社和其他團體正在評估風險，并提供指導，以制定新的規則和標準。

06安全性

雖然氨不是高度易燃的，但空氣中僅 0.25% 的濃度即可導致死亡，使該燃料對人具有高度毒性。燃料系統的設計、制造、操作和維護必須確保船員、港口工作人員和燃料供應商的安全。重油和餾分油（甚至天然氣）的風險都低于氨。

當前船舶都是按照標準配置建造的：發動機和燃料系統通常位于下層甲板的密閉空間中。氨的不同要求可能會改變船舶布局，甚至可能導致徹底的重新設計。

因此，在船上處理氨將需要一套全新的技能和安全程序。同時需要了解在泄漏或事故的情況下對人類生活、水和土壤的潛在負面影響，以及如何減輕這些類型的風險。幸運的是，目前已有的有關氨運輸的規則可以借鑒。

此外，發動機中氨的燃燒會釋放一氧化二氮 (N2O，俗稱“笑氣”)，一氧化二氮是排在二氧化碳、甲烷之后的第三大溫室氣體。它所能造成的溫室效應的效果大約是二氧化碳的200倍。因此，船上將需要額外的設備來控制 NOx排放。

解決方案準備

航運業將氨作為散裝貨物運輸已有100多年的歷史，對貨物風險管理有著充分的認知。氨也是最早在船上使用的制冷劑之一，由于其廣泛的可用性、簡單的制造工藝和相對較低的成本，它仍然是漁船制冷設備的熱門選擇。

但是，航運業沒有使用氨作為燃料的經驗，考慮到安全方面的挑戰，需要對燃料處理和推進系統進行嚴格的風險評估，整個供應鏈也必須強制執行強有力的安全標準。

為了讓各組織能夠在零碳旅程中做出明智的選擇，LR 創建了海洋解決方案就緒水平 (MSRL) 框架。這是一種標準化的篩選評估，可確保對不同的燃料和技術進行評估的一致性，從而能夠做出基于實證的決策。

目前準備水平

燃料是運營成本的主要組成部分，也是船舶競爭力的主要驅動因素。

LR 和 UMAS 的研究“零碳燃料的技術經濟評估”（2020 年）給出了氨作為航運燃料與其他替代燃料（包括氫、甲醇、生物燃料和電池）相比的投資準備情況的早期跡象。

該研究使用一艘典型的散貨船作為案例，在能源價格和總運營成本的一系列情景下進行研究。一個關鍵發現是，考慮到 2050 年的時間框架，由天然氣生產的氨結合碳捕獲和儲存，即“藍色氨”是成本最低的零碳選擇。

該研究還審視了技術準備情況，發現氨輸送鏈的某些方面，包括加注設備、儲罐和燃料供應系統，正在朝著詳細的設計解決方案發展。其他領域，如程序文件和質量標準、船上輔助設備以及鍋爐，仍處于概念階段。推進技術在迅速發展，主機制造商也宣布了原型機和試點項目。

注：數字越大表示技術準備程度（TRL)越高

LR 和 UMAS 研究還提供了與生命周期排放以及更廣泛能源格局演變相關的社區準備情況的高級指標，顯示出“綠色氨”是整個生命周期中凈 CO2表現最好的一個。為了使氨從工業商品過渡到航運燃料，需要在所有社區層面都具備合適的條件，例如，充分的跨領域需求、高效的生產流程以及強有力的國際政策和法規。

新燃料的成功應用需要許多不同類型的組織的貢獻，相互合作以減少剩余風險和不確定性。LR 正在通過其海事脫碳中心（LR 基金會和 LR的合資企業）來指導相應的發展：通過確定關鍵挑戰，建立合作伙伴關系來克服這些挑戰，LR正在推進未來燃料和技術領域內的解決方案準備工作。一些氨燃料船設計已原則上獲得批準，包括中國的氣體運輸船，韓國的超大型集裝箱船概念以及將于 2024 年實現商業化的深海油輪設計。

總體而言，氨看起來是一種很有前途的替代燃料，有可能為航運脫碳做出重大貢獻。現在，各領域利益相關者必須共同努力，制定切實可行的解決方案，并加以證明。