清洁能源的船用适应性分析

表1 主要清洁能源理化性质

低碳能源

1、液化天然气(LNG)

2019年全球天然气产量约4万立方米，市场供需总体呈现“产销两旺、总体宽松”态势，天然气具有良好的能源可供性。从LNG作为船用燃料角度而言，随着全球LNG动力船队规模的扩大，西欧、北美、东亚等地区正在加快建设配套LNG加注设施，船用LNG燃料的加注便利性将逐步提高。LNG动力船的建造成本比传统燃油动力船舶大约增加20%-30%(国内船舶)、10%-20%(国际船舶)，需进一步开展技术研发以降低成本，如耐低温高锰钢材料在LNG燃料舱中的应用等。船用LNG燃料动力系统涉及的储存、供给、利用等技术及产品已发展成熟，业界已积累了较为充分的设计和应用经验。LNG在SOx、NOx等大气污染物方面减排效果显著，同时可实现CO 2 减排约25%，但受甲烷排放的影响，其温室气体减排能力一定程度上被削弱，根据气体燃料发动机类型的不同，温室气体减排潜力为10%-23%。船舶应用天然气燃料相关的国际规则、国家/地区性法规、船级社规范、行业标准等已基本建立。总体而言，采用LNG燃料是航运业满足中期温室气体减排目标最现实可行的选择。但从长远来看，基于化石LNG不能满足航运业长期减排目标，制取途径需要转向生物质和可再生电力。

2、液化石油气(LPG)

3、甲醇

甲醇属于大宗化学品，是极为重要的有机化工原料。2019年全球甲醇产能达到约1.5亿吨，全球范围内已有许多港口及码头建立了甲醇存储、分销基础设施，从生产、分销乃至未来的加注来说，甲醇作船用燃料都具备良好的可供性。欧洲主要采用天气制甲醇，甲醇价格与MGO较接近；中国主要采用煤制甲醇，甲醇价格略高于MGO。船用甲醇燃料供应系统、船用甲醇发动机方面目前仅有少量应用经验且市场上可用的产品选择不多，但国际上已有10余艘甲醇燃料动力船(包括甲醇运输船、车客渡船、引航船等)投入运营，正在逐步积累甲醇燃料发动机及供应系统的实船应用经验。甲醇燃料可实现温室气体减排约6%-10%，采用后处理或甲醇加水乳化技术后，NOx排放可满足IMO Tier III要求。国际上已制定《甲醇/乙醇燃料船舶安全暂行指南》，国内即将出台相关法规，安全性可以保障。但就实际而言，仍需考虑甲醇价格、燃料舱舱容等因素对经济性的影响，同时还需加强甲醇加注设施建设。此外，未来要实现零碳或碳中和目标，甲醇的制取途径要从化石能源转向可再生能源。

4、二甲醚

目前二甲醚工业化生产技术发展已较为成熟，主要以甲醇为原料脱水制取，但下游应用领域前景不明朗，产能萎缩较为严重，2018年我国二甲醚产能已降低至850万吨左右。二甲醚具有易燃易爆、气体密度大于空气等特点，理化性质与LPG较为类似，在船上需低温或加压储存。二甲醚在船上应用尚处于预研阶段，存储、供应和加注等方面可借鉴LPG、甲醇等燃料的船用经验；发动机方面，与甲醇和柴油相比，二甲醚具有更高的十六烷值和更低的自燃温度，故其着火性能更好，更适用于压燃式发动机，但其在船舶柴油机中应用尚需解决腐蚀、气阻、润滑不良等问题。在减排效果方面，二甲醚与甲醇基本相当。技术法规方面，目前尚缺少船舶应用二甲醚燃料相关国际规则。就目前而言，二甲醚作为船舶燃料的适用性并不理想。

5、生物燃料

零碳能源

1、氢

2、氨

氨的主要制取途径是氮气和氢气在高温高压和催化剂作用下合成制取，2019年全球合成氨产能达到2.3亿吨，其中中国产能约7000万吨。燃料成本方面，按单位热值比较，液氨价格分别约为甲醇和MGO的1.5倍和2倍。氨燃料既可以在发动机中使用，也可以在燃料电池中使用，目前船用氨燃料发动机和氨燃料电池的研究及应用均处于起步阶段。氨作为内燃机燃料，目前其NOx排放尚不能直接满足Tier III要求，同时应关注N 2 O排放问题，N 2 O温室效应约为CO 2 的290倍。由于氨具有一定毒性，《国际散装液化气体船舶构造与设备规则》(IGC规则)规定属于有毒货品的货物不允许用作燃料，因此在目前IGC规则框架下，液氨运输船不允许以货物作燃料；《使用气体或其它低闪点燃料船舶国际安全规则》(IGF规则)方面，目前适用的燃料也不包括氨燃料。因此，目前氨作为船舶燃料目前尚缺少相应技术法规。

3、核能

核动力船舶在核燃料供应方面并无大的障碍，在技术上也是可行的，在环保性方面具有巨大优势，基本上可实现所有船舶大气污染物和温室气体零排放，但在经济性方面存在局限性，对大部分民船来说其经济性不乐观。需要特别注意的是，核动力船舶在安全性方面存在的较大风险，尽管成熟的技术可大大提高抵抗核泄漏和核污染危害的能力，但港口或海上的意外(如操作、维护失误)或有意行为(如恐怖袭击)引起的核泄漏事故是难以承受的安全隐患。随着核反应堆技术的安全性不断提高，以及港口监管措施逐步完善，核动力在功率要求较高的破冰船、挖泥船和大型货船(如VLCC、VLOC、ULCS)上将具有一定应用前景。

适用性综合分析

基于能源可供性、经济可接受性、技术成熟度、环境适应性、法规完备性等五方面要素，对主要清洁能源的船用适应性进行综合分析和评价。依据清洁能源在各项评价要素上的表现，评分等级分为1-5分，综合评价结果如表2和图1所示。

表2 清洁能源船用适应性综合评价

(a)低碳能源 (b)零碳能源

图1 清洁能源船用适应性综合评价

船用适应性综合评价结果表明，适合船舶发展和应用的低碳能源主要为LNG和甲醇，零碳能源主要为氢、氨和核能。

LNG：从能源可供性角度而言，全球天然气市场在当前及未来一段时期内将处于供应过剩的局面，这对于LNG作为船舶燃料的发展是一个利好。LNG加注设施和加注船正在快速发展，加注便利性将逐步提高。船用LNG燃料相关装备已趋于成熟，技术标准体系基本建立。在整个船舶能源低碳转型进程中，LNG燃料具有良好的发展前景，在近期将成为主要的船舶清洁能源。同时也需要进一步解决制约其发展的问题，前端需要从当前的化石能源制取发展至可再生制取以提高其减排潜力，后端需要结合废气再循环、氧化催化等技术减少甲烷逃逸。

甲醇：具有化石能源制取和可再生能源制取两种途径，其产能可确保全球范围内的稳定供应。甲醇燃料可以实现约6%-10%的碳减排，是航运低碳转型的潜在发展方向之一。中国的能源资源禀赋是“富煤、贫油、少气”，煤炭资源丰富，适合发展煤制甲醇，推广甲醇燃料在航运业的应用，对于减少对油气资源的高度依赖，增强能源自主保障能力，确保我国能源安全具有重要战略意义。

氢：目前制氢的主要途径仍然依赖于化石能源，制取阶段会产生大气污染物和温室气体。从全生命周期角度看，未来需要发展可再生电力制氢等绿色制氢途径。储氢技术方面，高压气态储氢目前已较为成熟，但适合船用的高密度储氢技术目前尚无理想解决方案，由于能量密度的限制，氢燃料目前仅适用于短程航行船舶，要满足国际远洋航行船舶的应用需求，尚需进一步发展液氢储氢技术和在线制氢技术。从长远来看，氢燃料是零排放的重点发展方向。业界针对氢燃料动力船开展研究及试点项目，船用技术装备、规范标准、基础设施等将逐步发展完善。

氨：液氨体积能量密度约为液氢的1.5倍，且储存及供应相对容易，是较为理想的能量载体，适用于续航里程较长的船舶。氨可以直接作为发动机燃料，也可作为燃料电池的燃料。在发动机中应用氨燃料，应进一步解决引燃技术及N2O和NOx排放等问题。从技术角度而言，氨燃料较氢燃料易于在船上应用。但是，氨燃料在船上应用目前尚缺乏相关技术标准支撑，有待下一步研究制定。

核能：核能因具有能量密度大、自持力强等优势，作为未来船舶能源日益受到关注。船舶应用核动力技术上可行，环保优势明显，但在安全性上存在一定制约。目前，核能主要应用于军用舰艇及特定作业条件下的船舶。未来，随着核反应堆技术的不断发展，安全性得到进一步保障后，其在破冰船、挖泥船及大型远洋船舶上将具有一定应用前景。

图2 主要船舶能源的体积能量密度和热值

体积能量密度是考核不同清洁能源在船上应用可行性的关键指标之一，它在一定程度上决定了船上装载燃料需要占用的空间，影响船舶的载货能力。体积能量密度越高，意味着同等的燃料舱容积可以获得更长的续航里程。远洋船舶续航能力要求高，对燃料的体积能量密度指标较为敏感；近海船和内河船续航能力要求相对较低，对体积能量密度的敏感性较低。因此，从能量密度或续航里程的角度考虑，氢燃料主要适用于内河/近海船舶,核能可适用于远洋船舶，氢、氨、甲醇和LNG对于内河/近海船舶和远洋船舶均适用。

END

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