船舶碳捕集技術(shù)應(yīng)用前景與展望

中國船舶集團公司第七一四研究所 王立健 曹 林 魏志威

全球氣候變暖問題愈發(fā)嚴峻，航運雖然相對友好，但已成為全球溫室氣體排放的大戶之一。2020年8月4日， 國 際 海 事組織（IMO）第四次溫室氣體研究（GHG4）報告顯示，2019年全球船隊的燃油消耗量預(yù)計為2.65億噸，碳排放量預(yù)計為8.19億噸，接近德國一年的碳排放量。同期，航運業(yè)在全球排放總量中所占的比例從2.76%上升至2.89%。

隨著全球海上貿(mào)易量的猛增，如果控制措施不及時落實，根據(jù)IMO預(yù)測全球船舶碳排放量在2050年將增長150%～250%，占比增至18%。以最不樂觀的情形計算，屆時航運業(yè)將貢獻全球17%的碳排放量，幾乎和拒絕簽署《巴黎氣候協(xié)定》的美國相當。盡管受新冠疫情影響，今明兩年的排放量會有所下降，但研究表示：“未來幾十年的排放量最多可能比預(yù)計的低幾個百分點”，具體取決于經(jīng)濟復(fù)蘇情況?？傮w而言，航運業(yè)距離IMO設(shè)定的2050減排目標還差得很遠。

世界各國已經(jīng)注意到航運自身溫室氣體排放對氣候變暖的加速作用，紛紛推進低碳航運技術(shù)研究以及清潔燃料開發(fā)，但短期內(nèi)國際航運仍需依賴傳統(tǒng)燃料的事實難以改變。為此，必須采取合理的CO2減排措施，早日實現(xiàn)航運碳減排目標。近年來，碳捕集與封存（Carbon Capture and Storage，CCS）技術(shù)已經(jīng)成為陸上電站CO2減排的首選方案，同時也為盡快實現(xiàn)航運大規(guī)模二氧化碳減排帶來了可能。因此，對船舶二氧化碳捕集技術(shù)應(yīng)用前景進行分析研究，積極推動碳捕集技術(shù)上船，對于未來航運的節(jié)能減排發(fā)展具有重要意義。

船舶碳捕集技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

碳捕集與封存技術(shù)是指將CO2從燃燒排放源捕獲并分離出來，輸送到油氣田、海洋等地點進行永久封存，從而阻止或者顯著減少溫室氣體的排放，以減輕對地球氣候的影響。國際能源機構(gòu)曾指出采用CCS技術(shù)是緩解甚至消除氣候變化的有效措施，IPCC（聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會）也表示CCS技術(shù)對于全球溫室氣體減排具有非常重要的意義。

目前，CCS技術(shù)捕獲二氧化碳的方法主要有三種，分別是燃燒前碳捕集法、富氧燃燒碳捕集法、燃燒后碳捕集法。其中，由于燃燒后碳捕集法是在廢氣處理過程中進行CO2捕獲，碳捕集過程對燃料燃燒過程的影響也最小，因此該方法是最容易實現(xiàn)的，也是最成熟的方法。

表1 三種碳捕集方案工作原理及特點

圖1 三種碳捕集方案工作流程圖

圖2 “Eurostar”項目船用CCS系統(tǒng)概念圖

碳捕集技術(shù)作為應(yīng)對全球氣候變化的關(guān)鍵技術(shù)之一，自誕生之日起就受到世界各國的高度重視。國際上很多政府、組織、企業(yè)等都在積極推動CCS在全球的發(fā)展與布局，為CCS發(fā)展提供了強有力的政策支持，并紛紛加大研發(fā)力度，在CO2驅(qū)油等方面已取得一定進展，但在產(chǎn)業(yè)化方面還存在困難。

早在2010年，DNV就與PSE合作開展了一個名為“Eurostar”的聯(lián)合項目，并在2013年宣布了船用碳捕集系統(tǒng)的可行性，同時提出了一種用于運輸船舶上二氧化碳捕獲、液化和臨時存儲的方案及系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用化學(xué)吸收法將二氧化碳從船舶柴油機尾氣中分離出來，捕獲的二氧化碳通過液化裝置被壓縮液化，并在運輸途中臨時儲存在兩個儲罐中，然后排放到港口的輸送和儲存設(shè)施中，能夠?qū)崿F(xiàn)將航運船舶的二氧化碳排放量減少65%。

表2 “decarbonICE”船用碳捕集項目情況

2019年10月，全球著名航運公司包括NYK、Sovcomflot、Knutsen OAS和Ardmore，造船廠商DSME以及礦業(yè)公司Vale，與丹麥海事發(fā)展中心聯(lián)合啟動一個名為decarbonICE的船上碳捕集與封存（CCS）解決方案研究項目。項目研究表明，碳捕集系統(tǒng)及裝置非常適合新造船舶，但也可以在現(xiàn)有船舶上使用，CCS技術(shù)的成功應(yīng)用將加速航運業(yè)向IMO減排目標過渡。

船舶碳捕集技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用前景

近年來，為響應(yīng)全球二氧化碳排放控制號召，IMO、歐盟等都采取了一系列控制船舶碳排放的措施。IMO于2011年7月為整個工業(yè)部門制定了全球首個強制性全球溫室氣體減排計劃，并在2018年通過了一項氣候變化戰(zhàn)略，要求到2050年，溫室氣體(GHG)排放量比2008年減少50%。據(jù)《到2050年的海運預(yù)測》估計，要達到2050年GHG的排放目標，任何船只的排放量都必須低于目前平均船只排放量的30%。因此，未來航運必須盡快實現(xiàn)巨大的二氧化碳減排。

圖3 全球航運貿(mào)易二氧化碳排放趨勢預(yù)測

全球變暖已經(jīng)影響到全世界的環(huán)境和氣候變化，從源頭控制碳排放源是減少碳排放的有效措施，CCS技術(shù)便是一種從源頭控制碳排放的方法。CCS技術(shù)可以將原本會被排放到大氣中的90%的二氧化碳安全地捕獲并埋存于地下，該技術(shù)已被公認是大規(guī)模開發(fā)低碳能源和可持續(xù)使用化石燃料的關(guān)鍵。據(jù)研究，若在船上應(yīng)用二氧化碳捕獲和儲存系統(tǒng)能夠?qū)⒋岸趸寂欧帕繙p少高達65%，這對于一艘安裝CCS裝置的VLCC來說相當于每年從大氣中吸收超過70000噸二氧化碳。

碳捕集技術(shù)上船面臨的主要問題

1、船上空間有限，安裝改造難度大

由于船舶設(shè)計當初并沒有考慮到CCS系統(tǒng)改造，以及本著充分利用船舶有限空間的設(shè)計目的，船上的各種配套裝置布局設(shè)計本就空間緊湊，碳捕集系統(tǒng)安裝改造必將增加船舶的空間改造壓力，同時也會犧牲掉部分的運載空間。以目前較為成熟且被廣泛認可的醇氨法燃后碳捕集系統(tǒng)來說，工藝過程繁多，系統(tǒng)基本單元劃分為二氧化碳吸收單元、再生單元與冷卻單元。若采用該系統(tǒng)對船舶進行二氧化碳捕獲，需要對船舶的尾氣處理裝置進行改造，增加安裝吸收塔、再生塔及各種換熱器、泵閥等裝置，船舶空間改造難度可見一斑。

2、能量消耗增加，對船舶性能產(chǎn)生影響

碳捕集系統(tǒng)復(fù)雜、裝置眾多，在船舶上進行二氧化碳捕獲無疑會增加額外的能源消耗，也將對船舶性能帶來很大的影響。例如，額外的電力消耗、熱量損失將增加燃料消耗，更多的空間占用導(dǎo)致貨物運輸?shù)臏p少等。醇胺法燃后碳捕集過程就是一個典型的高能耗化學(xué)過程，其中醇胺溶液再生過程就需要大量的熱量，這部分能耗約占整個碳捕集系統(tǒng)能耗的70%～80%。此外，CCS系統(tǒng)裝置需要與船舶主機保持實時同步運行，長時間的工作狀態(tài)下，各類泵閥裝置均需要大量的電能消耗。

圖4 全球航運貿(mào)易二氧化碳排放趨勢預(yù)測

3、CO2船上存儲的安全性和經(jīng)濟性相互制約

船舶航行的特殊性決定了船上CCS系統(tǒng)捕獲的二氧化碳必須要先存儲在船舶上，而不能像陸用CCS系統(tǒng)那樣將捕獲的二氧化碳隨時運輸至存儲地或者利用地。二氧化碳存儲方式主要以氣態(tài)存儲和液態(tài)存儲為主，船上CCS捕獲的二氧化碳采用何種方式存儲必須要進行綜合評估，既要考慮到船上二氧化碳存儲的安全性、空間有限性，也要兼顧存儲的成本問題。高壓的氣態(tài)二氧化碳或者是液化存儲的二氧化碳都具有一定危險性，并且航行環(huán)境的特殊性對存儲的安全性提出了更高的要求。此外，氣態(tài)二氧化碳存儲要必然占據(jù)大量的船上空間，進而會影響到運輸船舶的運輸性能；而液態(tài)存儲也要面臨液化難題，高壓二氧化碳液化需要吸收大量的冷能，無疑會增加船舶的燃料消耗，最終都將導(dǎo)致船舶的運行成本增加。

4、碳捕集成本高昂成為阻礙上船的主要原因

前文分析到CCS系統(tǒng)的捕獲過程乃至存儲過程都要消耗掉大量的能量，也就意味著在船上進行二氧化碳捕獲和存儲的成本相對較高。以現(xiàn)有的陸用CCS示范項目為例，據(jù)統(tǒng)計，目前CCS示范工程投資額都在數(shù)億元人民幣的規(guī)模，而且，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，引入碳捕集后每噸二氧化碳將額外增加140～600元的運行成本。而船上碳捕集面臨的捕獲及存儲難度更大，其運行成本也必將會高于陸用CCS系統(tǒng)。當前陸用碳捕集系統(tǒng)推廣難的主要原因就是運行成本高，而這也對于經(jīng)濟性要求更為苛刻的航運業(yè)來說，若想要碳捕集系統(tǒng)上船，同樣面臨著高成本難題。

相關(guān)對策建議

一是加大技術(shù)研發(fā)與投入，逐步解決上船難題。船舶碳捕集技術(shù)短期內(nèi)難以實現(xiàn)上船，但應(yīng)以前瞻性的眼光看待未來船舶二氧化碳捕獲及存儲的重要性和必要性。船用CCS技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用之前尚需長期且持久的技術(shù)研發(fā)與攻關(guān)，國家及相關(guān)航運組織需加大對船用CCS技術(shù)的研發(fā)投入，充分考慮航運船舶的“移動性”和“空間有限性”，重點突破船用CCS系統(tǒng)上船的技術(shù)難點。優(yōu)化CCS系統(tǒng)流程和裝置布局，縮小系統(tǒng)裝置的體積和重量；進行船舶動力與CCS系統(tǒng)的耦合研究，充分考慮風(fēng)能、太陽能等多能利用和船舶余熱利用價值，解決CCS系統(tǒng)能量消耗大，對船舶運行性能影響大的缺點。

二是因船而異，優(yōu)化二氧化碳船上存儲方式。在船上進行捕獲CO2的臨時存儲，既要考慮安全性、經(jīng)濟性，也要求對船舶營運性能影響的最小化。針對常用的兩種物理存儲方式，需要根據(jù)不同船舶的運輸特點進行具體的優(yōu)化分析、深入研究，選擇合適的碳存儲方式。短途運輸、內(nèi)河運輸船舶適合采用氣態(tài)罐裝存儲，可將存儲成本降到最低；而遠洋船舶則需要考慮到存儲時間長、空間有限，危險性增加的弊端，液態(tài)存儲相較于氣態(tài)存儲更加適合，但其存儲成本也將更高。此外，建議還可考慮利用化學(xué)方法進行碳封存，例如運用式（1）和式（2）的方式，將CO2存儲在CaCO3中，需要投入的原料為CaO，而NaOH可以實現(xiàn)循環(huán)利用，得到的CaCO3可以作為建筑材料售出，同時，CaCO3售出收入也可以補貼碳捕集成本支出。

三是推動船用CCS技術(shù)示范應(yīng)用?？v觀陸用碳捕集技術(shù)的發(fā)展路線，當前碳捕集示范電站已取得顯著成效，有效推動了CCS技術(shù)的成熟和應(yīng)用發(fā)展。船用CCS技術(shù)領(lǐng)域尚處于起步研發(fā)階段，僅有國外的幾家航運組織和企業(yè)正在聯(lián)手推進CCS系統(tǒng)理論驗證和技術(shù)上船。我國作為航運大國，同時也在積極踐行“綠色航運”理念，需要把握新技術(shù)發(fā)展動向，加快推動船用CCS技術(shù)研究的同時積極推進示范應(yīng)用，為實現(xiàn)IMO的2050年碳減排目標做好準備。在應(yīng)用示范過程中，積極探索，勇于嘗試，注重應(yīng)用模式的創(chuàng)新；應(yīng)用需求牽引，通過應(yīng)用有效促進新技術(shù)成熟、標準完善和產(chǎn)業(yè)壯大。

四是出臺鼓勵和補貼政策，完善碳利用及交易市場。為解決碳捕集高成本問題，不僅僅需要技術(shù)的突破與提升，更需要政府及其他渠道補貼或分擔(dān)成本。建議政府出臺鼓勵和補貼政策，可以采用增收碳排放稅和給予碳減排補貼的方式，鼓勵船東積極響應(yīng)航運碳減排號召，采用清潔燃料或者安裝船用碳捕集裝置，推動CCS系統(tǒng)上船。航運捕獲的CO2如何利用也是碳減排的重要一環(huán)，鑒于CO2的工業(yè)用途不斷擴大，船舶運營商將能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為一種商品，從而進入有利可圖的新領(lǐng)域。例如，液態(tài)CO2可以輸送到石油和天然氣行業(yè)，在那里它被用作老化油田的強化采油作業(yè)的注入介質(zhì)。同時，需要完善碳交易和應(yīng)用市場，確保捕獲的CO2都能進行合理存儲或者充分利用，發(fā)揮其應(yīng)用價值，從而降低碳捕集成本。

中國船級社召開西南地區(qū)委員會2020年年會

2020年10月30日上午，中國船級社（CCS）召開西南地區(qū)委員會2020年年會。本次年會以“構(gòu)筑行業(yè)命運共同體，推動長江經(jīng)濟帶綠色發(fā)展”為主題，重慶海事局、云南省交通廳、重慶市交通局等政府機關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和航運業(yè)、造船業(yè)、船用和海工設(shè)備配套業(yè)等40余家單位代表匯聚一堂，共商行業(yè)發(fā)展共同體、技術(shù)共同體和質(zhì)量共同體構(gòu)筑，共話推動長江經(jīng)濟帶綠色發(fā)展舉措。CCS副總裁朱愷出席了會議并致辭，會議由西南地區(qū)委員會秘書長、CCS重慶分社總經(jīng)理顧思遠主持。

朱愷副總裁在致辭中感謝了西南地區(qū)政府、海事主管機關(guān)和各委員單位對CCS工作的大力支持，表示CCS將繼續(xù)履行國家船檢主力軍的職責(zé)，配合政府和主管機關(guān)不斷提升水上交通安全水平，增強人民群眾的獲得感、幸福感、安全感，促進航運安全高質(zhì)量發(fā)展；與西南業(yè)界通力合作，共同推動成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈建設(shè)，聯(lián)手打造內(nèi)陸改革開放高地，以“一帶一路”為引領(lǐng)，建設(shè)好西部陸海新通道，積極參與國內(nèi)國際經(jīng)濟雙循環(huán)，形成優(yōu)勢互補的“高質(zhì)量發(fā)展”命運共同體，與業(yè)界一起攜手走出一條生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的新路子，為推動長江經(jīng)濟帶高質(zhì)量發(fā)展提供堅實支撐和有力保障。

與會代表紛紛表示，將進一步依托CCS西南地區(qū)委員會平臺效用，與業(yè)界各方持續(xù)深化合作、互利共贏，共同推動航運、造船、海洋工程和相關(guān)行業(yè)安全、高質(zhì)、健康發(fā)展，全面貫徹落實習(xí)近平總書記關(guān)于統(tǒng)籌抓好疫情防控和經(jīng)濟社會發(fā)展作出重要指示精神，為服務(wù)好交通強國、海洋強國建設(shè)做出新的貢獻。