船用甲醇燃料現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

付建強(qiáng)

（海德威科技集團(tuán)（青島）有限公司，山東 青島 266101）

0 引言

甲醇是一種清潔、高效、低碳液體燃料。用甲醇作為船用燃料，將在很大程度上對(duì)現(xiàn)存的能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行積極調(diào)整，有助于實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排目標(biāo)。為滿足日益嚴(yán)格的碳排放標(biāo)準(zhǔn)，LNG在過去數(shù)年中受到航運(yùn)界的青睞；但現(xiàn)階段越來越多的案例和研究表明，甲醇燃料以其環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性、可獲取性等諸多優(yōu)勢(shì)，成為航運(yùn)業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 船用甲醇燃料的應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)勢(shì)

1.1 船用甲醇燃料的應(yīng)用現(xiàn)狀

2018年，國(guó)際海事組織（IMO）通過了全球溫室氣體減排戰(zhàn)略。該政策框架設(shè)定了關(guān)鍵目標(biāo)，將2030年和2050年的全球海運(yùn)CO2排放量分別降至2008年的60%和30%。為達(dá)成上述目標(biāo)，甲醇燃料成為航運(yùn)業(yè)轉(zhuǎn)型過程中的一種選項(xiàng)。目前，甲醇已被用作船舶燃料，雖然僅處于初始階段，但均取得了成功。2015年，“Stena Germanica”號(hào)渡輪被成功改裝成為商用甲醇動(dòng)力船，船用甲醇燃料技術(shù)從此開始在船舶上實(shí)施。近年來，隨著對(duì)甲醇燃料應(yīng)用研究的深入，甲醇燃料已規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化、工程化、廣泛化應(yīng)用于車用燃料、供熱燃料和灶具燃料等領(lǐng)域，但在船舶燃料領(lǐng)域未得到大面積推廣。而在2021年，面對(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)保減排壓力，航運(yùn)界巨頭在海船上率先使用甲醇作為船用燃料，并有加速發(fā)展的趨勢(shì)。

2015年，Stena Line與Methanex合作改裝首艘商用動(dòng)力渡輪“Stena Germanica”之后，全球在營(yíng)20多艘商用甲醇動(dòng)力船型主要是甲醇運(yùn)輸船/油輪。而近年來，隨著一系列試點(diǎn)項(xiàng)目和研究的深入，越來越多的航運(yùn)企業(yè)已開始布局甲醇動(dòng)力船（見表1），實(shí)現(xiàn)了甲醇動(dòng)力船舶多元化的跨越[1]。

表1 甲醇燃料船舶項(xiàng)目概覽

此外，一些發(fā)動(dòng)機(jī)制造商、船舶設(shè)計(jì)單位、港務(wù)局/海事局、造船廠和燃料生產(chǎn)商也陸續(xù)推出了關(guān)于甲醇燃料的新設(shè)備、新設(shè)計(jì)和新方案。曼恩能源于2015年推出了能夠燃燒甲醇的低速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；2020年，為ME-C型發(fā)動(dòng)機(jī)提供多種改造選擇，其中包含LGIM（甲醇）款型。2021年11月，該公司表示其計(jì)劃升級(jí)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，并于2022年提供改裝成甲醇動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)將于2024年提供四沖程甲醇動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的解決方案。近期，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商瓦錫蘭推出了Wartsila 32甲醇動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)；卡特比勒公司也宣布將投資開發(fā)甲醇燃料船舶發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)；羅爾斯·羅伊斯公司也宣布該公司動(dòng)力系統(tǒng)業(yè)務(wù)部門正在開發(fā)使用甲醇MTU高速四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。2022年2月，由中國(guó)船舶集團(tuán)旗下大船集團(tuán)和中遠(yuǎn)海運(yùn)能源運(yùn)輸股份有限公司聯(lián)合開發(fā)的綠色甲醇燃料動(dòng)力VLCC船型設(shè)計(jì)方案獲得了DNV和CCS船級(jí)社獨(dú)立頒發(fā)的AIP原則性認(rèn)可證書。同月，由海德威科技集團(tuán)自主研發(fā)的海洋衛(wèi)士?船用甲醇燃料供給系統(tǒng)，取得了RINA船級(jí)社授予的AIP原則性認(rèn)可證書。3月，由中國(guó)船舶集團(tuán)七一一所自主研發(fā)的首臺(tái)（套）SMBS20-38-2A型船用甲醇燃料加注單元順利發(fā)運(yùn)交付客戶，并已于4月份完成首次船岸加注。同一時(shí)期，綠色技術(shù)銀行與馬士基集團(tuán)就綠色甲醇供應(yīng)簽署諒解備忘錄。綠色技術(shù)銀行表示，從2024年起，將攜手中國(guó)企業(yè)，每年向馬士基提供50000 t綠色甲醇，作為這家集裝箱航運(yùn)物流跨國(guó)公司的船舶燃料，后續(xù)有望增至每年30×104t。

1.2 船用甲醇燃料的優(yōu)勢(shì)

1）可降低污染物排放

燃料油因產(chǎn)地不同含硫量不一。LNG在液化前需要進(jìn)行脫除原料天然氣中的硫化氫、二氧化碳、水分、重?zé)N和汞等雜質(zhì)的預(yù)處理[2]。而甲醇基本不含硫，甲醇動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的SOX排放（來自于引燃油）可明顯降低，能夠滿足IMO排放控制區(qū)的要求。

在CO2排放方面，與燃料油相比，LNG、藍(lán)色甲醇與灰色甲醇在燃料燃燒（Tank-to-Wake）階段減排CO2的程度相差不大；但LNG受甲烷排放的影響，根據(jù)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)類型的不同，其溫室氣體減排能力將被削弱10%～23%。然而考慮到整個(gè)生命周期（Well-to-Wake）中所有溫室氣體排放，而不是僅僅CO2，綠色甲醇與常規(guī)化石燃料相比，極大程度上實(shí)現(xiàn)了碳中和。

2）便于運(yùn)輸與儲(chǔ)存

從基礎(chǔ)設(shè)施的角度看，甲醇有利于運(yùn)輸。根據(jù)全球甲醇行業(yè)協(xié)會(huì)的研究顯示，甲醇作為重要的化工原料，在前100個(gè)國(guó)際港口中有80多個(gè)已經(jīng)具備了支持甲醇的加注設(shè)施。同時(shí)甲醇在常溫常壓下呈液態(tài)，與LNG相比，甲醇的優(yōu)勢(shì)在于其不需要絕熱和低溫儲(chǔ)存，可以改造除壓載水艙以外不用于其他用途的雙層底艙用做燃料艙。

3）較低的改造成本

在燃油發(fā)動(dòng)機(jī)改造成本方面，改造成甲醇動(dòng)力比改造成LNG動(dòng)力低得多。在加注配套成本方面，甲醇只需在現(xiàn)有的大量的燃油加注基礎(chǔ)設(shè)施上稍作改動(dòng)，與LNG需要專用加注碼頭或特定的駁船相比，則大大減少了岸上所需的投資。

2 船用甲醇燃料的問題及發(fā)展趨勢(shì)

2.1 甲醇用作船用燃料的風(fēng)險(xiǎn)

1）毒性。在環(huán)境方面，與傳統(tǒng)碳?xì)浠衔锵啾?，甲醇溢出或泄露造成的影響很小。但?duì)人類而言，甲醇有毒。皮膚接觸液態(tài)甲醇會(huì)引起刺激、干燥、開裂或灼傷。甲醇在人體中（攝入或皮膚吸收）會(huì)氧化產(chǎn)生甲酸和甲醛。一次性攝入10 mL純甲醇會(huì)破壞人體視神經(jīng)，引起視力模糊，甚至雙目失明，攝入100 mL左右，可致人死亡。與傳統(tǒng)船用燃料相比，甲醇更具危險(xiǎn)性，這就對(duì)船員的培訓(xùn)、操作及風(fēng)險(xiǎn)處置提出了更高的要求。

2）腐蝕性。甲醇對(duì)鋁合金、鍍鋅鋼和鉛合金等金屬材料有腐蝕作用，對(duì)塑料和橡膠有溶脹作用，從而會(huì)對(duì)塑料和橡膠零件、噴油泵零件和高壓燃料等部件產(chǎn)生不利影響[3]。甲醇和燃料系統(tǒng)組件的兼容性問題隨著甲醇含量的增加而增加，并且甲醇燃料已被證明會(huì)導(dǎo)致燃料系統(tǒng)中的軟組件收縮、硬化、膨脹或軟化。

3）在大多數(shù)火災(zāi)中，可燃材料，如建筑材料、機(jī)油、軟墊、油漆等，都會(huì)伴有煙霧和可見火焰。然而，與船用燃料油不同的是，甲醇在常溫下會(huì)著火并燃燒；當(dāng)其高純度燃燒時(shí)，這種火焰在白天幾乎不可見，使其火焰檢測(cè)更具挑戰(zhàn)性。在某些情況下，火災(zāi)存在的唯一證據(jù)是輕微的熱霧。因此，甲醇需要特殊的安全防護(hù)協(xié)議。

2.2 甲醇用作船用燃料的挑戰(zhàn)

盡管甲醇作為船用燃料受到廣泛關(guān)注，但仍面臨技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)能供應(yīng)、技術(shù)創(chuàng)新、燃料成本等諸多挑戰(zhàn)。

1）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

甲醇是全球五大海運(yùn)化學(xué)品之一，已安全裝載和運(yùn)輸了50多年，在此期間不少船級(jí)社和行業(yè)協(xié)會(huì)已制定了許多安全準(zhǔn)則和指南。盡管如此，彼此間仍存在較大差異，尚未規(guī)范統(tǒng)一化。2019年，船用甲醇燃料雖然得到國(guó)際海事組織（IMO）的認(rèn)可；2020年IMO海上安全委員會(huì)第102屆會(huì)議（MSC102）批準(zhǔn)了《使用甲醇/乙醇作為燃料的船舶安全暫行指南》，該指南明確規(guī)定了安全使用船用甲醇/乙醇作為燃料應(yīng)當(dāng)注意的各個(gè)方面的要求，但起草的IGF Part A-2“甲醇/乙醇作為船舶燃料”，至今尚未獲得IMO IGF規(guī)則的最終認(rèn)可[4]。

2）產(chǎn)能供應(yīng)

據(jù)ICIS統(tǒng)計(jì)，2020年全球甲醇產(chǎn)能約1.5億噸/年，產(chǎn)量約1.08億噸，2011～2020年增長(zhǎng)率達(dá)7.2%。由此可見，甲醇資源豐富，生產(chǎn)技術(shù)成熟，具備大規(guī)模生產(chǎn)供應(yīng)能力。然而在2010年之后，全球船用燃料的需求約為3億噸/年，并考慮到甲醇的能量密度約為燃料油的一半，對(duì)應(yīng)的甲醇需求將超過6億噸/年。同時(shí)根據(jù)IHS Markit調(diào)查研究，當(dāng)前綠色甲醇占全球甲醇市場(chǎng)份額不到1%；以歐洲為例，到2027年綠色甲醇產(chǎn)能才有望達(dá)到約120萬噸/年，既使所有已經(jīng)宣布的綠色甲醇項(xiàng)目都按期建成投產(chǎn)，也只能滿足綠色甲醇作為燃料50%的潛在需求。因此為實(shí)現(xiàn)航運(yùn)脫碳，確保足夠的綠色甲醇將是一項(xiàng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

3）技術(shù)創(chuàng)新

甲醇用作船舶燃料，可適用于二沖程和四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，只需對(duì)船舶的發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行較小改動(dòng)即可，所需額外成本相對(duì)較低。但就目前市場(chǎng)來看，傳統(tǒng)甲醇一般被認(rèn)為是航運(yùn)業(yè)實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)的過渡性替代燃料，這是因?yàn)樵谖磥?0年，電制甲醇和生物甲醇的發(fā)展存在一定的不確定性。電制甲醇是由捕獲的二氧化碳與可再生能源產(chǎn)生的綠色能源所制造的氫氣催化合成。生物甲醇是由生物質(zhì)資源制取的合成氣在一定壓力和溫度下催化合成。兩者均需滿足一定的條件進(jìn)行催化合成，而且綠色甲醇，與傳統(tǒng)甲醇相比，還面臨著整體轉(zhuǎn)化效率低的問題。

4）燃料成本

根據(jù)國(guó)際可再生能源署（IRENA）報(bào)告，化石源甲醇的生產(chǎn)成本為100～250美元/噸，生物源甲醇的生產(chǎn)成本為320～770美元/噸，合成甲醇的生產(chǎn)成本為1200～2400美元/噸?？梢姡?dāng)前綠色甲醇的成本至少是傳統(tǒng)船用燃料的2倍，未來裝有綠色甲醇動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的船舶前幾年成本將比傳動(dòng)動(dòng)力船舶高出約15%。如此來看，綠色甲醇與傳統(tǒng)船用燃油相比無優(yōu)勢(shì)，與LNG相比僅在特定環(huán)境下具有一定優(yōu)勢(shì)。

3 對(duì)船用甲醇燃料未來發(fā)展的建議

1）完善標(biāo)準(zhǔn)體系。為實(shí)現(xiàn)船用甲醇燃料安全有序的發(fā)展，完善的標(biāo)準(zhǔn)體系和監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)需要擺在第一位。在船舶設(shè)計(jì)與布置、燃料維護(hù)系統(tǒng)和通風(fēng)等技術(shù)方面，達(dá)成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化；在船用甲醇燃料加注、岸基加注站改造與新建方面，形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化；在船用甲醇燃料生產(chǎn)、運(yùn)輸、補(bǔ)給、使用安全等方面，形成監(jiān)管系統(tǒng)化。

2）發(fā)展相應(yīng)的配套設(shè)施。擴(kuò)大甲醇生產(chǎn)規(guī)模，以滿足工業(yè)原料和航運(yùn)燃料的需求；逐漸配套發(fā)展甲醇水上加注站和加注船，建立相對(duì)完善的加注設(shè)施；提高船用甲醇燃料動(dòng)力設(shè)備、燃料供給系統(tǒng)和安保系統(tǒng)等研發(fā)創(chuàng)新和合作，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定。為更好更快地做好以上配套設(shè)施的建設(shè)，可以發(fā)揮積極的碳稅激勵(lì)和約束作用，以確保市場(chǎng)環(huán)境安全穩(wěn)定，促進(jìn)甲醇燃料船舶及配套設(shè)施健康可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

在全球溫室氣體減排的大背景下，航運(yùn)業(yè)的燃料結(jié)構(gòu)也將由單一的化石燃料向不同的綠色燃料轉(zhuǎn)變。短期來看，船用甲醇燃料既可以滿足IMO 2030溫室氣體減排目標(biāo)，又可以解決營(yíng)運(yùn)船舶改造成本高的問題，是當(dāng)前替代能源中的最佳選擇之一。從長(zhǎng)期來看，雖然甲醇還面臨著不少問題，但隨著未來相關(guān)技術(shù)的開發(fā)和升級(jí)，船用甲醇燃料也將具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。