利用氨作為船用燃料可持續(xù)發(fā)展?jié)u露曙光

李凌/DNV船級(jí)社

氨是海事行業(yè)未來(lái)最有希望的燃料之一，但將其作為燃料選擇絕非易事。需要克服哪些挑戰(zhàn)呢？DNV船級(jí)社與其他公司是如何應(yīng)對(duì)的呢？

氨有股刺鼻的氣味，呼吸的空氣中只需0.5%的氨濃度就足以致命。然而，氨被視為遠(yuǎn)洋航運(yùn)的最佳零碳燃料之一。本文將重點(diǎn)指出在氨燃料船舶投入運(yùn)營(yíng)之前必須回答的一些核心問(wèn)題，包括供應(yīng)、可持續(xù)性、輪機(jī)技術(shù)和必要的安全考量。

供應(yīng)：航運(yùn)業(yè)面臨其他行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)

當(dāng)前，全球供應(yīng)的氨中約80%用作肥料。那么用于航運(yùn)的氨從哪里來(lái)？這個(gè)問(wèn)題有待解決。為了滿足未來(lái)航運(yùn)與全球農(nóng)業(yè)的需求，氨產(chǎn)量必須大幅提升。

“在脫碳背景下，很重要的一點(diǎn)是我們提及氨在航運(yùn)中的巨大潛力時(shí)，我們指的是綠氨。這種燃料的可持續(xù)性取決于其來(lái)源?！盌NV零碳燃料首席研究員Hendrik Brinks解釋道。

供應(yīng)商正在開(kāi)發(fā)綠氨生產(chǎn)框架

氨可分為“棕氨”（產(chǎn)自化石燃料）、“藍(lán)氨”（產(chǎn)自結(jié)合碳捕獲的化石燃料）和“綠氨”（產(chǎn)自電解生成的可再生氫）?！半m然藍(lán)氨生產(chǎn)相比棕氨降低了85%的二氧化碳排放，但只有綠氨才算得上零碳燃料，”他補(bǔ)充說(shuō)。

問(wèn)題關(guān)鍵在于：目前沒(méi)有任何地方生產(chǎn)綠氨。這種局面有望在未來(lái)十年發(fā)生改變?！耙恍┤剂瞎?yīng)商已經(jīng)為生產(chǎn)綠氨所需的框架開(kāi)展了大量工作，包括認(rèn)證、技術(shù)和成本，”Brinks指出。

發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)：首款氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)將于2024年問(wèn)世

雖然綠氨供應(yīng)需要時(shí)間，但發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)。在AEngine聯(lián)合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，MAN能源方案公司、Eltronic FuelTech公司、丹麥技術(shù)大學(xué)和DNV正共同開(kāi)發(fā)首款雙燃料氨動(dòng)力內(nèi)燃機(jī)。AEngine項(xiàng)目得到了丹麥創(chuàng)新基金的資助。今年春天計(jì)劃進(jìn)行燃料測(cè)試，MAN的二沖程型號(hào)預(yù)計(jì)于2024年上市。

“作為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者，我們?cè)诿媾R不同燃料類型時(shí)充滿未知，”MAN能源方案公司雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)首席專家Peter H. Kirkeby表示，“氨引發(fā)了不少興趣，尤其在遠(yuǎn)洋船舶領(lǐng)域具有很大潛力—但開(kāi)發(fā)氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)一直是一大挑戰(zhàn)。最大的障礙之一是如何實(shí)現(xiàn)氨的高效燃燒以獲取最大動(dòng)力，同時(shí)要確保發(fā)動(dòng)機(jī)的緊湊設(shè)計(jì)?！?/p>

燃燒：氨的燃燒速度低于其他燃料

與柴油不同，氨的火焰?zhèn)鞑ニ俣确浅＞徛?，也意味著它的燃燒速度要低得多。它的自燃溫度比之其他燃料也高出不少，大約需要630°C——而柴油的燃燒溫度僅為210°C。一旦開(kāi)始燃燒，維持氨的持續(xù)燃燒要比其他燃料的難度更大。

“當(dāng)然，你還要確保發(fā)動(dòng)機(jī)在加速時(shí)能達(dá)到常規(guī)性能峰值等。我們正在規(guī)劃一種終極混合燃料，包含約95%的氨和5%的引導(dǎo)燃料如船用汽油。未來(lái)甚至可能采用生物燃料。”Kirkeby說(shuō)。

有害排放可通過(guò)調(diào)整燃燒過(guò)程減少

即便采用綠氨，如何減少有害排放也是另一重大挑戰(zhàn)。雖然氨中不含碳，但含有大量的氮，燃燒起來(lái)很可能釋放出氮氧化物和一氧化二氮。據(jù)Kirkeby解釋，氮氧化物排放對(duì)于輪機(jī)制造商來(lái)說(shuō)并不是什么大問(wèn)題?！八鼈兊玫搅擞行Э刂疲ㄟ^(guò)選擇性催化反應(yīng)減排氮氧化物的技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于許多船舶，所以也適用于氨。而更大的挑戰(zhàn)來(lái)自一氧化二氮排放。一氧化二氮?jiǎng)e名笑氣，是危害很大的溫室氣體，比二氧化碳強(qiáng)283倍。我們的方法是利用燃燒過(guò)程本身來(lái)減少這些排放物。”

具體來(lái)說(shuō)，氨的燃燒過(guò)程中，在一定的壓力和溫度窗口內(nèi)產(chǎn)生一氧化二氮排放。“通過(guò)燃燒調(diào)節(jié)，我們可以消除這個(gè)窗口，或者使其進(jìn)入分解所需的溫度和壓力范圍。在我們目前使用的柴油循環(huán)中，已經(jīng)可以很好地加以控制，”Kirkeby說(shuō)。

最后一大挑戰(zhàn)是：如何在不改變基本優(yōu)點(diǎn)的情況下，使成熟的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)適應(yīng)氨燃料?！拔覀儽仨氉屜到y(tǒng)非常簡(jiǎn)單，也可以使用氨。這意味著其模塊化的程度足以輕松排除故障。哪怕燃料屬于有毒物質(zhì)，船員也能掌握直觀的維護(hù)程序。”

液氨運(yùn)輸船是理想的首批用戶

放眼未來(lái)，首批氨動(dòng)力輪機(jī)最有可能安裝在液氨運(yùn)輸船上。目前約有200艘船舶能夠運(yùn)送液氨貨物，通常有40艘可供隨時(shí)裝運(yùn)液氨貨物。這類船舶將成為理想的對(duì)象，因?yàn)橐呀?jīng)把氨燃料作為貨物運(yùn)輸，而船員也具備裝卸氨的經(jīng)驗(yàn)。其他船型如散貨船和集裝箱船也可能效仿。據(jù)DNV預(yù)計(jì)，首批氨燃料船舶將于未來(lái)十年的后五年間投入運(yùn)營(yíng)，但這項(xiàng)技術(shù)的規(guī)?；占安粫?huì)早于本世紀(jì)三十年代初期。

在DNV對(duì)于這種燃料的研究中，氨系統(tǒng)和操作程序的安全性是重中之重。在AEngine聯(lián)合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，DNV負(fù)責(zé)安全方面的工作，將開(kāi)展危害識(shí)別（HAZID）、危害與可操作性（HAZOP）以及故障模式及影響分析（FMEA）。

安全：降低氨的毒性

DNV關(guān)于船用氨燃料的船級(jí)規(guī)范于2021年7月公布，為技術(shù)開(kāi)發(fā)鋪平了道路。其中包括船上儲(chǔ)存、裝卸和加注氨的規(guī)定。這里需要考慮的透氣桅。發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)本身將會(huì)配備雙壁管，這樣含有氨的管道被通風(fēng)處所包圍，一旦泄漏很容易被查明?！斑@是所有替代燃料的通用標(biāo)準(zhǔn)” DNV業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理兼替代燃料專家Christos Chryssakis解釋。其他解決方案如雙阻塞與泄放閥等確保了維護(hù)中可以隔離系統(tǒng)。

“我們關(guān)于氨的船級(jí)規(guī)范是基于氨作為制冷劑和貨物的經(jīng)驗(yàn)。我們不斷更新這些規(guī)范，因?yàn)檫M(jìn)展中的研究提供了必要的深入洞察，以確保系統(tǒng)在裝卸中的安全性和實(shí)用性?！盋hryssakis說(shuō)，“對(duì)首批氨燃料船的設(shè)計(jì)開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估將是下一步的重點(diǎn)工作。

DNV開(kāi)展氨加注研究

除了氨燃料船舶的船上作業(yè)外，DNV近期完成了對(duì)阿姆斯特丹港和奧斯陸港的氨燃料加注作業(yè)的研究，審視了港口發(fā)生大量氨泄漏的潛在后果?！拔覀兛紤]了最壞的場(chǎng)景，包括港口側(cè)供應(yīng)設(shè)施與加注船發(fā)生泄漏的影響。奧斯陸港位于居民區(qū)，面臨著非常大的風(fēng)險(xiǎn)，”Chryssakis解釋。

“我們根據(jù)氨泄漏可能造成影響的半徑，確定了外部安全區(qū)與降低風(fēng)險(xiǎn)措施。對(duì)于奧斯陸港，我們發(fā)現(xiàn)原則上使用冷凍氨加注船的風(fēng)險(xiǎn)水平是可以接受的，因?yàn)閵W斯陸的居民區(qū)不會(huì)受到泄漏影響。但為確保船上的安全操作還有很多工作要做?！?/p>

位于新加坡的全球海事脫碳中心（GCMD）最近也開(kāi)展了一項(xiàng)研究，旨在確定一套強(qiáng)有力的安全導(dǎo)則和操作方案，為當(dāng)?shù)貎商幇奔幼Ⅻc(diǎn)的試運(yùn)行建立監(jiān)管沙盒的基礎(chǔ)。DNV將牽頭這項(xiàng)安全研究，并提供氨需求預(yù)測(cè)、加注點(diǎn)推薦、加注模式概念設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)例如車—船或船舶之間、HAZID/HAZOP/QRA研究以及起草技術(shù)和運(yùn)營(yíng)導(dǎo)則等方面的支持。

“這個(gè)話題包括了很多方面，關(guān)鍵在于全面落實(shí)，確保氨能安全地進(jìn)入船用燃料市場(chǎng)”，Hendrik Brinks說(shuō)，“我們需要嚴(yán)格的安全程序、把氨和控制有害排放的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)納入國(guó)際法規(guī)，并允許直觀的維護(hù)協(xié)議，當(dāng)然還包括訓(xùn)練有素的專業(yè)船員開(kāi)展操作，以及供應(yīng)充足的綠氨。只有這樣，氨才能充分發(fā)揮其潛力，成為最具前景的綠色燃料之一?！薄?/p>