甲醇相較LNG等燃料作為船舶替代燃料的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

王夕友

（中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100028）

1 引言

為了應(yīng)對(duì)船舶污染物排放對(duì)氣候的影響，國(guó)際海事組織（IMO）提出了全球水運(yùn)業(yè)溫室氣體控排計(jì)劃，即到2050年溫室氣體排放量較2008年要降低一半以上，二氧化碳排放要降至5 億噸，在此背景下，水運(yùn)行業(yè)面臨越來越大的減排壓力。在船舶燃料的各種可能替代方案中，甲醇由于其轉(zhuǎn)換成本低、可獲得性高、基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)完善等優(yōu)勢(shì)，也逐漸引起行業(yè)內(nèi)的關(guān)注。因此，有必要分析甲醇與LNG 等燃料相比作為船舶替代燃料的優(yōu)勢(shì)、可行性及挑戰(zhàn)，對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行探討。在船舶綠色化轉(zhuǎn)型和政策的驅(qū)動(dòng)下，水運(yùn)業(yè)開始替代燃料的研究和應(yīng)用，如LNG、LPG、甲醇、氫、氨等。由于替代燃料在獲取方式、能量密度、安全性存在較大差異，這也直接影響了船東的選擇，具體屬性見表1：

表1 替代能源燃料屬性對(duì)比一覽表[1]

2 甲醇作為船舶燃料的優(yōu)勢(shì)

2.1 轉(zhuǎn)換成本低

甲醇與LNG 具有相同的低閃點(diǎn)特性，但與LNG 不同的是，它通常條件下為液體，不需要低溫存儲(chǔ)和絕熱，因此燃料艙的設(shè)計(jì)和建造相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低。甲醇與大多數(shù)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)兼容，現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)使用甲醇的轉(zhuǎn)換成本也明顯低于其他替代燃料。據(jù)2021年7月信德海事網(wǎng)相關(guān)案例介紹，在建造成本上，以54,300 立方米容量的成品油輪為例，使用甲醇燃料的新造船，成本比傳統(tǒng)重質(zhì)燃料油新造船增加約10%，而使用LNG 燃料的新造船，成本要比傳統(tǒng)重質(zhì)燃料油新造船增加約22%。

2.2 比重燃油排放污染物少

據(jù)挪威船級(jí)社（DNV）統(tǒng)計(jì)，在滿足 Tier II 要求排放下，甲醇較HFO 重燃油相比，可減少5%二氧化碳排放，減少30 ～50% 的氮氧化物排放，減少高達(dá)90%～97%硫氧化物排放，顆粒物的排放下降90%。

2.3 原料來源廣泛

甲醇燃料工業(yè)生產(chǎn)，可由合成氣生產(chǎn)，主要反應(yīng)為[2]：

另外，甲醇燃料也可以由甲烷氧化制備，主要反應(yīng)為[2]:

可用于生產(chǎn)甲醇燃料的原料很多，包括煤炭、天然氣、焦?fàn)t氣等。在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件下，天然氣和煤是制甲醇的主要原料，從世界范圍看，天然氣是合成甲醇的最重要原料，約占到80%以上。全球的甲醇產(chǎn)能大部分集中在油氣資源比較豐富、價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯的中東、拉美和東亞等地區(qū)。煤作為制備甲醇原料，由于生產(chǎn)中涉及凈化等方面問題，成本相對(duì)較高，但對(duì)煤炭資源豐富的國(guó)家，仍然以煤作為生產(chǎn)甲醇的主要原料。

CO2和H2也是合成甲醇的優(yōu)質(zhì)原料。在技術(shù)上，由CO2和H2合成甲醇已不存在障礙，但受到原料H2供應(yīng)的限制，無(wú)法大規(guī)模推廣。目前生產(chǎn)甲醇的主要原料H2主要由化石能源制取，但隨著可再生能源制取技術(shù)的成熟，未來可通過綠電大規(guī)模獲取，綠電可以由風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源提供，CO2則可以從碳排放較高的電廠、化工廠等工業(yè)廢氣中大量回收[2]，如果從全生命周期（包括上游和下游的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條）評(píng)估,合成甲醇可實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排高達(dá)90%[3]。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來講，甲醇的來源將擺脫傳統(tǒng)的化石燃料，屬于可再生資源。

2.4 產(chǎn)品供應(yīng)充足、基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)成熟

甲醇制取的技術(shù)成熟，產(chǎn)能規(guī)模體量大，持續(xù)高速增長(zhǎng)。根據(jù)安迅思（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年均增長(zhǎng)率達(dá)7.2%。我國(guó)甲醇行業(yè)發(fā)展很快，近幾年產(chǎn)量得到大幅增長(zhǎng)，現(xiàn)在已是較大的甲醇生產(chǎn)國(guó)，甲醇燃料供應(yīng)充足。

甲醇是一種廣泛使用的工業(yè)產(chǎn)品，存儲(chǔ)和運(yùn)輸已成體系。同時(shí)，甲醇在通常條件下為無(wú)色液體，可借助現(xiàn)有液體燃料基礎(chǔ)設(shè)施，或?qū)ΜF(xiàn)有液態(tài)燃料基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行簡(jiǎn)單改造來存儲(chǔ)。因此，全球很多港口都有供應(yīng)甲醇的潛力，這些都是甲醇燃料相較于LNG、氫、氨等燃料的優(yōu)勢(shì)。

3 甲醇作為船用燃料的可行性

3.1 技術(shù)方面的可行性

甲醇被用作船舶燃料，雖然起步較晚，但已在實(shí)船上的得到了應(yīng)用。2015年，瑞典船東Stena Line旗下“Stena Germanica”號(hào)渡船經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)6 周的改裝后成功下水，運(yùn)輸路線主要集中在德國(guó)基爾港和瑞典哥德堡港之間。該船長(zhǎng)240 米，能夠搭載1500 名乘客，采用甲醇/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，正常情況下，船舶采用甲醇作為船舶主要燃料，柴油作為備用燃料,可見歐洲船用甲醇燃料研究與應(yīng)用均處于世界領(lǐng)先水平。國(guó)內(nèi)在甲醇船應(yīng)用方面起步晚于國(guó)外，但在近期已有建造案例。

船用甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)是在已有柴油機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝而成，同傳統(tǒng)的燃料發(fā)動(dòng)機(jī)類似，甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)更容易設(shè)計(jì)和建造，技術(shù)相對(duì)成熟可行。國(guó)際上居于領(lǐng)先地位的是曼恩和瓦錫蘭公司，能夠提供甲醇船用發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品和改造。其他主機(jī)廠，如溫特圖爾、卡特彼勒、康明斯以及中船等企業(yè)也都在開發(fā)甲醇船用發(fā)動(dòng)機(jī)。目前甲醇船用發(fā)動(dòng)機(jī)的適用功率段及機(jī)型種類較少，但隨著甲醇動(dòng)力船需求增加，預(yù)計(jì)甲醇船用發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)產(chǎn)品的選擇范圍會(huì)更廣。

3.2 經(jīng)濟(jì)方面的可行性

甲醇被用作燃料有幾十年的歷史，受原材料成本等因素影響，價(jià)格具有一定波動(dòng)性，但其價(jià)格已經(jīng)能在等效能源的基礎(chǔ)上與船用柴油的價(jià)格持平[4]。近年來，隨著甲醇生產(chǎn)的主要原料天然氣的產(chǎn)量增加，生產(chǎn)成本已大幅降低，特別是隨著相關(guān)技術(shù)的開發(fā)和升級(jí)，甲醇成為可用的新一代船用燃料的局限性大幅降低。根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)，2025～2050年，甲醇在價(jià)格方面將可與低硫燃油形成競(jìng)爭(zhēng)[4]。但目前采用可再生能源生產(chǎn)的綠色甲醇，成本是傳統(tǒng)船用燃料的兩倍多[4]，燃料價(jià)格翻番意味著運(yùn)價(jià)的上漲。

4 使用甲醇作為船用燃料的挑戰(zhàn)

甲醇作為船舶燃料存在具有毒性較強(qiáng)、安全性差、加注頻率高等缺點(diǎn)。

4.1 毒性較強(qiáng)

甲醇是一種無(wú)色、透明、極易揮發(fā)的有毒液體，可通過飲入、呼吸和皮膚接觸吸收后，影響人的神經(jīng)系統(tǒng)和血液系統(tǒng)，揮發(fā)的蒸汽刺激人體內(nèi)的粘膜和眼睛，長(zhǎng)時(shí)間工作在甲醇的環(huán)境下，必須佩戴防毒面具。甲醇的毒作用主要是甲醇進(jìn)入人體內(nèi)代謝產(chǎn)生的甲醛和甲酸引起的，中毒的主要癥狀有：損傷人的眼睛、神經(jīng)系統(tǒng)和代謝系統(tǒng)，引起的癥狀表現(xiàn)為頭疼、頭暈、惡心、乏力、視力減退等癥狀，攝入量超過10 克會(huì)引起失明，超過30 克以上會(huì)造成死亡。

4.2 安全性差

甲醇的密度比空氣大，揮發(fā)產(chǎn)生的蒸汽比空氣略重，若在通風(fēng)條件較差的區(qū)域泄漏，更容易貼近地表活動(dòng)而接觸到火源。甲醇在空氣中的濃度超過6.7%遇明火可被引燃，爆炸極限的體積比為6～36.5%，危險(xiǎn)性高。在空氣中燃燒時(shí)，火焰顏色非常弱，因此即使點(diǎn)燃，也很難被注意到并估計(jì)火勢(shì)的大小，尤其在明亮的光線下肉眼更難發(fā)現(xiàn)。

4.3 加注頻率高

從表1 可以看出，甲醇的熱值低，質(zhì)量能量密度為19.9MJ/kg，僅為柴油的0.47。體積能量密度低，為15.8MJ/L，所需要的艙容是柴油的2.3 倍。船舶通過改造加裝甲醇燃料艙和供應(yīng)系統(tǒng)將會(huì)提高使用成本。因此，船舶使用甲醇燃料會(huì)受到艙容限制，預(yù)計(jì)未來應(yīng)用主要集中在艙容較大的超大型油船等大型船舶，而對(duì)于結(jié)構(gòu)緊湊、無(wú)足夠位置和空間安裝全航程甲醇燃料艙的船舶，加注頻率將更加頻繁。

4.4 普通甲醇無(wú)法滿足未來碳減排目標(biāo)

從表1 可以看出，甲醇同船用重油比僅可以減少5%的CO2排放，而傳統(tǒng)甲醇主要是天然氣和煤炭為原料生產(chǎn)，以目前的技術(shù)，國(guó)際上最先進(jìn)的天然氣制甲醇單位產(chǎn)品的碳排放強(qiáng)度已達(dá)到0.15kgCO2/kg 甲醇[5]，從燃料全生命周期角度考慮，普通甲醇不能滿足未來碳減排目標(biāo)，只有當(dāng)足夠多的可再生能源用于生產(chǎn)綠色甲醇時(shí)，甲醇的碳減排優(yōu)勢(shì)才會(huì)顯現(xiàn)出來。

5 結(jié)語(yǔ)

甲醇是一種減排效果較好的燃料，應(yīng)用難度小。但從全生命周期考慮，普通甲醇作為船舶替代燃料的減碳潛力較為有限，因此需使用綠色甲醇才能抵消作為船舶燃料產(chǎn)生的排放，但目前綠色甲醇的成本，較船用燃油比高出很多，這是使用這種燃料的一個(gè)最大障礙。因此，甲醇燃料能否成為碳中和最佳燃料仍面臨很大的不確定性。