駛向2050，液化天然氣運(yùn)輸船 “碳達(dá)峰”之路

摘 要：隨著航運(yùn)業(yè)的“雙碳”目標(biāo)不斷推進(jìn)，國際海事組織（IMO）以及歐盟對船舶排放提出了更加嚴(yán)苛的要求并將甲烷逃逸納入碳強(qiáng)度指標(biāo)（CII）評級重點(diǎn)考核對象。面對未來液化天然氣（ LNG）運(yùn)輸船在排放上可能遇到的困境，本文認(rèn)為對于近期以及未來能夠使船舶能效受益的技術(shù)手段作出相應(yīng)的研究和規(guī)劃是有必要的。

關(guān)鍵詞：能效提升；混合動力；電池技術(shù)；甲烷逃逸

0 引 言

IMO MEPC第80次會議修正了船舶溫室效應(yīng)氣體減排戰(zhàn)略，這些措施極有可能在2025年春季MEPC第83次會議期間得到批準(zhǔn)。與此同時，CII評級的全方位展開已經(jīng)一年有余，歐洲正式啟動“碳稅”政策。因此，綠色航運(yùn)已經(jīng)是各大船公司的重要研究對象和未來幾年發(fā)展的關(guān)鍵。其中，綠色船舶的發(fā)展至少由碳排放的“達(dá)峰”和“中和”兩個部分組成。結(jié)合最新政策，2040年這一最重要的節(jié)點(diǎn)需要在2008年的基礎(chǔ)上減少70%的溫室效應(yīng)氣體排放總量，那在2025年這個節(jié)點(diǎn)前后建造的船舶就需要擁有絕佳的能效優(yōu)勢，為可預(yù)期的未來作好準(zhǔn)備。而2050年這一個尚未完全確定的節(jié)點(diǎn)，也可以看作是各大航司需要努力完成凈零排放的目標(biāo)。所以，在完成船舶運(yùn)輸過程的凈零排放之前，航運(yùn)公司應(yīng)當(dāng)促使船廠以及船舶設(shè)計(jì)公司竭盡全力優(yōu)化船型設(shè)計(jì)、研究可行的技術(shù)方案、提升推進(jìn)效率，使得船舶本身的碳排放降到最低。這樣，無論將來是通過技術(shù)升級改造來完成船舶運(yùn)輸過程中的“碳中和”，還是通過“碳交易”的手段來維持船舶運(yùn)營都將花費(fèi)更少的代價。本文通過剖析LNG運(yùn)輸船當(dāng)前的處境，分析燃料使用的優(yōu)先級并決定可用的短期或中期能效提升方案，以及未來具有前景的船舶技術(shù)方案。

1 LNG運(yùn)輸船現(xiàn)狀

由于甲烷的高熱值、低碳及富氫性，業(yè)內(nèi)人士普遍對于LNG運(yùn)輸船以及雙燃料動力船的能效以及減排壓力持樂觀態(tài)度。長期以來，產(chǎn)業(yè)鏈的上中下游趨向于認(rèn)同LNG運(yùn)輸船很難受到排放政策制約并影響到船隊(duì)運(yùn)營。但由于IMO對于LNG船舶的甲烷逃逸、泄漏以及排放相當(dāng)重視，而甲烷作為第二大溫室效應(yīng)氣體，對于LNG運(yùn)輸船的CII指標(biāo)已經(jīng)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

從目前來看，以往使用四沖程奧托循環(huán)主機(jī)作為原動機(jī)的電力推進(jìn)系統(tǒng)，由于較高的甲烷逃逸量， CII評級不盡如人意，而最早使用熱效率較低的蒸汽輪機(jī)船型或?qū)⒚媾R更加困難的處境。此外，現(xiàn)在主流的中船溫特圖爾（WINGD-XDF）低速低壓雙燃料主機(jī)船型，在燃?xì)饽Ｊ较乱彩菉W托循環(huán)。如果不使用任何后處理技術(shù)，CII 評級的結(jié)果也不容樂觀。因此，船型的不斷優(yōu)化以及升級換代勢在必行。

2 LNG運(yùn)輸船的燃料選擇

最近幾年，我們可以看到馬士基、中遠(yuǎn)海運(yùn)集運(yùn)等班輪公司開始加碼甲醇雙燃料船的投資和建造。我們可以從圖1看到，甲醇除了單位體積能量值比LNG略低，需要的燃料艙略大以外，具備在常溫下可貯存的先天優(yōu)勢。這也意味著甲醇雙燃料船舶在未來技術(shù)漸漸成熟之后，在建造成本上具備優(yōu)勢。從表中可知，液氨即便在-34℃的情況下，單位體積具備的能量密度幾乎是LNG 的一半，更何況在燃燒時會產(chǎn)生氮氧化物、一氧化二氮以及可能面臨的氨泄漏風(fēng)險(xiǎn)。在氨燃料主機(jī)以及后處理裝置尚未成熟的情況下，這種可替代燃料很難成為船舶所有人當(dāng)下的選擇。最后，我們看看擁有較高單位熱值的LNG。雖然單位體積的能量密度僅僅略高于甲醇，但是單位質(zhì)量的能量密度卻是甲醇的2.5倍以上。對于可以利用自然蒸發(fā)氣的液化天然氣運(yùn)輸船，不需要設(shè)計(jì)額外燃料艙的優(yōu)勢使得甲烷成為LNG運(yùn)輸船適配度最高的燃料。同理，其他氣體運(yùn)輸船如乙烷運(yùn)輸船、液化石油氣運(yùn)輸船以及未來的液氫運(yùn)輸船，都具備相似的特點(diǎn)。

從圖2中[1]我們可以看到，LNG被該文作者綜合評定為適應(yīng)性最好的清潔船用能源。而氫和氨雖然都是零碳能源，但在供應(yīng)問題和技術(shù)成熟度方面顯然還有很長的路要走。即便將來LNG運(yùn)輸船使用了其中的某一種燃料進(jìn)行替代，也需要配備一套更為先進(jìn)的、容量更大的再液化裝置來減少貨物的消耗并杜絕貨艙無法承壓而造成甲烷直接向大氣排放?？偠灾?，其他替代燃料想要應(yīng)用在LNG運(yùn)輸船上，需要在船舶設(shè)計(jì)上作出大量的妥協(xié)和讓步?；谶@些燃料的特性，目前船舶能效的提升依然應(yīng)該基于使用天然氣作為燃料來進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

3 短期和中期能效提升

從目前來看，影響LNG運(yùn)輸船溫室效應(yīng)氣體排放的主要因素有：（1）貨艙的蒸發(fā)率； （2）主、輔機(jī)所需消耗的天然氣 ；（3）船舶本身的推進(jìn)效率 ；（4）甲烷逃逸。 其中，奧托循環(huán)主機(jī)在燃?xì)饽Ｊ较碌募淄樘右荼厝淮嬖?，只能通過后處理設(shè)備減少逃逸量。而前面3個因素又相互交錯，彼此影響?；诋?dāng)前17.4萬m3LNG船舶19.5 kn的設(shè)計(jì)航速，之前使用珍珠巖作為絕緣材料的貨艙蒸發(fā)率為0.15%，每天的貨艙產(chǎn)生自然蒸發(fā)氣約110 t。該型船舶必須維持全速才能夠基本消耗這部分自然蒸發(fā)氣并維持艙壓，這也意味著這類船型很難運(yùn)營在經(jīng)濟(jì)航速。在其他工況下，包括在滿載離港、拋錨以及遇大風(fēng)浪需要降速的情況下都需要打開氣體燃燒裝置來消耗多余的蒸發(fā)氣。若不加裝再液化裝置，扣除從主機(jī)逃逸的甲烷，剩余的自然蒸發(fā)氣都將轉(zhuǎn)化成CO2排放到大氣中。隨著技術(shù)的發(fā)展，改裝再液化裝置已經(jīng)成為了可能。在2022年，中海油的“海洋石油301”號LNG運(yùn)輸船通過加裝加注系統(tǒng)、氣體燃燒裝置以及再液化裝置搖身一變成為了LNG加注船。Montgomery和Chudley[2]分析了150 000 m3雙燃料電力推進(jìn)（DFDE）船型加裝再液化裝置的可行性，并得出了該裝置提高了船舶在經(jīng)營上的靈活性并鞏固了市場競爭地位，而經(jīng)濟(jì)方面的價值則取決于貨物的市場價格。

對于現(xiàn)在使用玻璃棉作為絕緣材料的船型，貨艙蒸發(fā)率的下降使得每天產(chǎn)生的自然蒸發(fā)氣在80 t左右。但由于現(xiàn)有船型使用了低速雙燃料主機(jī)直接推進(jìn)從而提高了能量轉(zhuǎn)換效率，船型的迭代又使得總體阻力降低了不少，因此船舶總體推進(jìn)效率的提升也使得燃料的消耗同步減少，船舶在18 kn以下速度航行時依舊不能消耗完自然蒸發(fā)氣。如果想要獲得靈活的船舶操作和經(jīng)營空間，再液化裝置基本已經(jīng)成為一個必不可少的設(shè)備。因此，在短期內(nèi)，配備部分再液化裝置也成為了減排、創(chuàng)收的關(guān)鍵設(shè)備。此外，有研究表明[3] ，配備廢棄再循環(huán)的低壓二沖程奧托循環(huán)主機(jī)，可以減少約30%的甲烷逃逸量并直接滿足氮氧化物Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，讓新造船配備廢氣再循環(huán)系統(tǒng)是一個不錯的選擇。

對于中期減排方案——也就是在2030年左右，基于目前可行的技術(shù)，新造船直接配備軸帶發(fā)電機(jī)可以使得船舶在日常航行過程中減少輔機(jī)的運(yùn)行時間，在海況良好的條件下可能只有在進(jìn)出航道、離/靠泊港口的情況下需要依賴輔機(jī)發(fā)電。Kuittinen、Heikkila和Letoranta的研究[4]同樣表明，四沖程主機(jī)在25%及以下低負(fù)荷運(yùn)行時的甲烷逃逸量可能高達(dá)70.2 g/kWh，且即便是運(yùn)行在75%的高效區(qū)間，甲烷的逃逸量也可能高達(dá)6.4 g/kWh。所以，減少船舶發(fā)電機(jī)的運(yùn)行時間以及不必要的低效率運(yùn)行對于提升CII指數(shù)大有裨益。如果無法避免短時間的低負(fù)荷運(yùn)行，則建議使用燃油模式。

4 未來可行的技術(shù)方案

未來，也就是2040-2050年之間，在2024年前后建造的LNG運(yùn)輸船將陸續(xù)退出市場。而這一階段的新造船項(xiàng)目不僅需要在能效上力求“碳達(dá)峰”，也需要為2050年IMO可能實(shí)行的凈零排放政策作好準(zhǔn)備。而對于長期往返于歐洲地區(qū)的船隊(duì)，則需要直面零碳問題。那么，2040年之后LNG運(yùn)輸船所使用的技術(shù)方案也應(yīng)當(dāng)從現(xiàn)在開始考慮。

4.1 電池技術(shù)

基于現(xiàn)在配備廢氣再循環(huán)技術(shù)的LNG運(yùn)輸船，由于沒有了氮氧化物催化還原裝置（SCR）對于空間的大量占用，釋放的機(jī)艙空間給予船舶更多的空間來設(shè)計(jì)蓄電池室。現(xiàn)在電池的能量管理系統(tǒng)是比較成熟的，有了大容量電池組之后，在一段時間內(nèi)可以使得部分發(fā)電機(jī)組處于待機(jī)狀態(tài)。這將大幅減少發(fā)電機(jī)組使用的時間，降低維護(hù)保養(yǎng)的成本。此外，如果船舶同時搭配軸帶發(fā)電機(jī)使用，甚至可以考慮從現(xiàn)在17.4萬 m3LNG運(yùn)輸船所配備4臺發(fā)電機(jī)組中減少1～2臺。假設(shè)船舶配備總?cè)萘繛?8 MWh的電池組，按當(dāng)前電池能量密度預(yù)計(jì)重量不小于120 t，應(yīng)當(dāng)分艙室并分電池組左右舷布置。若船舶至少配備額定功率3 690 kW和2 770 kW的發(fā)電機(jī)機(jī)組各一臺，根據(jù)船舶不同工況的耗電需求和發(fā)電機(jī)組組合，可以得到不同的電池使用模式。表1和表2是不同情況的簡單列舉和估算，表中假設(shè)電池荷電狀態(tài)（SOC）為20%～90%，發(fā)電機(jī)負(fù)荷維持在80%左右的高效區(qū)間。

從表3中我們可以看到，在船舶全速前行時，若配備2臺1.8 MW功率的軸帶發(fā)電機(jī)，船舶電網(wǎng)還有較多冗余的電力可以給電池組進(jìn)行充電。而開啟一臺發(fā)電機(jī)時，電力冗余比較小，所以只能給部分電池組充電。當(dāng)然，若需要加速充電也可以將發(fā)電機(jī)功率適當(dāng)提高至85%或者額外再打開一臺發(fā)電機(jī)。關(guān)于電池充電模式則需要根據(jù)船舶的實(shí)際需求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。

可行性評測：不配備軸帶發(fā)電機(jī)的方案實(shí)際應(yīng)用較為簡單，具有較高的可行性。而軸帶發(fā)電機(jī)若僅僅使用Power take-off（PTO）模式，在控制系統(tǒng)上也并不復(fù)雜，但使用電池技術(shù)需要做好電池間的通風(fēng)排氣并注意好消防設(shè)備的布置。

4.2 岸電技術(shù)

由于LNG運(yùn)輸船裝卸貨開啟貨泵以及高負(fù)荷壓縮機(jī)需要消耗大量電能，一般必須保持2臺發(fā)電機(jī)的高效運(yùn)行才能滿足用電需求。而隨著政策的不斷推行，港口近/零排放的時代即將到來，因此我認(rèn)為通過岸電給船舶在港口進(jìn)行裝卸貨操作是必然也必須普及的。此外，配備動力電池組的船舶在進(jìn)行港口作業(yè)的時候也可以使用岸電把電池組在離港前充滿，從而減少發(fā)電機(jī)對電池進(jìn)行充電的時間以及燃油消耗。換言之，岸電技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可以引領(lǐng)相關(guān)船舶技術(shù)的加速前進(jìn)。岸電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示[5]。除此之外，還必須配備諸如自動并網(wǎng)裝置、電纜的快速連接和計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)等。

可行性評測：該技術(shù)應(yīng)該會被大力推廣，本身技術(shù)難度不高，主要問題在港口的基建和配套，且部分國際重要郵輪母港已經(jīng)陸續(xù)使用岸電為郵輪進(jìn)行供電。所以，該方案可行性很高。

4.3 混合動力推進(jìn)

對于該方案，筆者長期以來一直非常推崇?；靹酉到y(tǒng)應(yīng)當(dāng)是船舶未來幾十年發(fā)展和靠攏的目標(biāo)且最終成為高能效船舶的最終方案之一。該技術(shù)方案需要對2種推進(jìn)方式進(jìn)行分類討論。其中，綜合電力系統(tǒng)在電能的儲備、使用以及控制上比較靈活。船舶需要考慮的是電池間的設(shè)計(jì)以及重量和空間的分布。從目前來看，超級游艇等不計(jì)成本的船舶已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)這一功能，并且取得了不錯的節(jié)能減排效果。荷蘭著名的超艇制造商FeadShip（斐帝星）分別在2015年和2023年交付了混和動力動超級游艇。其中，最新的“Obsidian（黑曜石）”號船長84.2 m，配備了4.5 MWh的電池組，可以使用電池以10 kn速度巡航35 n mile，也可以在拋錨時提供10 h以上的供電。第二種方案是低速主機(jī)配合永磁軸帶發(fā)電機(jī)，其中永磁發(fā)電機(jī)的效率相比傳統(tǒng)的電勵磁電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率要高出3%～4%，在低維護(hù)成本的情況下還能最高提供17%的燃油效率，而ABB最新的AMZ1400軸帶發(fā)電機(jī)不僅占用空間小，還實(shí)現(xiàn)了Power Take-in（PTI）和Power Take-Home（PTH）模式，可以進(jìn)一步提升船舶效率和安全冗余度。目前，HimalayaShipping旗下的12艘21萬載重噸雙燃料散貨船訂單都已確認(rèn)配備該裝置。

可行性評測：混動技術(shù)是基于電池技術(shù)的一個進(jìn)步，是對儲能裝置功能上的進(jìn)一步挖掘，同樣也是船舶能效達(dá)峰的重要手段。目前來看，功能性的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)不是問題，對于電能轉(zhuǎn)換和傳輸效率需要進(jìn)一步的研究，對于船舶建造和改裝的成本問題要在將來加以核算。

4.4 甲烷氧化催化裝置

甲烷的氧化催化裝置是通過使用氧氣配合催化劑將廢氣中一定濃度的甲烷變成二氧化碳和水的混合物。由于甲烷的碳排放強(qiáng)度是二氧化碳的28倍之多，且在未來的20年時間尺度上增溫效應(yīng)將變成二氧化碳的80多倍，甲烷如此高的碳強(qiáng)度使得這項(xiàng)技術(shù)的研究得以開展。中國科學(xué)院上海硅酸研究所取得成果，報(bào)告[6]表示“使用ZnO-CoNi固溶體擔(dān)載的NiO納米晶催化劑，在連續(xù)反應(yīng)條件下，對100 ppm和5 000 ppm甲烷的催化完全氧化效率達(dá)88%和37%”此外，Ros和Monteiro等人的研究[7]表示，將甲烷的氧化催化裝置安裝在碳捕捉裝置之前能夠使得2個裝置之間產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，將大幅度提高溫室效應(yīng)氣體的移除率。

可行性：這一集成裝置還處于研發(fā)階段，很有可能在將來成為在技術(shù)層面完成碳中和的最終手段。但實(shí)際應(yīng)用需要考慮成本問題，與“碳交易”方式需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比對。

5 結(jié) 語

“雙碳目標(biāo)”必然對航運(yùn)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。其中，“碳中和”雖然是最終目標(biāo)，但“碳達(dá)峰”這一必然的過程卻顯得格外重要。由這樣一個目標(biāo)所引發(fā)的綠色技術(shù)創(chuàng)新不僅能夠持續(xù)有效的提升船舶能效、降本增效，也為將來實(shí)現(xiàn)“碳中和”減輕負(fù)擔(dān)、降低成本。LNG運(yùn)輸船作為“皇冠上的明珠”本應(yīng)走在綠色航運(yùn)的最前列，而其本身對于低碳燃料的利用也使之具備了更加良好的基礎(chǔ)。筆者相信，隨著文中所述技術(shù)手段的不斷成熟，LNG運(yùn)輸船的能效指數(shù)將不斷創(chuàng)新高。

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[7] Ros J A， Monteiro J， van den Akker J T， et al. Post-combustion Carbon Capture and Storage on LNG Fuelled Ships[C]//Conference Proceedings of INEC. 2020.

作者簡介：徐哲軒，技術(shù)管理部主管，（E-mail） xu.zheuan@coscoshipping.com