未来船舶燃料:减少烟雾

ABS的Georgios Plevrakis11 二月 2020
©JEGAS RA / AdobeStock
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船东试图在最有效的航向低碳未来的过程中面临越来越复杂的投资决策。自从IMO确定了2030年和2050年该行业雄心勃勃的减排目标以来,船东就被有关未来燃料和技术的信息所淹没,这些信息可能或可能不会最终降低其机队的碳足迹。

某些新技术有望实现,但是其中许多新技术的日常可行性尚未得到证实。对于许多潜在的燃料也可以这样说。对于这两者,到期时间表与预期解决方案之间的差异很大。然而,正是在这些不确定的时期,一些船东现在发现自己面临着新船的长期投资决策。

但是,决策可能没有看起来那么复杂。可用的燃料解决方案的范围很广,但是在检查每种机载技术(发动机,燃料供应系统,存储,密封等)时,会出现分类法,可用于简化决策。
一旦分类,就短期,中期和长期而言,所有赋能技术(包括燃料)的成熟度(市场准入)和减碳潜力都需要进行评估。

实际上,到2030年及以后,存在三种燃料途径:LNG或“轻气”途径; LPG /甲醇(或酒精)“重气”途径;或“生物/合成燃料”途径。这些都不是互斥的。

前两个技术系列已经提供了减少排放的解决方案,但从广义上讲,最实用的碳“中性”和“零”碳解决方案仍在开发中。

也许最重要的是,选择正确的技术应主要受到两个关键标准的影响:(i)船舶的类型和(ii)其运行状况,即它将在何处进行贸易。

轻气通路

通常,这些是以高能量含量和小分子为特征的燃料。它们广泛地需要更高的要求,主要是低温,燃料供应和存储系统。

“轻气”家族包括液化天然气(液态甲烷)和生物甲烷(生物液化天然气和生物天然气[BNG]形式);后一族的生产需要扩大规模并开发技术,才能使其成为可行的商业燃料。

LNG是一种相对成熟的低碳燃料,如果不考虑甲烷泄漏的影响,则可将碳足迹减少约20%。同样,如果不考虑甲烷泄漏,则可以将源自有机资源的生物甲烷视为碳“中性”。

对于LNG和BNG,减少甲烷泄漏对于它们作为未来燃料的商业潜力至关重要,因此,该行业正积极尝试开发一系列相关的排放控制技术。没有它们,在某些情况下,相对于重质燃料油或海洋瓦斯油(HFO,MGO),使用LNG燃料实际上可以增加运输中的二氧化碳排放量。

从油罐到尾流的角度–船内LNG的消耗–高压柴油循环发动机已经在甲烷泄漏可忽略不计或没有甲烷泄漏的情况下运行。而且还有正在开发和处于测试初期阶段的技术,例如甲烷漏气过滤器,催化转化器等,这些技术最终可以使整个LNG生产链中的碳排放量最小化。

鉴于其目前的二氧化碳减排潜力相对有限,将LNG视为实现2030年减排目标的途径中的一个推动因素很容易而且不正确。给定时间,它的潜力可能会更大。

如果中期证明生物甲烷或电动甲烷(见下面的电动/合成部分)燃料在商业规模上可行,那么LNG的当前碳产量可以与燃料混合物成比例地进一步降低。 BNG或电动甲烷燃料潜在地实现碳中和,并且目前有大量的行业投资致力于探索这些解决方案。

从时间尺度上看,轻气路径的末端是氢气,氢气至少需要十年才能证明其可作为商业船用燃料。那可能很雄心勃勃。途中有很多技术障碍,最大的障碍是存储。还需要进一步的研究,以确认最有效的利用氢气进行船舶推进的方法:燃料电池和燃气轮机是潜在的解决方案,但距离运营可行性或成本效益还有很长一段路要走。

尽管氢是生存能力中最轻的一种,但它具有巨大的前景。它可能具有最低的能量密度(单位体积能量),但具有最高的能量含量(单位重量能量);一个单元将提供等量的LNG或HFO能量的三倍。它可能是零碳船用燃料,但要使其成为实际解决方案,还需要大量技术进步。

重气通道
通常,这些燃料由重,更复杂的分子组成,比轻气族具有更低的比较能量含量,并且它们对燃料的供应和存储条件的要求较低。

重气燃料包括液态石油气(LPG),甲醇(和乙醇,作为酒精族的一部分),生物甲醇,以及最终氨。以甲醇的形式使用时,它可以减少约10%的二氧化碳排放量。如果它们能够以商业规模获得,则生物甲醇和电甲醇可能是碳中和的。

由于其中一些燃料的能量含量非常低,因此它们可能仅适用于有限类型的船只,行业和航线;可能需要在船舶的典型交易回路上多次停油。液化石油气是一个例外,液化石油气的使用尚未像液化天然气那样成熟,部分原因是其减少排放的潜力较小,并且面临着不同的安全挑战。

就成熟度而言,像液化天然气,液化石油气和甲醇一样,已经成为当前技术组合的一部分。它们的生物衍生物是中期考虑因素,因为运输需要等待技术成熟和大规模生产燃料。

氨燃料发动机目前不可用,首批交付还需要3至4年。先行者可能来自氨载体社区。如果在生产过程中使用可再生能源,氨可能是零碳燃料,这会增加成本。它的潜力已经见证了用于氨燃料的支线船的最新设计。

但是,需要建立全面的供应方基础设施,以使燃料在商业上可行,并实施新的,严格的安全法规,因此,最好从长远角度考虑实际使用。

生物/合成途径:
这些是通过生物来源的原材料和来源生产的燃料。原则上,液体形式的稠度非常接近于柴油,这可以最大程度地减少使用它们需要开发的新船上技术的数量,以及对当前船舶设计进行的任何更改。

当前,使用最广泛的是生物柴油,即FAME(脂肪酸甲酯),它是最新的ISO(8217/2017)船用燃料混合物规范的一部分,并且由所有石油巨头提供。该标准允许在燃料混合物中使用7%的生物柴油,但一些船东正在测试20-100%的更丰富的混合物。

由于它们的生产对环境有影响(限制了它们减少生命周期排放的潜力)并且它们争夺粮食作物,因此第一代生物燃料引起争议

另一种提议的生物燃料是HVO(加氢处理的植物油),它具有很高的能量含量,类似于MGO。 HVO可以在进行加氢处理的现有炼油厂中生产。最终产品是一种非常稳定的燃料,具有非常好的性能和较低的氧化风险。
生物/合成燃料系列包括通过碳捕获和电解或将生物质产生的合成气转化为液体燃料(例如甲醇或柴油)而产生的气液或GTL品种。

这些燃料是船东的中长期选择。但是,由于它们可能是“即插即用”的解决方案(即用型生物燃料),可以最大程度地减少资本支出,因此,主要的国家和部门航运公司正在积极探索电动合成燃料。
从长远来看,第二代和第三代生物燃料(例如,来自废物生物质,语言纤维素[木本植物纤维]或藻类的生物燃料)也有潜力为国际运输提供超过其当前年度需求的燃料量。

面向未来的船舶设计:

当前许多中长期解决方案的到期时间表非常灵活,因此要确保新船设计的前瞻性,一种方法就是引入更多的电气组件,例如电驱动和/或推进。如果车主选择电动驱动,则车载电力的产生与燃料无关。它可以来自燃料电池,电池或任何组合,也可以来自使用液化天然气或甲醇运行的发动机。

如果/以后需要升级某个组件,则该组件已经安装了电驱动器。这是最先进的船东和租船人看待未来的方式。

这样,当/如果推进系统过时,则不必完全更换。发动机可以更新以燃烧另一种燃料。或者,如果在经济上可行的话,如果燃料电池技术在未来20年中有足够的进步,那么它们可以替代发动机。

当然,当前的电力推进系统还需要克服一些挑战,但是仍然会建议业主开始将电气装置引入其设计中:功率输出或输入;尽量减少柴油发电机;优化发电机和原动机负载;并使整个设计更有效率。这样,车主将朝着最小化其车队的碳足迹迈出又一小步。

关于作者

Georgios Plevrakis是美国航运局的全球可持续发展总监。

分类: 燃料和润滑油, 船级社, 船级社