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航运业减碳:谁才是“终极大BOSS”?

2019-05-27 19:16:00
来源:中国船舶报 编辑: 国际船舶网 我有话要说

资料图 来自foreignbrief.com | 制图 Chio

国际海事组织(IMO)海洋环境保护委员会(MEPC)第74次会议于5月17日在伦敦召开,讨论温室气体减排初步战略实施是其重要议题。在该会议上,会前备受热议的船舶降速方案受到质疑,但同意对集装箱船、杂货船、柴油-电力混动游船、液化石油气(LPG)船和液化天然气(LNG)船等制定更严格的能效标准。业内专家表示,IMO已提出到2050年全球航运业温室气体排放量与2008年相比减少50%,本世纪末实现零碳排放的目标。要达成这一目标,不论是船舶限速还是依靠现有技术,均十分困难。只有在能源技术实现革命性突破时,航运业碳减排及零碳排放的理想才能变成现实。

船舶减速效果有限

MEPC74召开之前,星散航运、Navios、Safebulkers、戴安娜航运等多家航运公司在写给IMO的一份公开信中强调,“迫切需要航运业为解决气候变化作出贡献”。这些航运企业表示,2008年国际金融危机发生后,全球船队中的大部分船舶开始减速,这给温室气体减排带来了显著效果,他们支持法国、希腊等国家提出的有关船舶限速的提议。但业内也迅速出现了相反意见。英国航运公会就表示,新的提案可能导致供应链上更多使用其他碳排放更高的运输方式,比如公路运输,使总体排放反而上升。另外,船舶可能要停靠某些受潮汐限制的港口,晚到1个小时就会导致晚停靠12小时,因为船舶要等待下一次潮汐。除了经济上的损失,多等候的时间也会增加不必要的排放。丹麦和西班牙等国家则担心限速会导致航运公司放弃对环保的投资,从而阻碍新技术的发展。在MEPC74上,大部分IMO成员国对强制限速不感兴趣,他们担心这一举措会降低海上运输的效率,而且不利于研发新的碳减排技术。

业内人士表示,2018年4月,IMO通过了一项关于减少船舶温室气体排放的初步战略,提出了航运业减碳的短期、中期、长期措施,船舶限速就属于其中的短期措施。据悉,该战略的短期减排措施包括完善现有的能源效率框架、研发能效提高的技术、制定能效指标、制定海运减排国家计划、优化船舶速度、减少港口排放、研发替代性低碳或零碳燃油等。

中国交通运输部水运科学研究院研究员、副总工程师彭传圣表示,实践证明,减速航行是实现船舶节能从而减少碳排放的有效手段之一。过去这些年,在全球航运运力过剩的大背景下,大量船舶减速航行,使得航运碳排放有所减少。IMO 本来试图建立“技术、营运和市场”机制,促进航运减少碳排放,在建立了技术机制船舶能效设计指数(EEDI)和营运机制船舶能效管理计划(SEEMP)后,建立市场机制的努力遇到了困难,难以实质性推动航运碳减排工作。目前,航运碳减排有停滞的趋势。

按照规划,2023年,IMO必须制定出实现2050年航运业碳排放比2008年减少50%目标的路线图。彭传圣表示,节约能源、提高能效、使用清洁能源、应用碳捕捉技术等是航运业碳减排的主要手段。其中,船舶减速的碳减排效果有限,能够促使航运大量减少碳排放的动力技术现阶段还不够成熟且应用成本较高,难以达到实用水平。因此,航运业碳减排面临的形势严峻、挑战巨大。

LNG动力仅是过渡

随着近年来国际环保海事法规的密集出台,国际海事界在船舶清洁能源应用方面进行了诸多投入与研发,其中成效最为显著的要属LNG动力船。

有数据显示,全球LNG动力船舶数量正在快速增长,目前在营LNG动力船舶达143艘,在建LNG动力船为135艘。预计至2025年,全球共建造1962艘LNG动力船。韩国的一份研究则指出,至2025年,每10艘新造船中将有6艘是LNG动力船。为此,韩国将投资6亿美元研究开发建造LNG动力船,并在2025年之前建造140艘,包括政府订造的40艘沿近海公务船,民间订造的100艘沿近海客船和客货滚装船。

LNG动力船作为替代燃料中的宠儿,其加注基础设施建设也在紧锣密鼓地进行。欧盟已经投资2.5亿欧元用于船用LNG加注基础设施建设,目前已有近50个船用LNG加注设施投入使用,13个处于建设中,18个处于规划中。韩国则计划到2025年之前,分阶段建设完成国内主要港口LNG加注配套基础设施。我国的长江沿线港口及沿海的舟山也建设了LNG进口和加注终端。这些为LNG用作船舶动力创造了条件。然而,虽然LNG可将硫氧化物、氮氧化物、微粒物质基本降至为零,但其减碳性能并不显著。彭传圣表示,使用LNG取代船用燃油,能减少碳排放20%,如果难以控制甲烷的泄露,减碳效果还要打折扣。伦敦大学学院海事专家Tristan Smith也表示,LNG在燃烧和生产过程中会排放甲烷,而甲烷是一种威力强大的温室气体,对环境的破坏力很大。

彭传圣认为,对于航运业减碳来说,LNG动力注定只能是过渡性解决方案,到了2035年必须舍弃这一方式,才能实现2050年初步战略。“要实现2050年在2008年基础上航运碳排放降低50%,考虑到海运量的增长,单位货物运输周转量要下降70%才行。假设船舶平均寿命25年,如果从现在开始到2035年建造的船舶全都采用LNG动力,那么,只有2035年之后建造的船舶全部是零排放,2050年航运业的减碳目标才有可能实现。”他说。

丰田打造的世界首艘氢动力游艇“Energy Observer”,采用太阳能板收集能量并转化和储存氢气 资料图来自www.superyacht.news

零排放的途径

去年年底,全球航运业领头羊马士基宣布,计划到2050年实现零碳排放目标。随后,该公司与由荷兰皇家菲仕兰、喜力、飞利浦、帝斯曼、壳牌和联合利华等公司组成的荷兰可持续发展联盟启动了全球最大海上生物燃料试点项目,为2050年实现零碳排放目标做准备。试点项目将在马士基Triple-E集装箱船上混合使用高达20%的第二代生物燃料,在荷兰鹿特丹到中国上海间往返航行25000海里。这是全球最大规模使用第二代生物燃料进行的航行试点,将减少150万千克的二氧化碳排放和2万千克的硫排放。马士基负责人表示,目前基于化石燃料技术实现的效率提升只能将碳排放量保持在当前水平,实现航运业脱碳唯一可能的途径是完全转变为使用新型碳中和燃料及供应链。

虽然看起来马士基的计划有些超前,但同为交通装备制造商的汽车厂商奔驰、大众、保时捷均已表示,计划在2039年前实现乘用车的“碳中和”。这意味着该公司将在不到20年的时间里在汽车上全部使用可再生燃料及零碳燃料。彭传圣表示,采用零排放能源是大幅减少船舶碳排放甚至实现船舶零碳排放的最有效手段,虽然目前来看,零排放能源技术还不成熟且比较昂贵,但马士基提出的2050年实现零碳排放的可能性很大,这需要借助市场机制,促进新技术的发展和应用。

现在比较热门的替代燃料甲醇的环保性能与LNG类似,能使硫氧化物、氮氧化物、颗粒物的排放分别减少99%、60%及95%,但减碳性能更强,可降低二氧化碳排放75%~90%。然而,制造甲醇需要大量化石燃料,制造过程中可产生大量的二氧化碳,甲醇的环保性能也因此频招质疑。不过,随着生物甲醇技术的日趋成熟,甲醇有望更加“绿色”。目前,瑞典Stena等航运公司已经开始在船上使用甲醇燃料,而2018年年底,新加坡南洋理工大学和甲醇协会宣布开展甲醇船用燃料测试项目。目前来看,甲醇的可获得性较差,生物甲醇还只能应用于小型船舶。

最优选项在哪里

比甲醇的减碳效果更好,而且研发更热的则是船用燃料电池,特别是氢燃料电池。船用氢燃料电池在运营时,硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳等有害气体的排放几乎为零。

ABB船舶与港口事务部中国区技术负责人鄂飞介绍说,目前,全球对船舶利用氢燃料电池作为动力的研究颇多。作为全球电气化领域的领军企业,ABB一直致力船舶应用氢燃料电池的研究。目前主要分为两种方案,一是为一些较小功率的小型船舶研制几百千瓦级的氢燃料电池,二是为大型远洋船舶研制兆瓦级以上的氢燃料电池。第一种方案适用的船舶大多在某一特定区域运营,尺寸较小,如渡船、小型客滚船等,氢燃料电池用作船舶主动力。ABB目前就正在为法国一家公司的一艘新型推进船提供燃料电池动力和推进解决方案,预计该船于2021年交付。该船将完全依靠氢燃料电池运行,而且由于燃料电池的氢来源于海岸可再生能源,整个船舶能源链将是零排放的。第二种方案适用的最典型的船舶属豪华邮轮。氢燃料电池一般作为混合动力中的一种与传统燃油机结合交替使用。每2兆瓦为一个模块,可以叠加,同等功率的氢燃料电池体积不会超过燃油机。“采用这种混合动力的船舶有时还会配备锂电池,可进行储能和能量缓冲,起到‘削峰填谷’的作用。”鄂飞表示。

由于一直对环保要求更高,欧洲对船用氢燃料电池的研究更早也更深入。德国、挪威、法国、芬兰等国家均开展了氢燃料电池船舶研发项目。2009年,德国公司研发出全球首艘氢动力船舶。该船总长25.5米,型宽5.36米,推进功率为100千瓦级,配备12个氢燃料储罐,一次可携带50千克氢燃料,可连续运行2~3天。法国的氢燃料电池项目包括建立欧洲支持网络,覆盖氢燃料供给链、船舶设计和制造等。

德国公司研发的全球首艘氢动力船舶“FCS Alsterwasser” 资料图来自hzwei.info

全球领先的燃料电池提供商加拿大公司巴拉德,此前主要关注商用车领域的燃料电池产品开发,今年4月宣布成立海事中心,致力于设计和制造满足船舶行业零排放要求的重型燃料电池模块。

日本在燃料电池领域具有明显的技术优势,其在船用领域虽起步晚但发展较快。2015年,日本户田建设与雅马哈发动机联手开发氢燃料电池船舶,并在一艘渔船上实现了实船试航,其最高速度可达37千米/小时,每次加氢可运行2小时左右。另外,三菱重工、Flatfield等对燃料电池在船舶领域的应用也有着持续的研究。川崎重工还研发了全球首艘液态氢运输船,满足未来氢燃料电池的加注需要。

在韩国,大宇造船海洋、浦项制铁能源、三星重工、STX造船都参加了政府牵头的船用燃料电池研发项目或进行了自主研发。韩国政府去年批准在未来5年投资约20亿欧元用于氢燃料电池以及加氢站的补贴,今年年初正式发布名为“激活氢经济发展的路线图”的氢燃料技术研究开发计划,计划第一期研发课题已确定为“以氢燃料电池为动力的船舶、氢(燃料)存储和运输所需用的舱罐等主要技术和设备的研发”。韩国船级社(KR)致力实现氢燃料电池船舶的商用化,计划在2022年前建立千瓦级船舶氢燃料电池稳定安全性的检查和认证体系;在2025年前,为氢燃料运输及兆瓦级船用燃料电池系统构筑起技术基础。

我国对船用氢燃料电池的研究也开展多年,近期还提出了利用氢能实现长江零排放航运计划。2006年,国内第一艘以氢为能源的燃料电池船在上海海事大学问世。中国船舶重工集团有限公司第七一二研究所对船用燃料电池进行了持续研究并取得成效。中国船舶工业集团有限公司所属中船动力研究院有限公司则开展了船舶氢燃料电池动力系统研究,据悉,相关整体方案设计已于近日完成并提交中国船级社(CCS),未来将在示范船上应用。

鄂飞表示,目前,氢燃料电池在船舶上的商业化应用还面临氢气提取、储存困难以及氢燃料电池工程化方面的挑战。他说,通常氢气提取过程中也会产生温室气体等污染,因此,保证整个产业链清洁是一个难题。目前国际上正在尝试利用光伏吸收太阳能等从可再生资源中获取的方式制造氢气,但技术还有待成熟。而氢气作为易爆气体的储存也正在研究中。由于氢气比空气轻,即使逃逸也会向上飘走,因此如何持续保证储存空间的通风性是攻关重点。同时,氢燃料电池应用于船舶还存在如何工程化的问题,如何与船舶工况更好地匹配,如何通过电力配送方式控制发动机、螺旋桨等,都需要进行大量的工程优化工作。

此外,由于需要铂金来做催化剂等原因,氢燃料电池作为船舶动力还面临成本居高不下的问题。

鄂飞认为,氢燃料电池的商业化进程取决于各国政府的扶持力度以及零排放环保法规落地的时间。“目前运营较多的电动汽车一般采用的是锂电池,过去成本也相当高,但在各国政府的大力扶持和市场迅猛增长的情况下,8年时间成本下降了80%多。作为零排放船舶的最优选项,氢燃料电池也是一样,扶持力度大,市场需求多,商业化应用于船舶的进程就会加快。”他说。

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