海洋卫士压载水

中韩日欧各具特色的氨动力船发展路径

2021-11-03 22:10:22
来源:中国船检 编辑: 国际船舶网 我有话要说

由海事、能源、金融、基础设施等行业中的众多领先企业组成的“零排放联盟”(Getting to Zero Coalition)在其发布的“海事零排放试点示范项目报告(第二版)”中,提到了“绿色航运”的一个重要趋势——氨燃料动力系统产业研发和应用发展受到更多关注。这份报告提示,全球与航运减排相关的大型氨项目仅在2020年就增加10个,示范工程总数达到14个。这表明使用氨燃料是推动船舶零碳排放的重要手段。

氨之所以被认为是可行的零碳燃料,其一在于高沸点(-33°C)的特性适于在适当的低温环境下运输,交易过程的运输便捷性较强;其二在于产量和存储/加注设施充足,全球氨产量预计在2050年达到1.5亿吨,约120座港口配有大规模氨存储设施,这为其用作远洋清洁燃料奠定了使用基础;其三在于由产能增加和边际生产成本减少而推导出的市场价格随之降低。正因如此,一些有实力的航运大国均通过有效方式推动氨动力船舶发展。

欧洲“因地制宜”

经历过两次工业革命的欧洲对城市发展的追求再纯粹不过,很多欧洲人有着强烈的环保意识。这种观念也直接映射到海运业。绿色船舶的核心在于主机,而欧洲在设计制造高性能发动机领域处于领先地位。谈到欧洲在绿色航运方面起步较早的原因时,中国船舶工业综合技术经济研究院船舶标准化研究中心工程师李睿男认为不仅在于技术领先,“还得益于在配套设备方面积累了丰富的经验,并且在这一领域具有很强的产业竞争实力。”

去年年初,瓦锡兰(Wärtsilä)启动了氨燃烧测试,旨在帮助行业实现降低船舶温室气体排放的目标。“首次测试取得了满意成果,我们将继续优化燃烧参数,以为船东提供他们需要的发动机和燃料系统。”瓦锡兰在一份声明中称,该公司还在着手获得欧盟“地平线2020”计划(Horizon 2020)资助的ShipFC项目部分氨储存和供应系统,其目的是证明氨动力远距离航行的可行性。瓦锡兰主要在中高速机领域开展合成甲烷、氨、氢气和甲醇燃料的研究工作,预计推出的氨混合燃料发动机中的氨比例可达70%,2023年或推出纯氨燃料发动机。中国船舶工业综合技术经济研究院高级工程师赵羿羽也表示,欧洲更加偏重于发动机研发,曼恩公司(MAN)已参与多家船厂的零排放船舶开发工作。今年4月,礼诺航运与船舶设计公司Deltamarin合作推出一款“Aurora级”零排放汽车运输船就配备了曼恩公司的多燃料发动机,稍作修改即可使用氨燃料。当前,全球氨燃料动力船(主要为集装箱船、油船、散货船等主流船型及液化气船)处于研发阶段,但中国、日本和韩国的航运企业和船厂普遍与欧洲发动机厂商合作,简而言之,欧洲聚焦用于绿色船舶配套设备产业,这条路径也坚实地撑起了全球绿色船舶的发展。

虽然国际海事组织(IMO)出台的一系列严苛环保措施倒逼相关企业重视氨燃料使用,但欧盟、欧洲一些国家政府、科研院所和大学都愿为项目研究提供重要的资金支持,比如欧盟通过“连接欧洲设施”(CEF)计划向140个关键运输领域项目注入近22亿欧元,并投入约1.42亿欧元用于支持绿色燃料的研发与使用,其中不乏多个与氨相关的项目。众所周知,欧洲更像是一个紧密的国家联合体,一体化意识渗透至各领域,竞争对手似乎只限于欧洲以外。这种“联合”的特点可以让欧洲轻松地铺开“绿色网络”,比如一些项目已经涵盖了从氨气生产方法、氨气工厂建设到氨燃料使用、氨动力船研发等方面。雅苒集团(Yara)和沃旭能源(Ørsted)联手开发的100兆瓦风力电解厂项目旨在通过可再生氢取代化石氢来合成氨,这一创新性的合作每年可生产7.5万吨绿色氨,从而为船舶用氨提供更多机会。这不仅是一个独特的脱碳项目,更是欧洲的一项战略投资——为绿色氨建立全新的价值链。“目前,海事界正在探索几个关键问题,如替代能源产业链和新集群构建、产业链碳足迹与碳中和方案、新能源技术应用可行性论证。”李睿男说,这些领域需要能源行业和船舶、航运业共同努力,而欧洲的联合开发模式具备一定优势。

中韩发力船型研发

“欧洲对于氨动力船型开发项目相对较少。相比之下,我国和韩国的多家船厂则走在前列,多艘船型设计已获得船级社原则性批准(AiP)。”赵羿羽说。2019年,上海船舶研究设计院设计的18万吨级氨动力散货船和大连船舶重工集团有限公司联合曼恩公司设计的23000TEU型氨动力集装箱船方案均获得原则性批准,这是我国开发绿色船舶和清洁能源应用方面的开创性举措,也是海事界探索和测试氨燃料作为大型动力的关键。最近两年,江南造船(集团)有限责任公司研发的氨动力超大型液化气体运输船(VLGC)和中型液化气体运输船(MGC)也获得了AiP证书。2021年8月初,外高桥造船有限公司最新研发的氨动力21万吨级散货船成功获得AiP证书,该船型由我国自主研发设计,配置相应的氨燃料存储和供应系统,针对船舶线型、总体布置、船体结构、燃料舱和设备配置进行一系列优化,并开展风险识别分析(HAZID),以确保航行过程中氨燃料使用安全。

要实现“3060”目标(2030年前实现“碳达峰”,2060年前实现“碳中和”),必须创新技术应用,而上述实例也表明,我国主要聚焦于氨动力相关船型研发,部分船型更是属于全球首创。有业内专家认为,这体现出我国政府引导大型企业创新应用、自主研发的重要性。“单纯依靠市场的力量不足以凸显核心竞争力,必须从国家战略层面进行宏观统筹,两头发力才是最佳方法。”我国拥有全球规模最大的造船集团和航运企业,其对于氨动力船舶的设计和氨燃料的使用,会对我国绿色船舶产业链的发展起到非常强的促进作用。

在氨燃料发动机技术方面,中国船舶集团有限公司第七一一研究所已经开展了气道低压喷射、缸内高压喷射、预燃室引燃、缸内柴油引燃等多条组合燃烧组织路径研究,完成了氨燃料供给喷射系统、氨发动机安全性、涉氨零部件耐腐蚀性、氨发动机集成控制等关键技术研究,预计在2025年具备示范应用条件。

现代尾浦造船、大宇造船、三星重工等企业也开展了氨动力油船和集装箱船的设计工作,如5万吨级氨动力MR型油船、85000-125000吨级苏伊士型氨动力油船、115000吨级阿芙拉型氨动力油船和23000TEU型氨动力集装箱船。而为满足未来航运对氨燃料的强劲需求,韩国造船海洋与乐天精密化学、乐天物流、浦项制铁、现代商船和韩国船级社签署了一份协议,旨在引领绿色船舶和绿色航运的氨运输及燃料加注。

尽管一些开发与氨相关的技术标准如今并不算太大的新闻,但同一国家多家全球领先企业签署涵盖氨燃料全价值链协议尚属首次。根据协议,各方将共享各自拥有的氨燃料生产、分销基础设施,以及造船、海运信息,韩国造船海洋公司负责开发氨动力船和氨燃料加注船,现代商船与乐天物流负责船舶运营,乐天精密化学则负责运输和储存由浦项制铁在海外工厂生产的氨。李睿男说:“虽然韩国暂未公布明确的海运减排行动方案,但结合行业新闻,可以看出其正在围绕全生命周期研究减少船舶碳排放的方法,协同打造氨燃料的海上运输产业链,抢占氨动力船舶和氨燃料产业发展先机。”

日本项目特色明显

 “客观来讲,日本承担了很多与航运业温室气体减排相关的国际工作,而日本的减排行动体现出了‘自上而下’的特点,按照各时间节点设计要求,明确主要任务,从顶层设计目标推动行业落实。日本提出了两个技术路径,其中之一便是扩大船舶使用氨(和氢)等零碳排放燃料。”李睿男说。

2020年,日本国土交通省发布《日本航运零排放路线图》,为2028年前后全面引入船舶动力替代燃料确立了重点试点项目和攻关技术,其中包括加快双燃料发动机项目试点,通过开展氨/氢燃料试用,实现2026年前将其应用于沿海小型船只上的目标,并随着技术的完善,拓展应用至大型远洋船舶,力争到2028年实现商业航运。基于将氨作为核心船用燃料的设想,日本设计了一艘80000吨级氨动力概念散货船,为克服氨易燃性差的问题,该船将使用引燃燃料帮助稳定点火。根据模型计算,这艘概念船与同吨位传统散货船相比,可以减少91.9%的二氧化碳排放量。

日本虽在氨动力船舶研发方面较中国和韩国滞后,但也不乏亮点项目。日本邮船和日本联合造船(JMU)除合作研发氨浮式储存和再气化驳船外,还将推动使用氨作为主要燃料的氨燃料氨气运输船的商业化使用。前者配备了专门用于氨气的浮动储存和再气化设施,有助于业界早日引进氨燃料,且利用驳船作为陆地设施(储罐、再气化设施等)的替代品,以稳定氨燃料供应;后者则可使用货物中的氨作为船用燃料,有助于远洋船舶早日实现零碳排放目标。

说到日本的氨动力船项目,有一个不得不提,因为它明确了建造时间,而这是中国和韩国在氨动力船建造方面不曾有的。2020年4月30日,五家日本船企宣布与曼恩公司合作研发氨动力船,不仅决定开发搭载氨动力船,还包括船舶运营、氨燃料引入及供应设备等综合性项目,其目标是在2024年实现氨动力船的商业化,在中国和韩国之前推出日本行业标准。

在某种程度上,日本的绿色船舶发展策略好像结合了中国和韩国的优势——既有政府的主推,也有企业的联合,而财团的介入则让日本风格更加明显。2019年,日本创立了“绿色氨财团”(Green Ammonia Consortium),该财团由来自公共部门和私营部门的代表组成,主要探讨海上运输氨气作为电力公司使用的发电燃料,以及使用氨气作为船用燃料,旨在建全涵盖采购、生产、运输、储存、利用和金融的氨燃料供应链,解决引进和扩大使用氨作为燃料的技术障碍。

在布局氨产业链方面,日本也走在亚洲国家的前面——财团和航运企业与国内外企业及相关国政府合作推动减少温室气体排放的计划。新加坡是全球最大的船用燃料加注站之一,不久前,“伊藤忠财团”与商船三井、孚宝(Vopak)等四家公司签署谅解备忘录,将共同在新加坡开发氨动力船的燃料供应网络,以便为远洋船舶供应氨燃料。其中,“伊藤忠财团”将利用在燃料供应配送中的经验和专长,以及船舶燃料供应的跟踪记录,促进新加坡氨燃料供应链发展。商船三井利用其在建造和运营燃料加注船方面的经验,负责开发氨燃料加注船和浮式储存设施,孚宝则利用其在新加坡港巴央码头(Banyan)的氨储存和处理技术,专注于开发独立的陆上氨储存/处理和装卸设施。

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