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船用低速机何去何从?

2021-11-06 18:21:03
来源:中国船检 编辑: 国际船舶网 我有话要说

碳达峰、碳中和将深刻影响未来经济社会的发展方式。国际海事组织(IMO)也对航运业碳排放提出了要求,这将为航运业、船舶工业带来重要挑战。船用低速机是远洋商船主要动力,是二氧化碳排放的直接来源,同时也是航运业低碳发展的主攻方向。本文对未来低速机满足低排放的相关技术进行分析。

国际海事组织对CO2排放相关要求

随着国际社会对船舶污染的不断关注,IMO等国际组织对船舶排放提出了新的要求。

在燃料低碳化方面,2018年4月,IMO通过了全球海运业温室气体减排初步战略,该战略提出,以碳排放强度(吨海里CO2排放量)计,2030年在2008年的基础上至少降低40%,并争取在2050年降低70%;以温室气体排放总量计,2050年至少在 2008年的基础上降低50%,并争取在本世纪实现无温室气体排放。

表1 国际海事组织温室气体减排路线

主要替代燃料可行性评价

航运能源低碳转型是一项长期性、复杂性的系统工程,对清洁能源应用前景的研判,需要综合考虑多方面因素。目前,船舶低碳化的主要燃料包括LNG燃料、LPG燃料、甲醇燃料、氢燃料、氨燃料等。

图1 清洁能源船用适应性综合评价

图2 不同燃料的综合对比

通过对不同替代能源的能源可供性、经济可接受性、技术成熟度、环境适应性、法规完整性等进行综合分析,研究发现,对于低碳燃料,从LNG作为船用燃料角度而言,随着全球LNG动力船队规模的扩大,西欧、北美、东亚等地区正在加快建设配套LNG加注设施,船用LNG燃料的加注便利性将逐步提高。根据气体燃料发动机类型的不同,温室气体减排潜力为10%~23%。船舶应用天然气燃料相关的国际规则、国家/地区性法规、船级社规范、行业标准等已基本建立。总体而言,LNG综合优势明显,是航运业实现温室气体减排中期目标最现实可行的选择。长远来看,采用化石LNG尚不能满足航运业远期减排目标,制取途径需要转向生物质和可再生电力。

对于零碳燃料,从能量密度来说,氨燃料具有一定的优势,这决定了其较小的存储空间及更大的航程,因此氨燃料具备应用于大型远洋船舶的可行性,但需要解决毒性及腐蚀性等问题。氢燃料能量密度较低且不易储存,并且制备成本较高,因此目前不适用于大型远洋船舶,只适用于内河及临海船舶。生物质燃料相比氨与氢,在技术成熟度上具备一定的优势,但是由于燃料本身易变质,所以不能长期存储。

新燃料船用动力研发与应用情况

目前开发的船舶发动机新燃料主要有LNG、LPG、甲醇、生物燃料、氢燃料以及氨燃料。LNG动力技术已发展很成熟,应用的船舶已达上百艘。LPG、甲醇燃料技术也较为成熟,氢燃料和氨燃料主机尚在研发阶段。

表2 新燃料研发情况

表3 双燃料低速机应用情况

1、LNG动力的现状与发展趋势

目前,LNG是获得应用较为广泛的可替代性燃料,国内外关于船舶天然气燃料动力应用的相关工作已陆续开展。丹麦、挪威等国家已在渡船、滚装船、海岸警备船和平台供应船等应用LNG作为燃料。随着LNG动力船船队数量的增长,LNG燃料加注设施正在全球逐渐扩大,LNG燃料加注船的数量也在增长。从供应来看,全球最大的25个港口中,有24个港口具有LNG燃料加注能力。LNG供气船的运营数量,已从2017年初的仅仅1艘增加至近10艘。船舶应用天然气燃料相关的国际规则、国家/地区性法规、船级社规范、行业标准等已基本建立。总体而言,LNG综合优势明显,是航运业实现温室气体减排中期目标最现实可行的选择。

目前MAN-ES和WINGD的LNG主机主要如下:

(1)WINGD 低压DF/DF-2.0主机&高压LNG主机

目前大型LNGC基本大部分使用了WINGD DF主机,且其它船型新造船,双燃料比例显著增加,预计未来一段时间内将会持续增加。

图3 LNGC船DF主机占比

现有的低压LNG双燃料低速机,为减少碳排放,WINGD推出X-DF 2.0主机带iCER(智能废气循环控制)系统。iCER系统通过废气中CO2取代扫气中的O2,减少燃烧室里参与燃烧的氧含量,提高了X-DF的热力学性能,如BSGC,排放以及在各条件下燃烧更加可控;同时,甲烷逃逸最大可减少50%从而有效控制温室气体的排放。

图4 iCER系统原理图

与传统船用柴油机相比,高压LNG双燃料低速机的温室气体减排程度高于低压LNG双燃料机。因此,基于碳排放降低的目标,WINGD正在开展高压LNG双燃料低速机技术开发。

(2)MAN-ES 低压ME-GA主机&高压ME-GI MK2主机

由于MAN-ES高压ME-GI主机的辅机系统的建造投入成本相比WINGD低压DF主机高,为此,MAN-ES正着手开发低压ME-GA主机。ME-GA将聚焦于建造成本和运营成本的竞争力,采用了与ME-C和ME-GI相类似的机身设计;燃气系统部件包括供气阀、燃气双壁管、进气阀、引燃油喷油器和预燃室等,系统原理和X-DF主机非常类似。

图5 ME-GA主机结构设计特点

ME-GI MK2聚焦于低运营成本和温室效应气体排放的竞争力,采用MK2设计,引燃油消耗量减少同时燃气模式下可以切缸运行,燃气部件也更精简化。

但是,从长远来看,LNG本身为含碳燃料,且甲烷的温室效应是二氧化碳的20倍以上,因此,根据Clarksons数据预测(图6所示),LNG燃料船舶占比预计在2030年达到顶峰,约占新造船总量的70%以上,2030年至2050年则进入下降期,至2050年仅占比21%。

图6 Clarksons数据预测

2、LPG动力的现状与发展趋势

对于两冲程LPG主机,相对于重油来说,氮氧化物排放可以减少15%~20%,但是仍然需要安装SCR/EGR来满足IMO Tier III排放标准。

相对于LNG主机,LPG主机更接近于氨主机,LPG可以作为氨燃料的最佳过渡燃料,MAN-ES预测到2028年,所有新造VLGC和大约30%新造集装箱船将采用LPG为燃料。

图7 预期减排量

3、氢燃料动力的现状与发展趋势

氢能是一种绿色、清洁、高效、来源广泛的二次能源。氢的生产成本主要取决于制取方法,氢的高效储存对于船舶应用氢能至关重要,高压气态储氢技术目前已较为成熟,但由于能量密度的局限性,氢燃料目前仅适用于短程航行船舶,目前不适用于大型远洋船舶。

氢燃料可以用于内燃机直接参与燃烧,或者燃料电池。但目前燃料电池受制于功率限制,主要用于小型船舶。目前,部分动力企业在开发氢燃料的中高速机,氢燃料点火能量低、扩散系数大、可燃混合气浓度范围大,纯度要求较低,因此,氢能以内燃机的型式在船舶领域具有较好的应用前景。部分动力企业主要在现有的中高速柴油机基础上进行改进,以掺氢手段作为过渡,完成向纯氢燃料中高速机的转变。

4、氨燃料动力的现状与发展趋势

氨的主要制取途径是氮气和氢气在高温高压和催化剂作用下合成制取。燃料成本方面,液氨单位热值价格分别约为甲醇和MGO的1.5倍和2倍。目前船用氨燃料内燃机的研究及应用均处于起步阶段。氨燃料发动机的NOX排放尚不能直接满足Tier III要求,需采用脱硝后处理技术。与液氢相比,液氨体积能量密度具有明显优势,且储存及供应相对容易,是较为理想的能量载体,适用于续航里程较长的船舶。氨燃料是未来零排放解决方案的重点发展方向,氨可直接作为发动机燃料。从技术角度而言,氨燃料较氢燃料更易于在船上应用。

(1)氨的制备技术及经济性

● 第一代:通过使用煤、重质油、天然气等原料获得制氨的基础气H2,再和N2高温高压催化反应,获得NH3。

● 第二代:通过可再生电力驱动,电解水产生H2,再和N2高温高压催化反应,获得NH3。

● 第三代:通过直接或介导方式将N2与H2O电还原为氨。

通过第一代工艺生产氨的能源成本至少为8MWh每吨,氨的低热值(LHV)为5.2MWh每吨,这表示能源效率仅为65%,因此这些氨大部分用于生产肥料,少量用于炸药、化学品等原料,而非用作燃料。但随着第二代工艺的成熟推广和第三代工艺技术实现,制氨能源成本将大大降低,氨产量也将大幅提升,将为氨作为常规燃料打开巨大空间。

● 纯氨相比甲烷具有较低的层流燃烧速度,较高的自燃温度和点火能量, 因此以纯净形式燃烧更加困难,技术上可以和其他燃料一起混合使用;

● 相比甲烷,氨的热值较低,因此燃料消耗量将远大于甲烷,但它的辛烷值要高于甲烷,抗爆性更好,可以通过提高压缩比来提高发动机的热效率;

● 氨燃料供应系统原理与LGIP相似,供给压力80bar(LGIP供给压力50bar)。

(2)氨燃料低速机的发展

MAN-ES公司计划在2024年开发出二冲程低速氨发动机,实现氨燃料动力船的商用化。

图8

韩国、日本等国家也在相继开展氨燃料船研发项目。WINGD同样在发挥自身优势,布局相关产业,推进大功率氨燃料低速机的研制工作,填补船舶氨燃料动力系统技术空白。

“碳达峰 碳中和”的目标下,船用低速机的制造企业,近期做好LNG、LPG等双燃料技术的深耕,同时,作为远期目标,要密切关注氨燃料技术的发展,提前布局,做好技术储备,以应对市场的变化。

 

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