零碳航运——氨燃料大有作为

本刊记者 王思佳

近日，一项由德国规模最大且最古老的国际性非政府组织——自然和生物多样性保护联盟(NABU)与德国生态研究所（Öko-Institut）合作的研究项目“氨作为船用燃料”发现，绿色氨作为一种能源，在气候保护方面具备巨大的潜力。

氨，大有可为

当“百年一遇”变成经常遇见，当避暑胜地变成“新火炉”城市。这种新常态就好比地球向我们发出的警告信号——由于全球气候变暖所造成的气候危机正在进一步恶化。

当下，全球变暖问题已跃升为国际社会密切关注的重要问题之一，甚至是民众日常所关注的焦点。“如何应对这一危机？”已成为国际社会的重点研究课题。

据相关研究显示，全球气候变暖是由于温室效应不断积累，导致地气系统吸收与发射的能量不平衡，能量不断在地气系统累积，从而导致温度上升而造成。在导致气候变化的各种温室气体中，二氧化碳对升温影响最大。针对此，国际海事组织（IMO）制定并推出了温室气体减排初步战略，要求到2030年，效率比2008年提高40%，到2050年，总减排量比2008年减少50%。同时，我国也确立了国家层面的“碳达峰、碳中和”目标（以下简称双碳目标），中国将力争在2030年前二氧化碳排放量达到峰值，2060年前实现碳中和。

为实现这些目标，航运业的脱碳行动也被提上日程。然而，随着近年来极端天气出现的更为频繁，气候危机的极速恶化，航运业寻找和探索有效减排措施的步伐变得更加刻不容缓。

IMO秘书长林基泽(Kitack Lim)认为，如要在2050年之前实现国际航运每年至少减少50%的温室气体排放，只有通过技术创新的研发应用和引进替代燃料才能实现，这意味着需要尽快找到低碳排放或零碳排放燃料。由此可见，想要实现脱碳目标，更好应对全球气候变化，航运业需要作出彻底的改变，其中一个最有效的措施便是从排放根源的船用燃料入手——寻找零碳能源。

在船用零碳燃料方面，行业多年来做了不少研究与测试验证，如今，氢与氨的优势逐步显现。而与氢相比，氨不需要冷却到极端温度，-33度便可液化（液态氢需要-253度），而且液态氨比液态氢具有更高的能量密度（氨的体积能量密度几乎是氢的2倍），使其运输和储存更具有能效性。NABU的报告也进一步凸显了氨的优势，使其成为航运业未来实现脱碳目标最有希望的燃料之一。有行业专家曾表示，到2050年，氨燃料将取代化石燃料，用于船舶发动机。

氨(NH3)作为氮氢化合物，具有稳定的供应和便于储存、运输，燃烧时不会产生温室气体二氧化碳。因此，使用氨燃料动力的船舶将可有效地降低碳氧化物和硫氧化物，实现真正意义上的“零”排放。作为一种潜在的船用燃料，它既可用于内燃机，也可用于燃料电池。正因为氨的优势逐步被放大，受到了越来越多的关注，业界也慢慢向着氨的应用侧重。

“氨是未来船舶燃料的候选者，因为它是一种无碳后化石燃料，因此可能比其他后化石燃料更便宜，”该研究报告指出。

尽管当下还没有氨被用作船用燃料的先例，但NABU的研究报告显示，只要消除燃烧过程中产生的一氧化二氮，解决有害氮氧化物排放问题，并确保严格的安全法规防止泄漏，氨作为绿色船用燃料具有很高的潜力。

随着氨作为船用燃料优势的逐步凸显，且已被证实可实现真正意义上“零”排放，行业各方也逐步加大了对于氨燃料和氨动力船的研究。包括曼恩公司（MAN）和上海船舶研究设计院（SDARI）为吉大港设计研发的氨燃料支线集装箱船，载箱量约为2700TEU，也是业界开发新一代氨燃料集装箱船的典型案例之一，这个项目可将国际海事组织提出的2030年和2050年减排目标战略相结合；韩国造船与海洋工程公司（KSOE）子公司现代尾浦造船（Hyundai Mipo Dockyard）获得了相关船级社对其5万载重吨级中程成品油船（MR型船）的氨动力设计原则性批准（AiP），该项目由现代尾浦造船负责船舶基本设计，曼恩公司负责氨动力双燃料发动机开发和规格设计，目标是到2025年实现氨动力船舶的商业化运营；大连船舶重工有限公司（DSIC）和曼恩公司的设计氨动力超大型集装箱船（载箱量为23000TEU）的方案——“C-FUTURE”，该项目是海事界探索和测试氨等低碳替代燃料作为超大型集装箱动力的关键一步。

生产、供应有保障

新燃料是否能被最终选中来替代传统燃料，除了排放指标外，新燃料的供给及运输也是最重要的考量因素之一。

氨是氮和氢的化合物，是世界上产量最多的无机化合物之一，是许多食物和肥料的重要成分。氨作为一种基本化学品，用途及其广泛，可在全球范围内交易和生产，目前多于八成的氨被用于制作化肥。

根据氨能源协会(Ammonia Energy Association)最新报告显示，氨的生产水平目前接近大约每年2亿吨。其中10%在全球市场上交易。几乎98%的全球氨生产原料来自化石燃料，其中72%使用天然气作为原料。

在此背景下，各大相关研究机构和组织也加大了针对氨用于船用燃料的研究。针对氨，国际能源机构(IEA)发表的《2020能源展望》报告显示，预计到2060年将有60%以上的新船使用氨或氢燃料。由阿法拉伐、哈夫尼亚、哈尔多·托普索、维斯塔斯和西门子歌美飒共同发布的报告认为，氨有潜力能够为未来全球30%的海上船队提供动力。

然而，尽管就目前来看，氨气产能可以满足初期的船用需求，但随着氨燃料应用的扩大，对于氨燃料的需求量也定将随之大幅增长。针对此，各大燃料供应商也加大了氨燃料的供应布局。

全球大宗商品交易商托克公司（Trafigura）与挪威化学品公司雅苒国际（Yara International）签署谅解备忘录，旨在为航运业提供零碳排放的氨燃料。根据谅解备忘录，双方将共同开发和推广氨气在航运中作为清洁燃料的应用，探索在某些清洁氨燃料（绿氨和蓝氨）基础设施和市场机遇方面进行合作的可能性。双方计划在以下领域进行合作，包括Yara向托克公司供应清洁氨燃料，探索将清洁氨用作船用燃料的联合研发举措，以及开发船用燃料基础设施等新的清洁氨资产。据了解，Yara是全球氨生产、物流和贸易领导者，每年大约生产850万吨氨气。Yara的船队运营着11艘氨气运输船，包括5艘全资拥有的船舶。该公司还有18个船用氨气码头，储存能力达58万吨，使其能够在全球范围内生产和交付氨气。

日本最大的航运公司之一的日本商船三井 (MOL)、日本伊藤忠商事株式会社（Itochu）以及荷兰皇家孚宝（Vopak）等六家合作伙伴签署谅解备忘录，将共同在新加坡开发氨燃料船舶的燃料供应网络。合作伙伴包括MOL、Itochu、伊藤忠Enex、皇家孚宝、法国石油巨头道达尔子公司Total Marine Fuels以及新加坡主权基金淡马锡旗下的能源公司Pavilion Energy。根据备忘录，各方将共同扩大和加速发展氨燃料供应链，包括在新加坡建立一个岸上和/或岸外设施及一艘氨燃料加注船。值得一提的是，伊藤忠商事和伊藤忠ENEX去年曾联手日本今治造船、三井E&S控股子公司三井E&S机械、日本船级社，与全球船机巨头MAN Energy Solutions共同研发氨燃料船舶，目标是在2024年实现氨燃料船的商业化。

日本最大的电力公司JERA今年6月表示，该公司正在与国内外企业进行谈判，包括能源巨头、航运公司和当地电力公司，以建立作为燃料的氨的全球供应链。JERA是东京电力公司和中部电力公司的合资企业，目标是到2050年实现二氧化碳净零排放，到2035年实现燃煤电厂氨气使用量20%。在与马来西亚国家石油公司(Petronas)就氨和其他能源领域的合作达成协议后，该公司已经与挪威氨制造商雅拉公司签署了一份谅解备忘录(MOU)，为日本的发电提供无排放的氨燃料。

在氨燃料不断增长的大背景下，氨燃料的大规模应用还需依靠稳定且相对广泛的物流链。据数据统计，目前全球已有120多个港口可以处理氨气产品的进出口，还有大量氨气存储设施。值得一提的是，目前，中国的氨产量占全世界三分之一，且合成氨厂遍布全国，运输体系和分布网络也已初具规模。

此外，由于氨具备便于储存、运输和燃烧，同时还可以把它转换回氢和氮（可用作载体）等优势，在氢经济日益增长的背景下，氨除了直接应用之外，氨将成为长距离和大批量运输氢的最便宜的载体。中国科学院院士、清华大学车辆与运载学院欧阳明高教授曾在接受本刊专访时就表示：“就目前而言，如果直接使用氢，存在储存和运输等各方面的问题，因此还需在船上找到氢的载体。对于氢究竟用什么方式使用在船上。目前，我比较看好的是氨，因为其储氢的重量比能量和体积比能量都比较高，此外，氨合成再转化成氢的技术比较成熟，也符合中国特色，中国有很多化肥厂，目前已有很多合成装置，而且技术的升级、技术的接替性也非常好，马上会有更高效更绿色的电化学合成技术投入应用。而且，这或许会成为船舶行业做氢能应用的一个特色方向。因为氨的燃烧速率偏低，更适合目前船舶所使用的中低速柴油机使用。”

大规模应用仍有几道坎

近年来，氨作为一种潜在的船用燃料受到业界相关各方越来越多的关注。然而，尽管从减少空气污染的角度来看，使用氨作为船用燃料将有助于推动航运业的脱碳进程，但显然，氨燃料的大规模推广应用还有几道关口需要迈过。

首先，氨虽是一种无碳的能量载体，与其它燃料相比，其燃烧性较差，并且具有毒性和腐蚀性，如果将氨用于船用燃料或者其他燃料载体（例如氢）进行运输，需要确保其对人类和海洋环境的安全性，因此氨的安全输送和存储至关重要，需要制定详细的监管框架和分类规则。

NABU报告显示，由于氨具有剧毒，因此需要严格的安全规定来防止泄漏，同时，还需要通过可控硅催化转化器消除其对气候有害的一氧化二氮（N2O）和有害的氮氧化物排放。

“如果可以完全消除氨在生产、运输和燃烧过程中所产生的对气候有害的一氧化二氮的排放，那么氨作为船舶燃料将可以充分发挥其气候保护潜力。”NABU总经理Leif Miller表示。“为了确保这一点，所有温室气体都必须纳入各个国家和国际法规和定价。此外，必须制定严格的安全条例来规范使用氨作为船舶燃料。尽管氨造成的事故无论从短期还是长期都不如重油或柴油事故来的深远，但其对海洋环境的影响仍然是巨大的。”

其次，适用于氨燃料的发动机的研发需要尽快提上日程。Leif Miller表示，如果将氨作为航运业的短期减排措施，就需要加快发动机开发和后续计划部署的步伐。根据预防原则，同时为所有的温室气体减排新技术提供激励，环境完整性需要通过严格的监管手段来确保，包括所有温室气体，包括N2O。

近日，全球船用发动机领导者瓦锡兰对一台采用使用70%氨含量的燃料的发动机进行了测试，测试结果显示发动机成功运行。进一步的测试将在未来几年内继续进行。针对船用市场，瓦锡兰预计将在今年内推出氨混合燃料发动机，于2023年推出纯氨燃料发动机，并将于2025年推出纯氢燃料发动机。与此同时，德国知名发动机制造商MAN Energy Solutions也针对氨燃料发动机制定了时间表，其二冲程氨燃料发动机计划于2024年投放市场，用于大型远洋船舶；随后将提供翻新改造服务，以使现有船舶能在2025年之前以氨燃料运行。

不过也不是所有船舶都适合使用氨燃料，这为行业研究缩小了范围，增添了针对性。“鉴于其风险特性，氨的使用可能不适用于航运板块的所有分支，如客船。未来，航运板块可能会依赖于不同的后化石燃料，这具体将取决于市场细分的不同。” Leif Miller表示。

第三，基础设施还需进一步加强。NABU研究报告称，即使氨并未在航运业被广泛用作燃料，但是对氨相关基础设施的投资也不是浪费的投资。氨将在氢经济中的其他板块的脱碳中发挥重要作用。与液化天然气基础设施的投资不同，在必要的环境和安全要求下，需及时从财政和法律上推动绿色氨生产，对于未来的气候保护而言，这不会被视为一个错误的决定。

第四，合作共治。NABU的航运专家Beate Klünder认为，除了监管温室气体，政府还应与IMO合作，确保立即在所有海域建立氮氧化物排放控制区，为完全零排放的航运铺平道路。IMO可以立即启动这样一项规定，因为这是一项经过试验和检验的措施——在北海和波罗的海以及美国沿海水域生效的船舶排放控制区（ECA）。

第五，全生命周期“零碳排放”才是主流。随着温室气体减排研究的深入，全生命周期二氧化碳零排放变得至关重要。因此，对与氨的生产过程中的碳排放也要给予关注。数据显示，依靠化石燃料生产氨，生产本身约占全球二氧化碳排放量的1.8%。为了实现真正的可持续性，“绿色制氨”才能全面消除氨的温室气体足迹。据行业人士介绍，“绿色制氨”的方法有两种，一种是使用可再生能源，另一种则是捕获氨生产过程中产生的温室气体并将其埋在地下岩石中。