氨燃料在航运业的应用前景分析

张晓平,王晓亮,魏志浩,赵超,王廷勇

(青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司,山东 青岛 266101)

随着全球气候变暖,气候变化问题已经成为人类社会发展面临的重要挑战,而温室气体排放是造成长期气候变化的最主要因素。在导致气候变化的各种温室气体中,CO2对升温影响最大。交通运输业,尤其是航运业,产生了巨量的碳排放,每年产生约10亿t CO2排放。如果不采取进一步行动,国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)和欧洲议会估计,到2050年国际航运业的CO2排放量将增加50%～250%,占全球CO2排放总量的比例将达到17%[1]。为了降低航运业温室气体排放,2018年,IMO海上环境保护委员会第72届会议(MEPC 72)通过了《2018 IMO船舶温室气体减排初步战略》,以2008年碳排放为基准,提出到2030年将航运业碳排放强度降低40%,2050年碳排放强度降低70%(碳排放总量降低50%)的明确目标[2]。2023年7月,IMO MEPC80会议通过《2023年IMO船舶温室气体(GHG)减排战略》,进一步收紧了国际航运温室气体减排要求,明确应尽快实现国际航运温室气体排放达峰,在2050年实现净零排放。同时,战略还设置了两个“指标性校核点”:到2030年,国际航运温室气体年度排放总量相比2008年应至少降低20%,并力争降低30%;到2040年,国际航运温室气体年度排放总量相比2008年应至少降低70%,并力争降低80%[3]。

随着一系列温室气体减排政策的颁布,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。为实现航运业的减排目标,可采用改进技术、操作方法或使用清洁能源等措施。清洁能源作为发动机燃料使用,能够有效降低SOx、NOx、CO2等气体排放,同时具有良好的实际可操作性。目前,船舶行业主要发展的清洁燃料包括液化天然气(LNG)、甲醇、氢和氨燃料等[4]。其中,LNG具有良好的SOx和NOx减排效果,但碳减排效果不能满足行业长期发展战略需求,主要作为现阶段的过渡燃料使用;甲醇燃料在船舶上易于储存和利用,但仅绿色甲醇能够满足船舶未来发展方向,目前绿色甲醇仍存在成本高及供应不足等问题;氢能源具有清洁环保等多种优势,各国都很重视氢燃料的开发应用,近年来越来越多船厂、能源公司以及动力系统供应商开始加大氢燃料动力船舶的研发,但氢能源生产成本较高,尤其是通过可再生途径制氢,此外氢能源应用还面临储存运输困难、相比传统船舶燃油能量密度较低以及能量损失较大等挑战;氨具有供应稳定和便于储存、运输的优势,同时燃烧时不会产生温室气体二氧化碳,航运业普遍认为氨是未来脱碳道路上最有希望广泛使用的清洁燃料之一[5]。

1 氨燃料特性及应用优劣势

1.1 氨燃料特性

氨是无色、有毒、有强烈刺激性气味的气体,密度为0.771 kg/m3,沸点为-33.6 ℃,氨燃料的基本特性如表1所示。

表1 氨燃料基本性质

氨燃料不同于其他燃气(甲烷、氢气等)一旦泄露,人体器官无法察觉,暴露在这样的环境下不能做出反应非常危险。但人体对氨的气味非常敏感,浓度只要达到5×10-6时,就能被人体察觉。所以另一方面,正是人体对氨气的强烈敏锐性侧面反映了氨作为燃料的安全性。在有水分的情况下,氨能与铜、黄铜、锌和各种合金发生反应并发生腐蚀。以氨为介质的罐、管道和结构部件应选择耐氨的铁、钢和特殊有色合金。

1.2 氨作为船舶燃料的优劣势

近年来,氨受到了广泛关注,并在众多技术报告、白皮书和研究论文中被指出是最有应用前景的替代燃料和氢载体之一[6-8]。其中,在ABS氨燃料白皮书中预测:到2050年,氨燃料在船舶燃料中的使用占比将超过30%。

氨燃料作为船舶燃料使用具有以下优势:

1)拥有完善的氨生产、存储和全球运输基础设施。目前,氨的年产量为1.8亿t,足以满足初期的船用需求,航运业可以顺利地引进氨燃料。此外全球已有120多个港口可以用于氨的进出口以及存储,这些基础设施为船用氨燃料的供应打下了良好基础;

2)氨气容易被液化,常温加压或常压低温(25 ℃、1.03 MPa或-33 ℃、0.103 MPa)条件下即可将氨液化;

3)氨具有较高的能量密度(见表2),能够满足长途船舶航行的需求,数周内无需加注;

表2 船用燃料及其特性清单

4)氨的最小点火能量较高,可燃范围较窄,与氢气相比火灾风险较低;

5)氨的化学组成不包含碳和硫,因此在燃烧过程中不会产生CO2和硫氧化物排放。

氨燃料作为船舶燃料使用具有以下劣势:

1)氨燃料存储所需空间较大。在相同的续航力下,氨燃料存储舱的容积约为船用柴油存储舱的2.75倍;

2)氨燃料具有强烈毒性。低浓度的氨会刺激眼睛、肺部和皮肤,高浓度或直接接触会立即危及生命。因此如何在船上避免氨燃料的泄漏至关重要;

3)氨燃料会产生NOx。氨燃烧不会产生CO2和SOx,但产生的NOx需通过选择性催化还原装置等进行处理以满足船舶防污染国际公约要求。

2 氨的生产

目前氨主要通过哈伯-博世工艺生产,该工艺原理为氢和氮分子在催化剂表面发生反应生产氨,反应温度为450～600 ℃,反应压力为100～250 bar[9]。其中,氮气由空气分离装置提供,氢气则通过甲烷蒸汽重整或煤气化获得,由此原料气制得的氨称为棕氨,这一制备过程约消耗世界能源生产总量的1%,产生的温室气体排放量约占世界总排量的1.8%。因此,从产品全生命周期的角度,使用棕氨作为运输燃料,不会带来太多的环境效益。

对于氨生产过程中的脱碳,目前存在三种可行的方法[10],如图1所示。其中包括:1)采用碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage,CCS)的传统哈伯-博世法,由此生产的氨称为“蓝氨”;2)改进的哈伯-博世法,使用可再生能源(风能、太阳能、潮汐能)产生电能,再通过水电解提供氢气作为原料气,由此生产的氨称为“绿氨”;3)在电化学电池中以水和空气为原料直接生产的氨称为“电化学氨”。设计具有CCS工艺的新氨工厂或对传统氨工厂进行CCS工艺改造可以作为短期内的中间解决方案,但在此过程中会产生新的成本和能源消耗,此外捕获CO2的安全存储也是需要面临的一大挑战。因此,在哈伯-博世工艺中利用可再生能源电解水产生的氢气来生产氨将是中期内最方便的路线。因为该工艺不会产生CO2排放,并已有商业化应用的电解槽,规模从千瓦到兆瓦不等,而且可再生能源的电力成本不断下降,使得整个生产过程在经济上可行。氨生产的另一个有效替代途径是电化学合成,其中氮气在水或氢气存在的情况下被电催化还原。通过电化学途径生产氨可以比传统的哈伯-博世法节省20%以上的能耗,因为水可以在反应器阳极室作为氢源,无需初始处理。水电解和电化学反应在低温和常压下进行,但目前尚未达到商业化部署所需的技术成熟度水平。

(a)棕氨(无CCS)和蓝氨(有CCS)生产流程图;(b)绿氨生产流程图;(c)电化学氨生产流程图。

3 氨燃料动力船舶发展现状

目前欧洲、日本、韩国、中国都已开展氨燃料船舶研发,不同国家和地区的研发路径各具特点。欧洲主导了氨燃料发动机研发,曼恩和瓦锡兰都计划在2024年左右推出氨燃料发动机,两家企业还参与了全球多个氨燃料船舶研发项目;日本高度重视氨燃料产业链布局,计划打造涵盖船舶建造、设备研制、燃料加注的全产业链;韩国较为注重标准规范制定,韩国船级社已启动相关研究;我国主要聚焦于船型研发,部分船型属于全球首创。目前,全球已有200余艘氨燃料动力预留船舶正在建造,近年来国内外氨燃料动力船舶及相关技术发展现状如表3所示。

表3 国内外氨燃料动力船舶及相关技术发展现状

4 船舶氨燃料动力系统

在当前技术中,有两种途径可以使用氨作为船舶推进燃料,分别为氨燃料供给系统和氨燃料电池系统,图2和图3分别为上述两种推进系统的简图。

图2 氨燃料供给系统简图

图3 氨燃料电池系统简图

4.1 船舶氨燃料供给系统

随着MAN ES、Wärtsilä和Win GD等船用双燃料发动机厂商陆续推进氨柴双燃料发动机的研发,青岛双瑞、中远海运威海重工科技、三星重工等船舶清洁燃料供给系统厂商加速推进船用氨燃料供给系统的研发进程,以抢占市场先机。如图2所示,船用氨燃料供给系统由氨燃料加注单元、氨燃料存储单元、增压换热单元、再液化单元、氨气处理单元、水乙二醇循环单元、氮气吹扫单元、控制系统及安全保护系统等组成[11]。

船用氨燃料供给系统在使用过程中存在一定的风险,如何将氨燃料对船上人员、环境、船舶结构强度和船舶完整性的影响控制在安全范围内至关重要。可在设计阶段对船用氨燃料供给系统和关联系统、船舶整体布置的各风险点进行识别确认,开展风险评估。

4.2 船舶氨燃料电池系统

氨燃料电池也是氨能源化的重要技术,具有热效率高、噪声低和空气污染物排放少等优点。根据氨燃料供给方式的不同可以分为间接氨燃料电池和直接氨燃料电池[12]。间接氨燃料电池是通过外部的氨裂解装置将氨分解为氮气和氢气,再将氢气净化后送入氢燃料电池发电;直接氨燃料电池则是将氨直接送入燃料电池进行发电。氨可直接用于碱性膜燃料电池(AMFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC),而质子交换膜燃料电池(PEMFC)需要高纯度的氢气(>99.5%),少量氨的存在会导致催化剂中毒。海事部门认为目前最有前途的燃料电池是质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池(图3)。对于质子交换膜燃料电池的使用,需要使用在低温状态下具有高活性的氨裂化催化剂,以通过在单次气流中完成氨转化来获得高纯度氢气,或者需要安装气体净化器设备以达到氢气纯度,这将涉及额外的成本以及安装空间和能源需求。与质子交换膜燃料电池相比,固体氧化物燃料电池在海上应用方面更有前景,因为氨可以直接使用,而不需要先从氨中分离氢气。然而,还需要进一步研究来优化操作条件、延长系统寿命和扩大规模。

5 结论

为了应对全球温室效应、大气污染的挑战,全球航运业已掀起一股使用清洁替代燃料的浪潮,其中氨作为零碳燃料具有巨大的应用潜力。氨绿色经济、合成技术成熟、储运便捷,在即将推出的船用氨/柴双燃料发动机中可直接燃烧供能,也可在燃料电池中催化分解供能。我国作为合成氨生产大国和船舶制造大国,若能将氨燃料在发动机及燃料电池方面的应用在船舶行业加以推广,不仅有助于我国航运业的低碳转型,也符合我国的海洋强国战略,可为我国绿色低碳经济的可持续发展提供保障。但目前制约氨燃料在船舶行业推广的因素仍然存在,相应的研究和投资还需进一步开展。