航运业碳中和：氢、甲烷、甲醇还是氨？ - 海洋化石燃料法规

瘦竹 · 发表于海洋科普 2024-5-28 10:42:40

碳中和政策大势所趋，航运业碳减排刻不容缓。2023年1月1日起，船舶能效设计指数(EEXI)正式实施，航运业的二氧化碳排放量将每年下降6%，到2050年降至1.2亿吨。国际海事组织（IMO）于2018年4月通过了航运业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%（2050年碳排放总量降低50%）的明确目标。

绿色甲醇、绿氨是未来航运碳中和主要燃料。二氧化碳排放受船型、速度、大小、船体设计、压舱物、技术以及使用的燃料类型等因素影响。船东将在现有技术条件下根据难易程度选择适合自己的减碳方式，比如短期降速、使用LNG等；中长期随着技术的发展，航运减碳必将向替换燃料倾斜。例如甲醇、氨气和氢气等燃料。

航运业降碳最重要的路径：使用低碳燃料

使用低碳/零碳燃料是航运去碳化的必然选择，潜在的船用替代燃料包括LNG、LPG、二甲醚、甲醇、乙醇、氢、氨、生物燃料、电制燃料等多种，市场共识是从LNG过渡到可再生的氢、氨或甲醇。目前没有一种替代燃料具有全方位、压倒性的优势从而可以完全替代燃油在船用燃料中的中心地位。

补充说明下，生物燃料包括生物甲烷、生物甲醇、乙醇、生物二甲醚、生物柴油等；电制燃料是以可再生电能为输入、以电解制氢技术为基础的合成燃料，可能包括电制甲烷、电制甲醇和电制氨等。

目前的分歧主要在于供应安全是否有保障及经济上是否可行。各种燃料有其具有优势的船型、航线和地域，但就海洋运输而言，短期以LNG作为过渡燃料，中长期重点发展可再生氨气和甲醇，对未来以氢能或核能驱动航运业保持审慎乐观，这应该算是现阶段业界的共识。

现阶段，柴油的上游排放远小于下游排放。此外，柴油的全生命周期排放水平远小于甲醇。尽管氨气下游排放为零，但上游排放较高，全生命周期排放水平高于甲醇居所有燃料之首。

意味着现阶段甲醇、氨全生命周期排放高于柴油和燃料油，甲醇、氨的生产降碳刻不容缓，绿色甲醇、绿氨燃料减碳效果显著。

替换燃料船舶发展：LNG/LPG、氢动力、氨动力、甲醇动力

1、LNG/LPG 动力船舶

在所有替代燃料方案中，LNG燃料压倒性的领先其他各种替代燃料。LNG作为一种替代燃料，其碳排放量较传统燃料减少约20%，考虑到其技术成熟度、燃料可得性、加注网络完善性等特点，一直被认为是实现2050减排大目标的首选转型燃料。

但欧盟碳配额交易等法规的预期使得船东对传统LNG燃料的碳排放量更为敏感，同时当前LNG价格高企也意味着实际船东很少对LNG动力船舶进行加注使用。

数据显示，到2022年底，世界LNG动力船舶已达355艘，另有515艘LNG动力新造船订单，是中短期主流船用替代燃料选择。同为化石基替代燃料，LPG动力的现有船48艘，新造船订单也达到79艘，但LPG动力船舶目前仅限于LPG运输船、气体运输船和乙烷运输船。

2、氢动力船舶

当前，氢动力船舶主要以氢燃料电池作为(混合)动力系统的小型船舶或以氢燃料电池作为辅助发电装置应用为主，全球范围内的应用示范船舶有数十艘。而以氢内燃机作为动力的船舶目前仅见2022年10月交付的比利时拖轮Hydrotug 1，配置的2台BeH2ydro 12DZD-DF四冲程内燃机可燃用氢气和柴油，总功率达4000kW。

在生产角度，氢气是最便宜的燃料，但从运输和储存角度氢气较昂贵。液氢可以击败氨、甲烷，但是甲醇的运输成本最低。为此，只有当全球能源结构实现低碳转型，可再生甲醇、氨等绿氢衍生物的可靠供应才能成为现实。全球各港口氢加注和接驳基础设施基本处于空白状态，且其建设难度和成本预期高于LNG基础设施，因此其发展还有很长的一段路要走。

预计氢的储运主要以其衍生物氨的形式进行，且LNG基础设施转换为氨基础设施是完全可行的。

3、氨动力船舶

受限于氨燃料发动机目前还未商用，在氨动力船舶的开发方面，目前多家船舶设计公司、造船厂、航运企业的氨动力或氨预留船舶设计已经获得船级社的原理性认可(AiP)证书，也有多家船东公司宣布了开展氨动力船舶的开发，包括VLCC、拖轮、驳船、平台供应船等。不完全统计，近三年来，全球氨动力船舶开发项目超过60个，已获得船级社AiP证书的船型设计已超过42项。

对于远洋运输而言，相比于可再生甲烷、氨和甲醇等氢的衍生物，使用氢作为船用燃料目前来看还缺少竞争力。当然，如果液氢/压缩氢运输船队能得到一定的发展，这类船舶使用氢作为船用燃料具有天然的优势，但目前来看，以氨作为载体来运输氢似乎更有竞争力。

碳中和背景下，氨将用于海运和陆地电厂的零碳燃料，预计到2050年，全球氨需求将达到7亿t，其中船用替代燃料需求将达到2亿t。然而，2021年，全球可再生氨产量还不到2万t；到2030年，可再生氨产能有望达到1500万t；按《巴黎协定》设定的1.5C温控目标，到2050年可再生氨产能要达到5.7亿t才能满足需求。基于可再生氢和清洁能源进行绿氨生产，将是未来的努力方向。此外，据DNVAlternative Fuels Insight平台统计，全球投入运行的氨接驳终端已达215个，具备较好的氨储存和加注基础设施建设基础。氨是全球范围内产量最大的合成化学品，但目前主要用作化肥生产。

虽然氨本身是无碳燃料，但绿氨的获得还是取决于所使用的生产原料和生产过程中可再生能源的使用。根据制氢过程中碳排放量的不同，可以分为：灰氨：使用传统化石能源（天然气和煤）制成。蓝氨：生产原料氢由化石燃料提炼而来，但在提炼过程采用碳捕捉和封存技术（CCS）。蓝绿氨：甲烷热解过程将甲烷分解成氢和碳，使用绿电将该过程中回收到的氢气作为原料制氨。绿氨：通过风能、太阳能等可再生能源发电所产生的绿电电解水产生氢气，再由空气中的氮气和氢气合成氨。

挪威独立研究机构Sintef Ocean的研究人员指出，如果要生产足够的绿色氨来供航运业使用，就需要大量的可再生能源。意味着世界上几乎所有的风能、太阳能和水利发电都将仅用于生产足够的氨。挪威媒体Finansavisen对以上观点表示赞同。如果所有的远洋航运都将氨作为无碳燃料，那么每年将需要约500至600万吨的氨，是当今全球生产量的三至四倍。而要达到氨生产量目标，将需要1亿吨的氢气以及大约6000太瓦时的可再生能源。

5、甲醇动力船舶

截至2022年底，甲醇动力的现有船24艘，其中新造船21艘。2022年，甲醇动力新造船订单增长迅猛，目前已达58艘当前的可再生甲醇生产基础设施建设项目主要分布在中国、丹麦、德国、美国等国家。

据DNVA lternative Fuels Insight平台统计，当前全球范围内投入运行的甲醇接驳终端已达130个，接驳终端数量排在前几位的中国、欧洲、北美和中东分别达到38、29、19和16个。未来甲醇的应用主要还是基于生物质甲醇，尤其是利用风能、太阳能、水能、核能等清洁能源和捕集二氧化碳合成电制甲醇的发展，二氧化碳来源和生产成本是甲醇动力航运发展的主要障碍。

甲醇的生产原料主要是天然气和煤，但生物质、森林残渣、市政固体废弃物、捕集的二氧化碳等都可以作为甲醇的生产原料。与传统燃料相比，可再生甲醇可减少高达95%的二氧化碳排放。

化石甲醇与船用燃油具有可比的燃料成本，绿色甲醇的燃料成本却高出8~10倍，但未来有望降至2~3倍。甲醇引擎下游排放相较油可削减二氧化碳排放10%，当考虑到天然气产甲醇完整周期上有排放时，二氧化碳排放可能较油更多，甲醇的NOx（氮氧化物）排放比高硫燃油低30%。甲醇常温液体，安装甲醇系统的花费约为LNG系统的1/3，这是因为不需要低温材料压力储罐。

全球超过120个港口供应甲醇，作为燃料供应超过20艘船只，成为全球第四大船用燃料，原因之一是甲醇可以在常温常压下以液体形态使用现用基础设施储存和运输，船舶燃料加注也可以实现。对于国内的船厂和船东，甲醇是一种兼具短期和长期效益的理性选择。

据统计，替代燃料船舶数量在现有世界船队中占比为0.47%，所应用的替代燃料包括LNG、LPG、甲醇和氢气四种类型。但从新造船订单来看，这四种类型的替代燃料船舶数量占比达到13.05%。

全交付成本角度看，甲醇目前是价格最低的航运燃料；生产成本角度看，氢气成本最低，但其运输、储存成本较高，技术突破前将持续限制氢气的大规模应用。

2030传统及LNG燃料加速淘汰，2050年传统燃油动力船舶退出运营

综合各燃料密度、排放、成本和可用性等因素后，研究认为甲醇的评分最高，有望在碳中和航运燃料的占比较大。

LNG现阶段是过渡燃料，未来LNG、甲醇、氨或是航运碳中和的主要燃料。甲醇应用较广具备优势，引擎仅需小幅度的改装，并不需要氨和氢所需要的压力和冷冻装备，其次远距离航运电池和氢气的能量密度受限，液氢和氨可操作性强。

生物甲烷、绿氨、绿色甲醇和氢气的碳减排作用最大，但氨气的问题是氮氧化物排放增加全球变暖的可能，可操作性和毒性也是较大的问题，所以甲醇的得分最高。但是现阶段无论是甲醇还是氨因为其上游碳排放远高于燃料油、LNG，需要技术不断进步，未来航运燃料将围绕在生物甲烷、绿氨、绿色甲醇和氢气上。

2019年后LNG动力船舶订单、其他类型替代燃料动力船舶订单持续高速增长。投入运行和新造订单替代船舶燃料中，LNG占比最大，LPG、甲醇燃料船只订单也逐渐增多；载重吨占比中，LNG占比达到30.2%，证明LNG作为过渡燃料被市场认可的地位，LPG、甲醇燃料也开始走入市场。DNV预计，2050年DR路径下LNG作为航运燃料的占比能达到41%，其次是氨25%、高硫燃油10%、低硫燃油和柴油9%等。

克拉克森模型显示：随着技术突破，2030年后其它替代燃料（如氨、氢，其他绿色低碳燃料）将会快速发展。而到2050年新签订单将全部使用替代燃料订单才能达成目标。这也意味着到2030年全球船队中26%的船舶吨位需要使用替代燃料，这一比例在2050年将上升至85%。克拉克森模型显示:传统燃料及LNG燃料动力船舶将在2030年左右加速淘汰，到2050年传统燃油动力船舶将基本退出运营。

来源：

中信期货研究《航运碳中和：碳中和政策对航运市场影响（五）——甲醇还是氨？》

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