随着国际海事组织承诺将在2050年将温室气体降低至2008年的50%,航运业也为这一目标忙得不亦乐乎。而LNG作为一种过渡燃料,是当前可行的替代方案中最为绿色的一种能源。

随着到2020年全球限硫决议的执行,作为船东的三种主流推进燃料选择之一,LNG的环境优势在最近饱受质疑。

最值得注意的是,University Maritime Advisory Services(UMAS)在2018年6月发表的一项研究指出,预计欧盟的LNG加注基础设施支出将不会对气候有显著改善。此外,伦敦大学学院咨询部门表示,此类投资还可能会增加航运产生的温室气体排放。

到目前为止,欧盟已经投入2.5亿美元用于推广使用LNG作为船舶、内河航运和车辆的燃料,占LNG加注基础设施计划总成本的50%,与航运部门的税收贡献相持平。

如果要长期保持这种补贴水平,并且UMAS所假设的LNG高使用情景之一成为现实,欧盟在2050年之前的投入可能将高达220亿美元。如果LNG价格保持相对较低水平并且氢气等替代燃料难以实现,则这一情景可能实现。

而伦敦大学学院的顾问们得出的结论是,到2050年,与被替换的柴油燃料相比,如此大规模的财政投入所降低的温室气体排放量只有6%。这一水平远低于国际海事组织的目标,即到2050年航运业温室气体排放量至少减少50%,并在接下来的半个世纪中实现零排放。

甲烷滑脱

UMAS指出,虽然LNG可能是最清洁的化石燃料,但也存在一些固有缺点。首先,与柴油相比,LNG的二氧化碳排放量仅减少20-25%。

其次,在LNG的供应链上,从天然气产出到液化和处理,再到再气化和使用,这一系列流程都可能出现一定程度的甲烷滑脱。而航运运输和作为燃料的天然气和LNG通常由95%甲烷组成。

甲烷是一种温室效应强大的气体,它通过捕获辐射促进全球变暖。美国最近的一项研究发现,按体积计算,二氧化碳占美国人类活动温室气体排放量的82%左右,而甲烷占9%。然而,按单位重量计算,甲烷对气候变化的影响是二氧化碳的25倍。

整个LNG供应链中甲烷的滑脱被控制在2.5%以下。然而,尽管甲烷排放量相对较小,但天然气滑脱的全球变暖潜力值商数高得不成比例。

在LNG动力船上,由于在燃料输送过程中出现气体泄漏,以及发动机燃烧室的一小部分天然气无法燃烧并通过排气系统滑脱到大气中,因此会发生甲烷泄漏。

在燃气发动机中作为未燃烧的碳氢化合物从燃烧室逸出的甲烷源于非常稀薄的甲烷和空气混合物中甲烷的不良燃烧、火焰传播动力学的变化、在汽缸阀门操作过程中,未燃烧甲烷的“漏气”。

发动机性能

LNG动力船上最受青睐的三种发动机类型是:奥托循环运行的稀燃和火花点火发动机、柴油双燃料压缩点火发动机(在奥托循环中像稀燃发动机一样运行,但带有柴油循环喷射来点燃甲烷/空气混合物)、在柴油机循环中使用天然气运行的柴油喷射压缩点火发动机。

第一种类型,劳斯莱斯和三菱制造的稀燃燃气发动机,在类似的空燃比下,可以实现比柴油双燃料发动机更低的下游二氧化碳排放水平。此类发动机还可以使用先进的点火正时在更稀薄的燃料空气混合物和更高的压缩比下运行。然而,此类发动机比压缩点火发动机更容易发生甲烷滑脱。

柴油双燃料发动机通常使用端口喷射的空气/甲烷混合物,其通过柴油循环喷射点燃并且燃烧具有与奥托循环燃烧中相同的火焰传播。此类发动机(包括瓦锡兰的四冲程和温特图尔燃气和柴油二冲程发动机)的甲烷滑脱水平低于稀薄燃气发动机。

在高压燃气喷射柴油循环发动机中(如曼恩公司的ME-GI机组),燃烧过程与传统柴油发动机一样使用引燃燃料点火并且是扩散控制型。此类二冲程发动机可靠性高,热效率和燃料灵活性好,甲烷滑脱水平几乎可以忽略不计。

然而,高压燃气喷射发动机无法将氮氧化物降低至国际海事组织即将生效的Tier III标准。这些发动机必须设有废气再循环系统和/或选择性催化还原系统,将氮氧化物降低至要求范围内。

一般来说,甲烷滑脱仅发生在奥托循环模式中(包括双燃料发动机),但不会发生在柴油循环模式中。发动机负载较低时更容易发生甲烷滑脱,天然气成分和发动机速度也有关系。

所有燃气发动机制造商都在致力于减少甲烷滑脱:通过对燃烧室技术地不断研发来改善燃烧过程、使用催化剂氧化未燃烧的甲烷、以及优化涡轮增压装置。利用催化剂进行甲烷氧化的后处理系统被认为是需要进一步开发的技术。

液化天然气的优势

LNG行业倡导使用液化形态的天然气为船舶提供动力,作为比使用低硫船用柴油和重燃油加装废气洗涤器方案更为清洁的替代方案。这是目前三种可行方案中唯一一种无需加装辅助设备即可完全满足国际海事组织 0.5%全球限硫规定和0.1%硫排放控制区域限制的方案。

二氧化碳不是船舶排放的唯一成分,还有硫氧化物、氮氧化物和颗粒物。LNG燃料在这些方面优势显著:天然气做燃料可100%避免硫氧化物和颗粒物排放,并将氮氧化物排放量减少90%以上。不同燃气发动机类型的氮氧化物排放量也有所不同。

尽管LNG具有这些直接优势,而且甲烷滑脱可能将进一步得到抑制,但委托UMAS作出报告的非政府组织运输与环境(T&E)认为,航运业应该从一开始就向使用液化天然气方案说不。该机构宣称:“这只会在糟糕的情况下投入大量资金,LNG资产最终可能陷入困境。”

T&E呼吁欧盟委员会修改其2014替代燃料指令,其中包含有关LNG再加注和加注设施的强制性规定。此外,该机构指出,欧盟应“取而代之采取具有前瞻性的技术,以达到需要的更大幅度的船舶减排量,包括液化氢基础设施和电池动力船的码头充电设施。”

然而,如果要实现大型远洋船的电池动力,则需要在化学和技术方面取得大幅进步。需要建立起全球充电基础设施,使用可再生能源供电,以及更频繁到访各港口进行充电。

未来燃料的困难

SEA\LNG是致力于推广液化天然气作为船用燃料商业案例的行业联盟,也是首批指出UMAS研究结论存在缺陷的机构之一。SEA\LNG表示,目前,氢和氨等替代燃料并不具有经济性,无法实现所需的规模化供应,也未经过航运运营实践的证明。

这些替代品被称为未来燃料,因为它们所依赖的技术尚未商业化。诚然,航运业和政府需要努力开发必要的零排放未来燃料技术,但这需要数十年的巨额投资。就目前而言,在环保的石油替代燃料方面,液化天然气是绝大多数远洋海运的唯一可用并且具有经济性的燃料。

氢气作为燃料方案(无论是以燃料电池的形式还是自身作为燃料)都受到了广泛青睐。它在运营中的零排放是一个强大的吸引力。然而,如何为航运尤其是大型船舶提供所需的足够氢燃料,是一个相当大的挑战。

氢可以通过电解水或烃燃料重整来制造。在这些燃料中,天然气是最合适的原料。另一项昭示着未来发展趋势的技术是电转气,利用过剩的可再生电力生产氢气。

由于需要将其从其他元件中释放出来所需的工作量,如果要为船舶燃料需求进行液化氢(LH2)的大量生产,则需要将其从其他元素中释放,并且建设所需的供应基础设施,因此成本高昂。

液态氢是一种低密度物质,沸点为-253℃。将燃料在船上进行低温状态下的储存需要使用特殊材料的大型、高成本、绝缘良好的液货舱。

氢还具有广泛的可燃范围:它在4-75%的空气浓度范围内燃烧。因此,需要配备先进的通风、报警和防火系统,以最大限度地降低液态氢动力船上氢泄漏所引起的火灾风险。

另一种可选方案是使用压缩氢取代液态氢。然而,压缩氢的能量密度较小,因此在航线较长的大型船舶上使用压缩气态氢可能是不切实际的。

将氢应用于燃料电池也具有挑战性。对于大型船舶来说,燃料电池需要提供高达500千瓦的功率,这需要高投资成本,并且要考虑燃料电池的预期寿命、尺寸、容量以及如何在船上妥善安装。

曼恩已经表示,其ME-GI氢燃料发动机运行相对简单,但认为液态氢所需的船上存储装置和辅助系统成本太高。推进系统制造商一直在权衡一种解决方案,将氢气转化为甲醇,应用于现有的ME-LGI发动机(ME-GI发动机改进型)。

虽然甲醇是一种清洁、可生物降解的液体燃料,但它目前比柴油更昂贵并且燃烧效率更低。此外它还具有毒性,每升包含的能源约为同体积汽油的67%。

LNG作为过渡燃料

LNG船用燃料的倡导者相信燃气发动机能够确保在一段比较长的时间内平稳过渡到零排放。他们还认为,未来几十年对LNG加注的投资并不会打水漂,而是将获得回报。

除了从传统燃油转换为天然气所带来的直接环境效益之外,航运业还进一步致力于减少燃气发动机所引起的大气污染。其选择之一是更多地使用来自可再生能源以及碳中和沼气的生物甲烷。

在更大范围内,航运业在满足国际海事组织的能效设计指数方面所做的努力将航运碳排放从2008年的峰值大幅减少。目前,能效设计指数正在进一步收紧,并且正考虑为2025年第3阶段执行生效后交付的新船附加其它条件。

国际海事组织未来几年将从行业和海事管理的角度实施可接受和可行的减排措施,而LNG作为过渡动力来源将在船舶燃料领域发挥关键作用。