低零排放船用燃料的发展概况及对我国的启示

低零排放船用燃料的 发展概况及对我国的启示 冯淑慧彭传圣 2022年9月 致谢 我们感谢抽空审阅本报告并提供了宝贵信息和建议的同行，包括程世东(发改委综合运输研究所)、BarbaraFinamore(牛津能源研究所)、TristanSmith(伦敦大学学院)、FaigAbbasov(欧洲交通与环境机构)、冒晓立和BryanComer(国际清洁交通委员会)以及Mi-chaelWalsh(国际顾问)。我们也感谢DortheJacobsen和PeterKirkeby(曼恩能源方案)对替代燃料解决方案章节提供了很多有用的信息。我们特别感谢自然资源保护协会的吴琪和杨君帮忙审阅本报告。 自然资源保护协会 自然资源保护协会（NRDC）是一家国际公益环保组织，成立于1970年。NRDC拥有700多名员工，以科学、法律、政策方面的专家为主力。NRDC自上个世纪九十年代中起在中国开展环保工作，中国项目现有成员40多名。NRDC主要通过开展政策研究，介绍和展示最佳实践，以及提供专业支持等方式，促进中国的绿色发展、循环发展和低碳发展。NRDC在北京市公安局注册并设立北京代表处，业务主管部门为国家林业和草原局。 交通运输部水运科学研究院 交通运输部水运科学研究院成立于1956年，是我国成立最早、规模最大的水路交通运输科研机构，也是唯一的综合性水路交通运输科研机构。经过多年发展，水运院形成了以“水运经济、安全应急、环保节能、现代物流、智能水运”五大科研领域为主、基本全面覆盖水路交通运输各个方向的专业体系，集咨询服务、装备研发、工程设计、航运服务、交流培训五大产业板块于一体的业务领域。水运院拥有400多名员工，包括运输经济学家、计量经济学家、交通/运输工程师、法律、政策和制度专家、信息和通信技术专家和培训专家。 目录 执行摘要1 1.全球气候行动的紧迫性6 2.国际海事组织温室气体控制的初步战略8 3.替代燃料解决方案概述11 3.1.替代船用燃料14 3.1.1.氢基燃料：氢和氨14 3.1.1.1.背景14 3.1.1.2.应用15 3.1.2.甲醇20 3.1.2.1.背景20 3.1.2.2.应用22 3.1.3.天然气（甲烷）25 3.1.4.电力28 3.1.4.1.背景28 3.1.4.2.应用28 3.2.碳基合成燃料：合成碳氢化合物燃料和生物燃料29 3.2.1.合成碳氢化合物燃料29 3.2.1.1.背景29 3.2.1.2.大气污染影响32 3.2.1.3.应用状态32 3.2.2.生物燃料32 3.2.2.1.背景32 3.2.2.2.应用34 3.3.小结：对比各类替代船用燃料的表现36 4.对中国的启示39 4.1.开发和应用低零碳船用燃料实现航运脱碳的路径逐渐明晰39 4.2.中国造船企业和发动机企业开展的试点项目和研究为开发低零排放解决方案 奠定了基础41 4.3.确立针对性发展措施，确保低零排放的船用燃料的充足供应42 4.4.替代燃料的成本较高是一个主要挑战，但最大限度地提高能源效率可以减少 转型中的障碍43 4.5.综合考量替代燃料的发展方案，投资更具长远发展价值的燃料类型44 5.建议46 5.1.制定适用于国内船队的温室气体和能源效率规章条例47 5.2.支持一批试点港口地区扩大低零温室气体排放燃料动力船舶示范项目48 5.3.确保航运成为中国向碳中和经济转型的重要组成部分49 6.结束语50 参考文献51 图录 图1.主要气候污染物对全球变暖的贡献7 图2.国际海事组织应对气候变化行动9 图3.与欧洲的船用轻柴油和液化天然气价格相比，可再生氢、氨、电制甲醇、 电制柴油和电制液化天然气的平准化成本14 图4.氢和氨生产来源19 图5.甲醇生产来源22 图6.柴油和双燃料发动机的全生命周期二氧化碳当量(CO2e)排放26 图7.生产碳基电制燃料的潜在途径30 图8.使用不同电力来源的电制甲烷温室气体强度31 图9.先进生物燃料、传统生物燃料和化石基替代燃料的全生命周期温室气体排放34 表录 表ES1.替代燃料的气候与环境表现、成本以及采用这些能源载体的优点和挑战4 表1.常规和替代船用燃料的特性12 表2.氨、氢、甲醇和甲烷燃烧产生的大气排放和泄漏特性13 表3.由亚洲造船商设计或建造的以氨为燃料的船舶17 表4.由亚洲造船商建造的以甲醇为燃料的船舶24 表5.替代燃料的气候与环境表现、成本以及采用这些能源载体的优点和挑战36 执行摘要 包括中国在内的多个国家今年夏天经历了严重洪水和创纪录高温热浪，反映出全球气候变化所导致的极端天气事件正在变得日益频繁。地球的平均温度已经比工业化前水平上升了1.1℃，预计到本世纪末升幅将达到2.4℃。为了避免气候变化对人类社会造成不可逆转的威胁， 2021年第26届联合国气候变化大会通过的《格拉斯哥气候协定》重申了《巴黎协定》的温度控制目标，承诺努力将全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上1.5℃的范围内。根据《格拉斯哥气候协定》，为实现这些目标，全球需要到2030年将二氧化碳排放量在2010年的水平上减少45%，并在本世纪中叶左右实现零排放，同时大幅减少其他温室气体的排放。 为积极参与全球应对气候变化的治理，中国已把协同控制空气污染和应对气候变化影响提升到其政策议程的首位。力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，同时深入打好污染防治攻坚战已成为中国经济、发展和环境规划的总体目标。 尽管目前《巴黎协定》没有涵盖国际航运的排放，但若把国际航运视为一个国家，其二氧化碳排放量将位居世界第六。同时航运业的甲烷排放量（一种强效温室气体）从2012年到2018年激增了150%。国际海事组织(IMO)已承诺到2050年国际航运年度温室气体总排放量将至少比2008年减少50%，但这一目标被质疑远未达到实现《巴黎协定》1.5℃目标所需的力度。 为了填补这一空白，许多国家和私营部门已采取一系列行动促进低排放或零排放(简称低零排放)船用燃料和推进技术的开发和应用，并刺激市场对这些燃料和技术的需求。最值得注意的行动包括主要海运客户呼吁航运企业提供更多气候友好型海运服务，以及越来越多的金融机构和保险公司开始根据脱碳标准跟踪和评估他们的航运贷款和保险的投资组合。 中国作为世界航运大国可以在支持航运业向零排放转型方面发挥重要作用。为了支持政策制定者制定推动航运业加快低或零排放转型的行动，本文回顾了船用替代燃料解决方案的最新发展，并提供了政策建议，以促进这些新燃料和技术的采用，并实现国家的碳中和、空气质量改善和经济发展目标。 迄今为止，氨、氢、甲醇、天然气和电力是获得最多关注的船用替代能源载体。这些能源 1 低零排放船用燃料的发展概况及对我国的启示 载体如使用可再生资源生产，可以达到低零排放（如表ES1所示）。它们现处于不同的发展阶段，在用作船用燃料方面各有优势和挑战。 虽然哪一种能源载体将在未来占据主导地位尚未有定论，但迄今为止启动的研究和示范项目表明，电池推进系统和氢燃料电池系统用于内河和短途沿海船舶上技术上可行，也是可扩展应用的零排放技术。船舶驱动技术直接使用电力或氢燃料可避免生产更复杂的电制燃料（如电制氨、电制甲醇和电制甲烷）所产生的能量损失，能够让航运业以更节能的方式利用可再生能源减排降碳。对于远洋航运，因为可再生甲醇和氨具有更高的能量密度并且相对更易于运输和在船上储存，这两种燃料已成为未来十年内最有前途的近零排放船用燃料。长远来看，氢能可以是一种更有优势的零排放解决方案：其在泄漏时对环境的潜在威胁最小。但氢能应用于船舶有先决条件：沿着繁忙的航道并最好在容易获得廉价可再生能源的地点，战略性地建设加氢基础设施。 航运业成功向零排放转型不仅需要零排放燃料，还需要零排放船舶和燃料加注基础设施。为了让全球航运能在本世纪中叶达到零排放，航运业将不可避免地需要建造大量零排放新船，并在2030年代开始大规模改造在役船舶以使用零排放燃料。中国是世界上为数不多的同时拥有领先造船业以及巨大可再生能源发电潜力的国家之一，也是拥有多个世界最大港口的重要航运枢纽。这些因素使中国处于有利地位，可以通过以下方式推动航运业的能源转型： 研发零排放船舶及其关键部件（例如燃料电池、电池和替代燃料发动机）， 加快研发和生产低零排放船用燃料的技术（例如电解槽），并扩大燃料生产能力，以及建立港口基础设施以供应低零排放燃料。 因此，全球对低零排放航运服务需求的不断增长将会为中国的造船、航运和港口行业带来宝贵的机遇。为了帮助这些行业抓住这一机遇，中国应制定政策来促进零排放燃料和推进技术的开发和应用，验证其技术和商业可行性，并加快通过法规和指引以确保这些新燃料的安全使用。这些政策可包括： 1.针对本地船舶实施温室气体和能效法规，包括： 在船用发动机排放标准中增加温室气体相关要求，确保在发动机设计时能考虑协同控制空气污染物和温室气体排放 为新船和在用船舶制定能效要求，以降低转型到替代燃料的成本障碍 根据全生命周期排放量为船用燃料制定温室气体强度标准，以推动真正低零排放燃料的生产和使用 2 2.支持试点港口地区扩大低零温室气体排放燃料船舶示范项目，包括：增加资金以扩大示范项目规模 提供资金支持开发生产和供应低零排放燃料的核心技术为选定的国内船种设定长期零排放目标 参与双边或多边航运绿色走廊计划 3.确保航运业成为推动中国碳中和经济转型行动的一个组成部分，从而使航运业能利用新开发的可再生能源和可再生氢的供应。 鉴于全球航运业向零排放能源转型势在必行，支持中国的造船业、航运业和港口业建立生产、使用和供应零排放燃料和技术的能力对于保持这些行业的全球竞争力至关重要。这样做不仅可确保中国保持其作为全球航运大国的地位，还可以使中国航运业能够轻松获得应对国内外减排降碳挑战至关重要的低零排放燃料和技术。 3 低零排放船用燃料的发展概况及对我国的启示 4 表ES1.替代燃料的气候与环境表现、成本以及采用这些能源载体的优点和挑战 能源载体 相对于船用轻柴油，全生命周期温室气体排放比例 使用过程相对于常规燃料的大气污染物排放量 产自可再生能源的电制燃料相对船用轻柴油价格的成本比例h 技术、安全和燃料供应需考虑的因素 化石燃料a 产自可再生能源的电制 燃料b PM NOx SOx 2030 2050 优势 挑战 液氨 140% 6% 0d 可能比常规燃料多，需要应用NOx减排措施 0d 3.2 2.7 低可燃风险容易储存和运输 生产可再生电制氨的成本比生产其他可再生电制燃料低 已在全球交易的商品 毒性很高可能产生N2O排放和氨逃逸发动机发展处于设计阶段燃烧特性差缺乏燃料供应基础设施还未有安全法规对某些物料有腐蚀性 液氢 166% 0% 0d 根据发动机的设计而变化 0d 3.7 2.7 低毒性如泄漏对环境影响低 高储存和运输成本爆炸风险缺乏燃料供应基础设施 纯氢气发动机刚推出市场，营运经验有限 甲醇 101% 1% 比常规燃料低e ~35%f至100%g 0d 4.5 3.3 甲醇动力发动机已商业化容易储存和运输如泄漏对环境危害也比传统燃料低只需轻微改造便能使用现有燃料供应基础设备 改造现役发动机使用甲醇的费用比其他替代燃料低 国际海事组织已通过临时安全导则已在全球交易的商品 比传统燃料需要更多储存位置爆炸风险高有毒，但比氨毒性低 可再生电制甲醇的生产成本比其他可再生电制燃料高 对某些物料有腐蚀性 5 液化天然气 83-103%c 2-12%c 0d ~75%至100%g (狄塞尔循环) ~10% (奥托循环) 0d 4.0 2.9 毒性低天然气动力发动机已商业化几个大海港已有燃料供应基础设备国际海事组织已通过安全导则 易燃性高 甲醇逃逸和上游甲醇泄漏可大幅抵消燃烧时二氧化碳减排的效益生产和使用可再生电制甲烷的成本比生产其他可再生电制燃料高 生物甲烷的可扩展性值得怀疑储存和运输成本高 锂离子电池 取决于使用电力的温室气体强度 0 0 0 不适用 随着各国可再生电力占比增加全生命周期排放