专题报告（燃料油）：航运碳中和：碳中和政策对航运市场影响（五）-甲醇还是氨？
中信期货研究|专题报告(燃料油) 2023-03-21 航运碳中和：碳中和政策对航运市场影响（五） ——甲醇还是氨？ 报告要点 本系列专题主要探讨碳中和政策对航运业的影响，分为碳中和政策介绍、航运业碳排放趋势、航 运业降碳路径、航运业降碳影响四个方面，本报告聚焦航运碳中和背景下氨和甲醇作为船用燃料的前景。 摘要：碳中和政策大势所趋，航运业碳减排刻不容缓：船舶能效设计指数(EEXI)于2023年1 月1日正式实施，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%（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。绿色甲醇、绿氨被视为中长期最有增长潜力的航运碳中和替代船用燃料，本文重点从密度、排放、成本、可用性、产能角度分析对比，现阶段技术条件下甲醇较氨更适合作为碳中和航运燃料，但随着技术发展，零碳燃料氨的优越性将超过甲醇。 投资咨询业务资格： 证监许可【2012】669号 化工研究团队 研究员： 胡佳鹏（甲醇、尿素） 021-80401741 hujiapeng@citicsf.com从业资格号：F3039655投资咨询号：Z0013196 黄谦（PTA、乙二醇） 021-80401738 huangqian@citicsf.com 从业资格号：F3063512投资咨询号：Z0014611 杨家明（燃料油、沥青） 021-80401704 yangjiaming@citicsf.com 从业资格号：F3046931投资咨询号：Z0015448 重要提示：本报告难以设置访问权限，若给您造成不便，敬请谅解。我司不会因为关注、收到或阅读本报告内容而视相关人员为客户；市场有风险，投资需谨慎。 目录 摘要：1 一、航运业降碳最重要的路径——使用低碳燃料4 二、替换燃料船舶发展9 三、替换燃料成本对比23 四、替换燃料综合评价25 免责声明34 图目录 图1：船舶燃料变化趋势4 图2：潜在船用替代燃料的典型理化特性5 图3：各燃料二氧化碳排放因子5 图4：各燃料二氧化碳排放单位：kgCO2/kg燃料6 图5：井到舱和舱到桨全生命周期排放示意图6 图6：燃料的全球变暖潜值单位：gCO2/MJ燃料7 图7：2020年中国化工产业不同行业碳排放量单位：千万吨8 图8：井到桨全生命周期排放单位：tCO2/t燃料8 图9：现阶段各主机燃料14 图10：MAN公司基于柴油机的双燃料引擎14 图11：投入运行的替代燃料船舶类型和数量17 图12：新造订单替代燃料船舶类型和数量17 图13：投入运行的替代船舶燃料占比（数量）18 图14：新造订单替代船舶燃料占比（数量）18 图15：投入运行的替代船舶燃料占比（载重吨）18 图16：新造订单替代船舶燃料占比（载重吨）18 图17：LNG动力船队及订单比例（载重吨）18 图18：其他替代燃料动力船队及订单比例（载重吨）18 图19：2050航运燃料占比（designrequirements）19 图20：DR路径下新船订单燃料占比20 图21：OR路径下新船订单燃料占比20 图22：航运燃料分布预测20 图23：ALPHALINER船舶订单变化21 图24：海运公司船舶订单单位：百万标箱21 图25：不同潜在航运燃料价格单位：美元/百万英热23 图26：各燃料全交付成本单位：欧元/兆瓦时24 图27：各燃料生产成本单位：欧元/兆瓦时24 图28：2019年替代燃料成本对比24 图29：基于IMO船舶燃油消耗数据库的替代燃料消耗情况单位：吨25 图30：替代燃料船舶数量单位：艘25 图31：MARPOL氮氧化物排放限制26 图32：IMO氮氧化物排放限制值27 图33：氮氧化物减排技术27 图34：各燃料氮氧化物排放对比28 图35：船用替代燃料的供应能力单位：%29 图36：2050氨需求展望单位：百万吨29 图37：2050氨需求展望单位：百万吨29 图38：2050氨产量预估单位：百万吨30 图39：2050氨航运燃料需求单位：百万吨30 图40：现阶段航运燃料发展阶段30 图41：各燃料综合评分31 一、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。 图1：船舶燃料变化趋势 资料来源：DNV中信期货研究所 自1897年第一台使用液体燃料的内燃机问世及1910年代柴油机动力装置真正意义上装船应用，“柴油机+燃油”驱动的航运业已逾一个世纪。传统的燃料选择是比较单一的化石基重质燃料油(HFO)、轻质燃料油(LFO)或柴油(MDO/MGO)。进入21世纪，随着《国际防止船舶造成污染公约》(MARPOL公约)附则VI的生效实施和累次修正，船舶废气排放中的氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、颗粒物(PM)、CO2等逐渐被纳入不断严格的监管之中，低硫燃油(LSHFO)、液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)等替代燃料的应用成为船舶减少排放的选项之一；尤其是随着 《IMO船舶温室气体减排初步战略》的通过及船舶能效、碳强度等方面法规的生效实施，通过应用低碳/零碳燃料同步减少NOx、SOx、PM、CO2排放成为当前的讨论热点。 对于水路运输燃料而言，学术界、工业界研究和讨论的替代燃料包括LNG(主要成分为甲烷)、LPG(主要成分为丙烷和丁烷)、二甲醚(DME)、甲醇、乙醇、氢气(H2)、氨气(NH3)、合成燃料(SyntheticFuels)、生物燃料(Biofuels)、电 制燃料(e-fuels或Power-to-X)等。 其中，合成燃料、生物燃料、电制燃料均是比较宽泛的概念，例如：合成燃料可能包括化石基或生物质基的合成甲醇、合成氨、合成汽油、Fischer-Tropsch柴油等；生物燃料可能包括生物甲烷、生物甲醇、乙醇、生物二甲醚、生物柴油等，而生物柴油又包括脂肪酸甲酯(FAME)、脂肪酸乙酯(FAEE)、纯植物油(SVO)、加氢植物油(HVO或HDRD)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。合成的、生物质的或电制的某种燃料可认为与对应的化石基燃料有近似的理化性能，各种燃料的典型理化特性如图所示： 图2：潜在船用替代燃料的典型理化特性 燃料 分子式 沸点/℃ 空气中的自燃点/℃ 空气中的可燃极限/vol% 质量能量密度/（MJ/kg） 体积能量密度/(GJ/m³） 仓储温度/（℃） 储罐体积 柴油 CnH2n&CnH2n+2（n=10-15） 180-370 210 0.6-7.5 42.8 36.6 常温 1 LNG CH4 -162 540 5.0-15.0 48.6 20.8 -162 1.59 LPG C3H8&C4H10 -42 450 2.1-9.5 46.1 24.8 -42 1.35 甲醇 CH3OH 65 464 6.7-36.0 19.9 15.8 常温 2.33 乙醇 C2H5OH 78 365 3.3-19.0 26.7 21.1 常温 1.75 DME CH3OCH3 -25 350 3.4-27.0 28.8 19.2 常温 1.91 液氢 H2 -253 585 4.0-75.0 120 8.5 -253 4.12 液氨 NH3 -33 651 15.0-28.0 18.6 12.6 -34 2.76 资料来源：世界海运中信期货研究所 图3：各燃料二氧化碳排放因子 燃料 燃料消耗 燃料排放因子（g/kWh） g/kWh CO2 CH4 N2O SOx NOx PM LSHFO 179 541 0.01 0.027 3.23 15.8 0.72 LNG 150 412 3 0.026 0.003 1.17 0.027 液氢 57 0 0 0 0 0 0 甲醇 381 522 0 0 0 3.05 0 液氨 381 0 0 N.A. 0 N.A. 0 资料来源：世界海运中信期货研究所 图4：各燃料二氧化碳排放单位：kgCO2/kg燃料 燃料类型 低热值（kJ/kg) 碳转换系数 单位碳排放低热值（kJ/g) 单位低热值碳排放量（g/kJ) 降碳潜力/% 重/轻柴油 42700 3.206 13.3188 0.1502 3.07 轻燃油（LFO） 41200 3.151 13.0752 0.153 1.27 重燃油（HFO） 40200 3.114 12.9094 0.1549 0 丙烷（LPG） 46300 3 15.4333 0.1296 16.35 丁烷（LPG） 45700 3.03 15.0825 0.1326 14.41 液化天然气（LNG） 48000 2.75 17.4545 0.1146 26.04 甲醇 19900 1.375 14.4727 0.1382 10.8 乙醇 26800 1.913 14.0094 0.1428 7.85 资料来源：世界海运中信期货研究所 考察各种燃料的理化性能，其在内燃机、燃料电池等终端设备中使用在技术上是完全可行的。燃料电池虽然没有热化学反应且效率较高，但其功率容量、经济性、可靠性、耐久性还面临诸多挑战，对于大型商船而言应用前景尚不明朗，可以预期内燃机仍是主流选择。而就内燃机燃用各种燃料的环境表现而言，SOx、PM排放均可忽略不计；只要存在燃烧反应，NOx排放就不可避免，但生物柴油、氨气作为燃料时的NOx排放甚至高于传统的柴油/燃料油；就CO2排放而言，单纯地讨论燃烧排放没有意义，同步考虑上游的井到舱(Well-to-Tank，WtT)和下游的舱到桨(Tank-to-Wake，TtW)全生命周期排放。 图5：井到舱和舱到桨全生命周期排放示意图 资料来源：LongspurResearch中信期货研究所 目前还需等待IMO的LCA导则的生效实施才能具备强制性的、科学的方法指导。各种燃料的全球变暖潜值(GlobalWarmingPotential，GWP)，燃料的原料、生产过程显著影响其生命周期温室气体排放。同时，基于生命周期评价赋予各种替代燃料生命周期标签(FuelsLifecycleLabel，FLL)，也能有效避免直接将氢、氨简单认可为零碳燃料或忽视了生物柴油、可再生甲醇等的零碳属性。 比较航运燃料时考虑四个问题：密度、排放、成本和可用性。 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。生物质燃料始终存在与粮食、农作物、耕地、淡水资源等的竞争，以及地理分布不均衡、显著受到气候条件的影响等挑战，但并不排除其在局部、细分市场的应用潜力。此外，生物质也是生产可再生氢、氨、甲烷、甲醇、柴油的原料之一，因此可作为可再生燃料生产原料的重要补充。 图6：燃料的全球变暖潜值单位：gCO2/MJ燃料 250 200 150 100 50 0 柴油（a）LNG（b）生物甲烷（c）LPG（a）甲醇（b）甲醇（d）甲醇（e）生物柴油（h）HVO（b）DME（e）氢气（i）氢气（b）氨气
