船舶碳捕集技術應用前景與展望

中國船舶集團公司第七一四研究所 王立健 曹 林 魏志威

全球氣候變暖問題愈發嚴峻，航運雖然相對友好，但已成為全球溫室氣體排放的大戶之一。2020年8月4日， 國 際 海 事組織（IMO）第四次溫室氣體研究（GHG4）報告顯示，2019年全球船隊的燃油消耗量預計為2.65億噸，碳排放量預計為8.19億噸，接近德國一年的碳排放量。同期，航運業在全球排放總量中所占的比例從2.76%上升至2.89%。

隨著全球海上貿易量的猛增，如果控制措施不及時落實，根據IMO預測全球船舶碳排放量在2050年將增長150%～250%，占比增至18%。以最不樂觀的情形計算，屆時航運業將貢獻全球17%的碳排放量，幾乎和拒絕簽署《巴黎氣候協定》的美國相當。盡管受新冠疫情影響，今明兩年的排放量會有所下降，但研究表示：“未來幾十年的排放量最多可能比預計的低幾個百分點”，具體取決于經濟復蘇情況。總體而言，航運業距離IMO設定的2050減排目標還差得很遠。

世界各國已經注意到航運自身溫室氣體排放對氣候變暖的加速作用，紛紛推進低碳航運技術研究以及清潔燃料開發，但短期內國際航運仍需依賴傳統燃料的事實難以改變。為此，必須采取合理的CO2減排措施，早日實現航運碳減排目標。近年來，碳捕集與封存（Carbon Capture and Storage，CCS）技術已經成為陸上電站CO2減排的首選方案，同時也為盡快實現航運大規模二氧化碳減排帶來了可能。因此，對船舶二氧化碳捕集技術應用前景進行分析研究，積極推動碳捕集技術上船，對于未來航運的節能減排發展具有重要意義。

船舶碳捕集技術發展現狀

碳捕集與封存技術是指將CO2從燃燒排放源捕獲并分離出來，輸送到油氣田、海洋等地點進行永久封存，從而阻止或者顯著減少溫室氣體的排放，以減輕對地球氣候的影響。國際能源機構曾指出采用CCS技術是緩解甚至消除氣候變化的有效措施，IPCC（聯合國政府間氣候變化專門委員會）也表示CCS技術對于全球溫室氣體減排具有非常重要的意義。

目前，CCS技術捕獲二氧化碳的方法主要有三種，分別是燃燒前碳捕集法、富氧燃燒碳捕集法、燃燒后碳捕集法。其中，由于燃燒后碳捕集法是在廢氣處理過程中進行CO2捕獲，碳捕集過程對燃料燃燒過程的影響也最小，因此該方法是最容易實現的，也是最成熟的方法。

表1 三種碳捕集方案工作原理及特點

圖1 三種碳捕集方案工作流程圖

圖2 “Eurostar”項目船用CCS系統概念圖

碳捕集技術作為應對全球氣候變化的關鍵技術之一，自誕生之日起就受到世界各國的高度重視。國際上很多政府、組織、企業等都在積極推動CCS在全球的發展與布局，為CCS發展提供了強有力的政策支持，并紛紛加大研發力度，在CO2驅油等方面已取得一定進展，但在產業化方面還存在困難。

早在2010年，DNV就與PSE合作開展了一個名為“Eurostar”的聯合項目，并在2013年宣布了船用碳捕集系統的可行性，同時提出了一種用于運輸船舶上二氧化碳捕獲、液化和臨時存儲的方案及系統。該系統利用化學吸收法將二氧化碳從船舶柴油機尾氣中分離出來，捕獲的二氧化碳通過液化裝置被壓縮液化，并在運輸途中臨時儲存在兩個儲罐中，然后排放到港口的輸送和儲存設施中，能夠實現將航運船舶的二氧化碳排放量減少65%。

表2 “decarbonICE”船用碳捕集項目情況

2019年10月，全球著名航運公司包括NYK、Sovcomflot、Knutsen OAS和Ardmore，造船廠商DSME以及礦業公司Vale，與丹麥海事發展中心聯合啟動一個名為decarbonICE的船上碳捕集與封存（CCS）解決方案研究項目。項目研究表明，碳捕集系統及裝置非常適合新造船舶，但也可以在現有船舶上使用，CCS技術的成功應用將加速航運業向IMO減排目標過渡。

船舶碳捕集技術發展及應用前景

近年來，為響應全球二氧化碳排放控制號召，IMO、歐盟等都采取了一系列控制船舶碳排放的措施。IMO于2011年7月為整個工業部門制定了全球首個強制性全球溫室氣體減排計劃，并在2018年通過了一項氣候變化戰略，要求到2050年，溫室氣體(GHG)排放量比2008年減少50%。據《到2050年的海運預測》估計，要達到2050年GHG的排放目標，任何船只的排放量都必須低于目前平均船只排放量的30%。因此，未來航運必須盡快實現巨大的二氧化碳減排。

圖3 全球航運貿易二氧化碳排放趨勢預測

全球變暖已經影響到全世界的環境和氣候變化，從源頭控制碳排放源是減少碳排放的有效措施，CCS技術便是一種從源頭控制碳排放的方法。CCS技術可以將原本會被排放到大氣中的90%的二氧化碳安全地捕獲并埋存于地下，該技術已被公認是大規模開發低碳能源和可持續使用化石燃料的關鍵。據研究，若在船上應用二氧化碳捕獲和儲存系統能夠將船舶二氧化碳排放量減少高達65%，這對于一艘安裝CCS裝置的VLCC來說相當于每年從大氣中吸收超過70000噸二氧化碳。

碳捕集技術上船面臨的主要問題

1、船上空間有限，安裝改造難度大

由于船舶設計當初并沒有考慮到CCS系統改造，以及本著充分利用船舶有限空間的設計目的，船上的各種配套裝置布局設計本就空間緊湊，碳捕集系統安裝改造必將增加船舶的空間改造壓力，同時也會犧牲掉部分的運載空間。以目前較為成熟且被廣泛認可的醇氨法燃后碳捕集系統來說，工藝過程繁多，系統基本單元劃分為二氧化碳吸收單元、再生單元與冷卻單元。若采用該系統對船舶進行二氧化碳捕獲，需要對船舶的尾氣處理裝置進行改造，增加安裝吸收塔、再生塔及各種換熱器、泵閥等裝置，船舶空間改造難度可見一斑。

2、能量消耗增加，對船舶性能產生影響

碳捕集系統復雜、裝置眾多，在船舶上進行二氧化碳捕獲無疑會增加額外的能源消耗，也將對船舶性能帶來很大的影響。例如，額外的電力消耗、熱量損失將增加燃料消耗，更多的空間占用導致貨物運輸的減少等。醇胺法燃后碳捕集過程就是一個典型的高能耗化學過程，其中醇胺溶液再生過程就需要大量的熱量，這部分能耗約占整個碳捕集系統能耗的70%～80%。此外，CCS系統裝置需要與船舶主機保持實時同步運行，長時間的工作狀態下，各類泵閥裝置均需要大量的電能消耗。

圖4 全球航運貿易二氧化碳排放趨勢預測

3、CO2船上存儲的安全性和經濟性相互制約

船舶航行的特殊性決定了船上CCS系統捕獲的二氧化碳必須要先存儲在船舶上，而不能像陸用CCS系統那樣將捕獲的二氧化碳隨時運輸至存儲地或者利用地。二氧化碳存儲方式主要以氣態存儲和液態存儲為主，船上CCS捕獲的二氧化碳采用何種方式存儲必須要進行綜合評估，既要考慮到船上二氧化碳存儲的安全性、空間有限性，也要兼顧存儲的成本問題。高壓的氣態二氧化碳或者是液化存儲的二氧化碳都具有一定危險性，并且航行環境的特殊性對存儲的安全性提出了更高的要求。此外，氣態二氧化碳存儲要必然占據大量的船上空間，進而會影響到運輸船舶的運輸性能；而液態存儲也要面臨液化難題，高壓二氧化碳液化需要吸收大量的冷能，無疑會增加船舶的燃料消耗，最終都將導致船舶的運行成本增加。

4、碳捕集成本高昂成為阻礙上船的主要原因

前文分析到CCS系統的捕獲過程乃至存儲過程都要消耗掉大量的能量，也就意味著在船上進行二氧化碳捕獲和存儲的成本相對較高。以現有的陸用CCS示范項目為例，據統計，目前CCS示范工程投資額都在數億元人民幣的規模，而且，在現有技術條件下，引入碳捕集后每噸二氧化碳將額外增加140～600元的運行成本。而船上碳捕集面臨的捕獲及存儲難度更大，其運行成本也必將會高于陸用CCS系統。當前陸用碳捕集系統推廣難的主要原因就是運行成本高，而這也對于經濟性要求更為苛刻的航運業來說，若想要碳捕集系統上船，同樣面臨著高成本難題。

相關對策建議

一是加大技術研發與投入，逐步解決上船難題。船舶碳捕集技術短期內難以實現上船，但應以前瞻性的眼光看待未來船舶二氧化碳捕獲及存儲的重要性和必要性。船用CCS技術商業化應用之前尚需長期且持久的技術研發與攻關，國家及相關航運組織需加大對船用CCS技術的研發投入，充分考慮航運船舶的“移動性”和“空間有限性”，重點突破船用CCS系統上船的技術難點。優化CCS系統流程和裝置布局，縮小系統裝置的體積和重量；進行船舶動力與CCS系統的耦合研究，充分考慮風能、太陽能等多能利用和船舶余熱利用價值，解決CCS系統能量消耗大，對船舶運行性能影響大的缺點。

二是因船而異，優化二氧化碳船上存儲方式。在船上進行捕獲CO2的臨時存儲，既要考慮安全性、經濟性，也要求對船舶營運性能影響的最小化。針對常用的兩種物理存儲方式，需要根據不同船舶的運輸特點進行具體的優化分析、深入研究，選擇合適的碳存儲方式。短途運輸、內河運輸船舶適合采用氣態罐裝存儲，可將存儲成本降到最低；而遠洋船舶則需要考慮到存儲時間長、空間有限，危險性增加的弊端，液態存儲相較于氣態存儲更加適合，但其存儲成本也將更高。此外，建議還可考慮利用化學方法進行碳封存，例如運用式（1）和式（2）的方式，將CO2存儲在CaCO3中，需要投入的原料為CaO，而NaOH可以實現循環利用，得到的CaCO3可以作為建筑材料售出，同時，CaCO3售出收入也可以補貼碳捕集成本支出。

三是推動船用CCS技術示范應用?？v觀陸用碳捕集技術的發展路線，當前碳捕集示范電站已取得顯著成效，有效推動了CCS技術的成熟和應用發展。船用CCS技術領域尚處于起步研發階段，僅有國外的幾家航運組織和企業正在聯手推進CCS系統理論驗證和技術上船。我國作為航運大國，同時也在積極踐行“綠色航運”理念，需要把握新技術發展動向，加快推動船用CCS技術研究的同時積極推進示范應用，為實現IMO的2050年碳減排目標做好準備。在應用示范過程中，積極探索，勇于嘗試，注重應用模式的創新；應用需求牽引，通過應用有效促進新技術成熟、標準完善和產業壯大。

四是出臺鼓勵和補貼政策，完善碳利用及交易市場。為解決碳捕集高成本問題，不僅僅需要技術的突破與提升，更需要政府及其他渠道補貼或分擔成本。建議政府出臺鼓勵和補貼政策，可以采用增收碳排放稅和給予碳減排補貼的方式，鼓勵船東積極響應航運碳減排號召，采用清潔燃料或者安裝船用碳捕集裝置，推動CCS系統上船。航運捕獲的CO2如何利用也是碳減排的重要一環，鑒于CO2的工業用途不斷擴大，船舶運營商將能夠將其轉化為一種商品，從而進入有利可圖的新領域。例如，液態CO2可以輸送到石油和天然氣行業，在那里它被用作老化油田的強化采油作業的注入介質。同時，需要完善碳交易和應用市場，確保捕獲的CO2都能進行合理存儲或者充分利用，發揮其應用價值，從而降低碳捕集成本。

中國船級社召開西南地區委員會2020年年會

2020年10月30日上午，中國船級社（CCS）召開西南地區委員會2020年年會。本次年會以“構筑行業命運共同體，推動長江經濟帶綠色發展”為主題，重慶海事局、云南省交通廳、重慶市交通局等政府機關領導和航運業、造船業、船用和海工設備配套業等40余家單位代表匯聚一堂，共商行業發展共同體、技術共同體和質量共同體構筑，共話推動長江經濟帶綠色發展舉措。CCS副總裁朱愷出席了會議并致辭，會議由西南地區委員會秘書長、CCS重慶分社總經理顧思遠主持。

朱愷副總裁在致辭中感謝了西南地區政府、海事主管機關和各委員單位對CCS工作的大力支持，表示CCS將繼續履行國家船檢主力軍的職責，配合政府和主管機關不斷提升水上交通安全水平，增強人民群眾的獲得感、幸福感、安全感，促進航運安全高質量發展；與西南業界通力合作，共同推動成渝地區雙城經濟圈建設，聯手打造內陸改革開放高地，以“一帶一路”為引領，建設好西部陸海新通道，積極參與國內國際經濟雙循環，形成優勢互補的“高質量發展”命運共同體，與業界一起攜手走出一條生態優先、綠色發展的新路子，為推動長江經濟帶高質量發展提供堅實支撐和有力保障。

與會代表紛紛表示，將進一步依托CCS西南地區委員會平臺效用，與業界各方持續深化合作、互利共贏，共同推動航運、造船、海洋工程和相關行業安全、高質、健康發展，全面貫徹落實習近平總書記關于統籌抓好疫情防控和經濟社會發展作出重要指示精神，為服務好交通強國、海洋強國建設做出新的貢獻。