綠色甲醇燃料的船用分析與展望

李娜，張卓緣

（1.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510725；2.中國藥科大學，江蘇 南京 210009）

1 背景

在全世界面對氣候變化的大背景之下，航運業溫室氣體污染問題所面對的國際與國內風險也日益增大。2018 年4 月13 日，國際海事組織的第七十二屆海洋與環境會議在英國倫敦審議通過了全球海上運輸溫室氣體減排的基本策略，并將逐步實現三個階段的計劃,明確了到2050 年全球溫室氣體全年的總排放量將與2008 年比至少下降百分之五十的遠景目標[1]。目前，中國航運業也正以二O 三O 年碳達峰的總體目標和二O 六O 年碳中和的愿景為指引，積極探索向低碳發展的道路途徑[2]。

若要達到航運領域的排放標準，應從船舶產生污染排放的源頭出發，研究并采用潔凈的綠色燃料發動機或燃料電池等作為船舶動力源。只有從溫室氣體的產生與排放源頭進行布局和研發，才能有望在國際和國內共同實現溫室氣體減排的目標。

2 甲醇燃料特性

甲醇是一種新型清潔能源，根據生產工藝的不同，分為黑色、灰色、藍色和綠色甲醇四大類。黑色甲醇是以煤炭作為原料進行生產加工獲得的；灰色甲醇的原料是天然氣，通過轉化、蒸餾合成等工藝進行生產；藍色甲醇是從廢水、工業副產品中提取生產的，是一種可再生甲醇；綠色甲醇則可通過多種方式生產，例如二氧化碳、可再生能源等，是一種實現減碳目標的理想燃料。

甲醇的化學分子式為CH3OH，是一種無色、透明、易揮發的易燃液體。其理化性質與汽油類似，閃點為12 ℃，是一種低閃點燃料，甲醇等船用燃料的主要性能參數如表1 所示。甲醇密度比重燃油小，熱值比重燃油低，所以同等續航力下所需甲醇的儲存艙容比重燃油多。因為甲醇不含硫，甲醇燃油雙燃料發動機在甲醇燃料模式下的硫氧化物（SOx）排放量相比于柴油發動機可降低99%，其所含硫氧化物主要來自于引燃油，由此可見甲醇燃油雙燃料發動機很好地達到國際海事組織對SOx 排放控制量的要求，同時與重油排放相比，綠色甲醇在全周期內可以達到零碳排放。

表1 船用主要燃料性能參數表

國際海事組織制訂了關于使用甲醇等燃料的安全使用等規范要求，以打通在甲醇運輸與船舶利用等各過程中所面臨的問題障礙[3]。為滿足我國艦船上使用甲醇燃料需求，中國船級社也制定了《船舶應用甲醇/乙醇燃料指南》規范要求[4]。

隨著航運業不斷加速脫碳進程，甲醇作為一種替代燃料備受關注。甲醇有著成本低、技術成熟、改裝難度小、使用安全、加注便利等優勢，并且能夠在很大程度上減少多種污染物的排放。環境咨詢公司Ricardo 的報告顯示，綠色甲醇在各類替代燃料中的減排潛力排名第一，其生產和船舶存儲等技術都是可獲得的，并且與船舶內燃機相兼容，目前甲醇燃油雙燃料發動機已經實現商業化。在基礎設施領域，甲醇具備了豐富的化工基礎設施，將能夠形成甲醇燃料脫穎而出的競爭力。未來，綠色甲醇也將能夠通過各種方式獲取，主要包含了生物質氣化、環保合成、火炬氣體和廢物填埋氣等。

3 船舶應用形式

現階段綠色甲醇在船舶上的應用形式主要是作為船舶發動機的燃料，少數作為燃料電池動力船舶的燃料或重整治氫的原料。面向船舶清潔能源的應用需求，綜合考慮功率等級、轉化效率、技術成熟度等因素，甲醇發動機和燃料電池都具備各自相應的優勢。

3.1 甲醇發動機

船舶發動機在輸出功率范圍廣和能量轉換效率高等方面具備綜合優勢，未來在船舶燃料低碳改造方面也將起到關鍵作用，甲醇低速二沖程發動機現已在甲醇運輸船上投入商業使用。

2013 年MAN 公司初步完成了船用甲醇低速機的研發，標志著甲醇燃料開始真正進入船用領域[5]。2015 年MAN 公司完成了甲醇雙燃料發動機的臺架測試，2016年在某項目試航時成功完成主機負荷試驗。MAN 公司研制的某系列甲醇發動機的頂部噴射系統如圖1 所示，黃色管路為甲醇燃料注入管，該機型已有多臺訂單，逐步開拓了船舶市場并進入規模化應用階段。甲醇雙燃料發動機與傳統燃油發動機的主要區別是燃料噴射系統，除了保留原燃油噴射系統外，額外增加了一套甲醇噴射系統，主要包括甲醇噴嘴、液壓油與密封油模塊等。船上需要配置甲醇燃料儲存、注入和輸送、供給等相關的配套系統，還需考慮規范規則要求的應急切斷和安保系統等。

圖1 甲醇燃油雙燃料發動機

3.2 甲醇燃料電池

燃料電池利用氫與氧直接反應，從而產生電能，因其能源轉換利用率較高也是未來艦船動力裝置的主要發展方向之一，其在船上的應用分為低溫燃料電池與高溫燃料電池[6]。國內外都在積極研究有關船舶氫燃料電池的應用技術，氫燃料電池按照其燃料的來源不同，可以分為直接式燃料電池（例如直接甲醇燃料電池）和間接式燃料電池（例如甲醇通過重整器產生氫氣，再以氫氣為燃料的電池）。

直接甲醇燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell,縮寫DMFC）屬于一種甲醇溶液作為燃料的低溫燃料電池，采用了質子交換膜做固體電解質。DMFC 的基本工作原理如圖2 所示：由陽極進入的甲醇溶液燃料在催化劑的作用下迅速分解為質子，并同時釋放出電子，將質子經由中間的質子交換層傳送至陰極，然后再和陰極的氫氣進行化學反應得到水。在此過程中所形成的電子通過外電路回到了陰極，形成了傳輸電流并可以帶動負載。與普通的化學電池不同，燃料電池不是能量存儲裝置，而是能量轉換裝置，只要不斷地向其中輸入甲醇燃料，就可以向外電路負載（如船舶用電系統）持續輸出電能。

圖2 直接甲醇燃料電池工作原理示意圖

重組式甲醇燃料電池（Reformed Methanol Fuel Cell,縮寫RMFC）是以甲醇為燃料的一種高溫質子交換膜燃料電池類別。甲醇在被投入燃料電池前，首先需要經過重整器進行甲醇的重組反應，產生的氫氣提純過濾后提供給氫燃料電池堆。RMFC 的基本工作原理如圖3 所示：甲醇和水按一定的比例混合后，經過氣化加熱器形成混合蒸汽，而后重整裝置將蒸汽中的甲醇轉化為H2、CO2和少量的CO,該反應在250℃至300℃的溫度下進行。反應后生成的混合氣體在經過氫氣提純過濾器后，干凈的氫氣進入燃料電池堆，和空氣中的氧氣發生化學反應產生電能，可以供給船舶用電系統。

圖3 甲醇重整燃料電池工作原理示意圖

重組式甲醇燃料電池系統相比起直接甲醇燃料電池系統更加有優勢，其具有模組小、高效率、甲醇純度要求較低以及不需要水管理系統等特點。據國際船舶網消息，由德國Freudenberg 開發的甲醇動力燃料電池系統已獲得意大利船級社頒發的型式認可，這是全球首款獲得船級社認證的甲醇動力燃料電池系統。該系統將高效甲醇燃料的重整技術與模塊化、通過蒸汽重整過程產生氫氣，然后與燃料電池中的氧氣反應，產生船舶推進和電氣系統所需的電能。

4 技術展望

綠色甲醇燃料因其環境友好的特性，開辟了一條未來通往零碳的航線。綠色甲醇可以有效地減少超過95%的CO2排放，并且幾乎不產生硫氧化物和顆粒物。但目前綠色甲醇的產能還很小，工業上以黑灰色甲醇為主，這類甲醇的CO2有效減排量約5%～10%，不能真正實現減碳目標。未來要想達到碳中和水平，甲醇的制備方式必須由化石燃料變為可再生能源，還需要國內外燃料公司盡快實現綠色甲醇的大批量生產、不同國家和地區的航運港口也需要加快甲醇加注補給的基礎設施建設，從燃料源頭上提供可靠和充足的補給。

船用甲醇發動機已有成熟產品投入市場，功率覆蓋范圍也越來越寬，甲醇配套設備廠商也越來越多，船舶新造或改裝的成本也比LNG 低，未來更適用于主流商船，是遠洋船舶實現綠色減碳的重要動力設備。但其不足之處是甲醇燃料能量密度相比燃油較低，不足傳統燃油的一半，相較于同尺度船舶在續航力保持不變時，甲醇燃料需要更大的存儲空間，這樣擠占了大量的貨物運輸空間，影響貨物裝載量。

因海洋環境復雜多變導致船舶在海上行駛時可能出現各種工況，燃料電池在船上使用時需要滿足工況多變性和復雜性，所以要求燃料電池的動態響應速度必須滿足負荷波動大的運行要求。若使用單一燃料的電池動力系統，其對能量傳遞響應速度較慢，可能無法跟蹤船舶上負載的波動，從而無法滿足船舶變工況需求，所以燃料電池不適宜作為唯一的船舶動力源，需要與其它動力設備組合成混合動力系統來克服上述的缺陷，這一點限制了甲醇燃料電池在船舶領域的發展空間。同時因為目前燃料電池還沒有突破兆瓦級功率，現階段也只適用于沿海或內河的小型船舶，無法應用于遠洋商船。甲醇燃料電池的主要技術缺陷在于需要首先把甲醇轉變為富氫燃料，其轉換成本也較高，因此與甲醇發動機相比，甲醇燃料電池競爭力較為有限。隨著國際海事組織對船舶減排不斷嚴苛的要求，國家對燃料電池發展政策的支持力度將在逐漸加大，同時隨著科學技術的不斷提升，各種缺陷也在不斷地被攻克，其在船舶行業的應用已經得到了越來越多的廣泛關注和研究。

5 結語

綠色甲醇燃料具備潔凈、可再生、獲取方便與無污染的優勢，現已逐步成為航運界最為青睞的替代燃料之一。綠色甲醇作為發動機燃料和燃料電池的原料較為安全，環保性能好。為實現航運業的脫碳減排目標，長期來看必定需要依賴于對燃料能源進行脫碳，能源脫碳轉型的過程相對緩慢，所需要的轉型成本也較高，同時在能源的生產和儲運以及實際應用管理等方面也存在著諸多問題。但相信在全球航運業逐步增加的溫室氣體減排壓力下，隨著工藝技術的日益創新，實際項目也會日益增加，綠色甲醇在未來的船用替代燃料領域將會有非常廣闊的應用前景。