船舶行業CO2減排技術的應用與展望

吳 磊，李仁科，鄭 卓，戴 菁

0 引言

眾所周知，地球上之所以具有適合生命的環境溫度，一方面是太陽輻射提供的能量，另一方面，更重要的是地球上擁有的獨特的大氣環境，尤其是以H2O、CO2、CH4為代表的溫室氣體帶來的保溫作用，使得地表平均溫度能夠保持在更舒適的14.85 ℃，而不是簡單太陽輻射下的-18.15 ℃。在所有溫室氣體中，CO2在大氣中的含量通常被認為對溫室效應具備最關鍵的作用[1-3]。相比于工業化前，近幾年溫度快速上升，溫度的持續上升可能導致一些地球系統指標發生潛在的氣候突變或不可逆變化，將對地球系統以及人類社會與經濟產生明顯影響[4]。為了遏制全球持續變暖的趨勢，各國政府紛紛提出了減排目標。其中2020 年初，歐盟率先立法確定了2050 年實現地區“碳中和”的總體目標。而在2020年9 月22 日，習近平在第75 屆聯合國大會上也正式給出了2030 年前力爭實現碳達峰，2060 年前力爭實現碳中和的目標。

目前船舶行業的碳排放總量約占全球的2%～3%，同時根據國際海事組織的估計，隨著國際海運需求的增加，船舶行業整體碳排放的還將繼續快速增在，預計達到2050 年，總的碳排放量將比2018 年增加50%。可見船舶行業面臨極其嚴峻的減排壓力。隨著我國“碳達峰，碳中和”目標的提出，船舶行業的減排如何實現越來越為大家所關注。

1 船舶行業減排技術現狀

船舶的排放來源主要來自于為船舶提供動力的船舶柴油機，因此若可以不再使用柴油機為船舶提供動力，則船舶的排放將幾乎降為零。遵循這個思路，目前已有部分通過蓄電池驅動的船舶投入使用，如由連云港港口集團投資，并由中國船舶及海洋工程設計研究院設計的國內首艏純電拖輪“云港電拖一號”。但是由于蓄電池的能量密度較低，且需要配備足夠的充電基礎設施，因此其應用局限性較大[5]。對于航行區域不固定，且裝機容量較大的大型船舶而言，應用較為困難。因此若希望通過大規模的使用蓄電池來取代柴油機進而降低船舶行業的碳排放，目前來看可行性不大。

考慮到目前暫時無法找到替代措施來取代柴油機，因此必須尋找其他技術路線來降低碳排放。其中尋找替代燃料是目前的主攻方向。總所周知，柴油機產生的CO2來源于其化學能轉換為機械能的過程。由于所使用的燃料均是化石燃料，因此柴油機在運行的過程中會產生大量的CO2。因此若柴油機可以使用替代燃料，則可降低甚至達到零排放的要求。

目前應用最為廣泛的替代燃料就是液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG），根據挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）的統計，截至2022 年6 月，除LNG 運輸船及內河船外，全球處于運營狀態的使用LNG 作為燃料的海船共有312 艘。其中，渡船46 艘，油/化學品運輸船39 艘，集裝箱船39艘，海上補給船36 艘，原油運輸船33 艘，拖輪18艘，滾裝船17 艘，散貨船13 艘，雜貨船13 艘，剩余少數LNG 動力船為挖泥船、破冰船及車輛運輸船等船型。LNG 作為一種替代燃料，其廢氣排放中NOx含量極低且幾乎不含SOx，是一種非常清潔的燃料。但是LNG 的CO2排放量相比船用燃油僅減少20%～25%，再加上LNG 系統產生的甲烷逃逸問題，其降低溫室氣體排放的效力較為一般。

除此之外，甲醇作為一種替代燃料，也開始在市場內嶄露頭角。目前全球處于運營及處于在建狀態的甲醇燃料船共56 艘，主要為集裝箱船及油/化學品運輸船。其中集裝箱船共23 艘，油/化學品運輸船共25 艘，采用的都是MAN 公司推出的低速甲醇柴油機。雖然W?rtsil? 改造的中速甲醇柴油機已在瑞典的“Stena Germanica”號渡輪應用多年，但是各大中速機主機廠均為生產成熟的甲醇燃料柴油機定型產品。直到近日，瓦錫蘭研發的W?rtsil? 32甲醇發動機的才正式獲得實船應用。

甲醇同樣是一種綠色燃料，可以大大降低柴油機廢氣中的NOx及SOx。且相比LNG，其儲存也較為簡單，無需采用極低溫進行儲存，可常溫儲存在船上。同時甲醇和船用柴油一樣是液態燃料，因此其燃料供應系統也更較接近于傳統的燃料系統。除此之外，甲醇最大的優勢是其可以通過CO2進行制造，因此雖然常規甲醇的碳排放相比船用柴油僅低約25%，但是若采用綠色甲醇，CO2排放量可降低約92%。然而，通過CO2制造的綠色甲醇價格過于昂貴，即使考慮工藝的進步與成熟，未來綠色甲醇的單位能源價格也為傳統船用柴油的2 倍以上，這將極大地限制其應用的前景，進而限制其作為降低碳排放技術的應用潛力。

除上述替代燃料外，還有可實現零碳排放的清潔燃料，其中最為熱門的是氨氣及氫氣。但是目前零碳燃料柴油機依然處于研發階段，市場上暫時無可用產品。因此零碳燃料在短時間內投入使用的可能性不大。

綜上所述，雖然已有不少清潔的替代燃料投入了實船使用，但LNG 及甲醇等替代燃料降低碳排放的能力是有限的。在現有的政策目標下，如此小幅度的降低碳排放是完全不足的。因此若想快速控制船舶行業的整體排放水平，必須選擇更強的技術，在零碳燃料還無法投入使用的背景下，碳捕捉技術前景越來越為船舶界所重視。事實上，已有多家研究機構，如聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）和（International Energy Agency，IEA）都已明確了，若不采用碳捕捉技術，則無法完成當前目標[6-7]。

2 碳捕捉技術介紹

碳捕捉技術即是將CO2從排放源中分離并捕集的技術，該技術已在陸上電站，化肥及油氣生產等行業成功應用，全球范圍已有數十個項目處于運營狀態。目前碳捕捉技術主要有3 種技術選擇，即燃燒前捕集，純氧燃燒和燃燒后捕集。

圖1 碳捕捉技術路線

燃燒前捕集是通過對化石燃料進行預處理，將其分解為H2及CO2。然后將CO2收集，并將H2作為發動機的燃料使用。對于船舶業而言，該方案實際上是采用的替代燃料的方案，分離過程由化工行業完成，無需船東參與。其與其他制氫方案如電解水制氫等并無本質區別，只存在成本與工藝方面的差別。但是如前所述，船舶柴油機還無法使用H2，因此該技術路線目前尚無法應用于船舶行業。

純氧燃燒是通過分離空氣中的其他組分，將氧氣提取出來然后供化石燃料進行燃燒，此時燃燒后主要產物為CO2和H2O，因此只需簡單的冷凝處理，即可將CO2提取出來。但是該技術路線最先面臨的問題就是氧氣的來源問題。理論上可以通過膜分離系統直接分離空氣中的氧氣來提供燃燒所需的氧氣，但是柴油機燃燒所需的氧氣量是十分巨大的，目前的分離系統難以滿足柴油機的實際所需。其次富氧燃燒的燃燒速度極快，若不控制燃燒進程，氣缸內的壓力可能上升過快，無法穩定運行，因此還需要對柴油機的設計進行改進，引入大比例的廢氣再循環系統[8]。以上問題均需對船舶系統及柴油機設計進行大范圍的調整，目前應用前景較低。

燃燒后捕集即通過對柴油機的燃燒廢氣進行處理，直接捕集其中的CO2。該技術所需的改造范圍較少，只需在柴油機的排氣管上安裝捕集裝置即可。目前船舶行業為了應對SOx及NOx排放，均是采用在柴油機排氣管上安裝處理裝置的方式來應對，因此采用該方式，可行性較高。且該方案也已有數個陸上項目采用，有成熟技術可以轉化為船舶產品。因此燃燒后捕集對于船舶行業而言，是最具實用可能性的技術路線。

3 船舶行業應用碳捕捉技術的困境

3.1 缺少成熟商業產品

目前船舶行業應用碳捕捉技術最大的困境就是商業化的產品較少，目前全世界范圍僅位于荷蘭的Value Maritime 可提供成熟的碳捕捉產品。為了便于安裝，其設備采用模塊化的方式提供，且為了提升經濟性，其并不僅是用于碳捕捉，還兼具廢氣洗滌塔的功能，可以使廢氣滿足排放控制區對于SOx排放的要求。因此船東在采用該設備后，依然可以使用低價的高硫燃油來提升船舶運營的經濟性。

雖然目前還沒有其他廠家可提供成熟產品，但是由于碳捕捉是目前唯一可以迅速控制船舶行業碳排放的技術手段，因此船舶行業已有不少公司正在進行技術攻關。在2021 年三菱造船株式會社在“Carbon Capture on the Ocean”項目中已經開始了海上二氧化碳捕獲系統樣機的測試。該二氧化碳捕獲系統樣機安裝在川崎汽船（中國）有限公司營運的電煤運輸船“Corona Utility”上。通過實船的驗證測試，可以評估該系統的安全性和可操作性，最終目標是開發出一種基于船用的緊湊型CO2捕集裝置。除此之外海外一些創業企業也將目光轉向了這個市場前景廣闊的領域，總部位于英國倫敦的碳捕獲技術初創企業Seabound 已獲得融資，并將其用于開發船舶的碳捕捉裝置原型機。

國內不少船舶配套企業也在積極投身該領域，中國船舶集團有限公司第七一一研究所與江南造船（集團）有限責任公司達成合作協議，對超大型液化氣船（Very Large Gas Carrier，VLGC）船型進行碳捕捉系統設計，而中國船級社將提供相關標準規范及審圖服務。除此之外，海德威科技集團（青島）有限公司自主研發的船舶碳捕獲與封存系統也在2022 年7 月正式取得由DNV 船級社授予的原理認可證書，進入商用市場的成熟碳捕捉設備越來越多。

3.2 設備運營成本高

油氣行業氣候倡議組織（Oil and Gas Climate Initiative，OGCI）與瑞典油船船東Stena Bulk 在2020年10 月共同啟動了一項針對船用碳捕捉系統的可行性研究。在捕獲率為50%的情況下，船用碳捕捉系統的資本支出總額（Capital Expenditure，CAPEX）約為2 000 萬歐元，每年的運營支出約為93.84 萬歐元。在捕獲率為90%的情況下，資本支出總額將上升至2 800 萬歐元，每年運營支出將達180.84 萬歐元。由此可知，碳捕捉系統的初始投資及后續的運維費用均較高。

同時根據現有的減排目標，并不需要船舶將CO2排放降至零，在現在的排放量的基礎上降低25%～30%即可滿足要求。因此為了便于船東對減排技術進行對比，該報告假設若在12 年周期里穩定捕獲船舶的30%碳排放量，其需要花費1 850 萬美元，相當于捕獲每噸CO2需要175 美元[9]。

不過由于現在僅荷蘭Value Maritime 在2021 年開始陸續有實船業績，因此以上研究均是理論性研究，不準確性可能較大。但是由于碳捕捉技術在陸地上的應用已經較多，尤其是在煤炭發電業，其中已有數個項目處于運營狀態，因此已有不少研究數據已公布。根據國內現行的示范項目的成本及能耗統計數據，電力及水泥行業凈減排成本分別為(300～600)元/噸和(180～730)元/噸[10]。魏世杰等[11-12]根據國內燃煤電廠的數據，利用學習曲線模型分析和預測了燃煤電廠應用碳捕捉技術時電力平價上網所需的碳價水平。根據其研究結論，即使考慮技術進步等因素，到2030 年碳價也需要到(136～189)元/噸，煤炭發電廠才可在采用了碳捕集技術后，實現電力的平價上網。然而目前全國統一碳市場的碳價僅在約60 元/噸，可見碳捕捉系統距離達到盈虧平衡依然有很大差距。

相比于陸上的碳捕捉系統所具有的規模效益，可以預見船舶上應用的碳捕捉系統的經濟性可能更差，這將成為船東應用碳捕捉技術的最大障礙。

3.3 C O2外輸問題

理論上，1 t 柴油完全燃燒可產生3.1 t CO2, 這意味著在采用100%捕獲率碳捕捉系統的情況下，隨著CO2捕集的進行，船舶本身要承受額外的CO2質量。對于貨運船舶而言，這將影響其裝貨量，進而影響其經濟性。對于海工平臺而言，由于長期在外海作業，外輸問題較為復雜。

以煙臺中集來福士海洋工程有限公司建設的“藍鯨2 號”海工平臺為例，其裝有8 臺5 530 kW主發電機組，單臺發電機組1天需消耗24.5 t柴油，這會產生76 t CO2。假設“藍鯨2 號”海工平臺平均每天需運轉3 臺發電機組，平臺在日常運營期間，每天就要產生228 t CO2。若將其全部儲存在平臺上，則會顯著增加平臺載重量。因此，及時外輸捕獲的CO2是影響該平臺應用前景的重大影響因素。

在陸上的碳捕捉項目中，捕集的CO2大都采用管道外輸，少量通過公路罐車和鐵路運輸。對于船舶，由于其時刻處于運行的狀態，因此不可能通過固定管路進行外輸。若通過CO2運輸船進行外輸，則成本較高。對于海洋平臺，雖然許多海洋平臺是定點作業，但其遠離海岸，若為其專門修建一條海底輸送管路，代價過于昂貴。若采用CO2運輸船，則面臨的問題與普通貨運船舶相同，需要CO2運輸船頻繁來回運輸，成本較為高昂。綜合考慮以上因素，未來船舶碳捕集系統應考慮直接采用海洋封存。

海洋封存有2 種潛在的實施途徑：1）經管道將CO2注入并溶解到水體中；2）經由固定的管道將CO2注入深度3 000 m以下的海床上，并將其沉淀。對于貨運船舶而言，第一種方式較為可行，可在捕集的同時將捕集到的CO2溶于海水中，不會給船舶本身帶來額外負重，也無需配備過長的管道。對于海洋平臺而言，第二種方式則更合適，因為許多海洋平臺都是在深水區作業，有采取該方式的必要條件，且該方式也可以更好的封存CO2，減少其重新揮發至大氣的比例。

但是海洋封存對環境及生態的影響還未有系統性的研究，目前應用不廣，最終能否采用還需通過研究進行確認。

3.4 碳捕捉系統未建立規范體系

事實上，CO2作為滅火劑在船舶行業已經應用多年。在CO2滅火系統中，CO2均是在常溫狀態下通過高壓氣瓶存儲在船上的CO2間內。船級社對于整套系統均建立了完善的規范，包括了產品的質量檢驗，系統的布置及設計要求等等。但對于碳捕捉系統，目前船級社均缺乏相關的規范體系，尤其對于捕獲后的CO2如何存儲及運輸的問題[11]。

由于CO2無色無味，且過量吸入會導致船員窒息，故其是一種比較危險的氣體。船舶業已發生多起由于CO2滅火系統泄漏導致的重大事故。碳捕捉系統將在船舶上持續生產并儲存大量的CO2，其危險性還高于CO2滅火系統。因此，急需船級社建立相應的規范體系，既可消除系統的安全隱患，也可對船東和設計院進行技術指引，鼓勵相關系統在船舶行業的應用。

4 結論

在目前的減排目標背景下，想要實現船舶行業的快速減排，最為可行的技術是碳捕捉技術。其中燃燒后捕集由于對船舶現有設計的影響最小，因此可行性最高。但是目前其可用的商業化產品較少，應用的成本較高，捕獲后的CO2外輸困難，且無相應的規范系統供業界參考。這些客觀因素的存在均限制了該技術在船舶行業的應用。

在以上障礙中，使用成本過高可以說是碳捕捉技術應用的最大的障礙。對于船東而言，成本是時刻均需要關注的關鍵指標，以目前的碳價而言，船東是難以下定決心采用碳捕捉技術來降低碳排放的。事實上，從過去的船舶行業環保發展來看，政策一直是核心推動力。不論是NOx、SOx減排以及壓載水的處理要求，均是通過強制性的法規才得以推動。在政策所建立的強制性需求之下，大量的設備得以進入市場，船級社的規范也得到了快速的建立，使得相關產業獲得迅速的發展。因此碳捕捉技術若想在船舶行業的獲得較快速的應用及發展，政策的推動是必不可少的。