混动、LNG、氢能:环境杀手航运业的“自赎”之路
发布时间:2020-01-14

这些污染的根源来自于大型船用发动机特有的工作方式和特殊的燃料。

相比于愿意驮着重量惊人的电池模组航行的邮轮,以马士基为代表的海路货运公司对于混动的答案则是混合燃料。

对于在全球范围内拥有五万余艘大型船舶的各航运公司而言,在30年内将碳排放减半无疑是个巨大的挑战。

值得一提的是,在包括洛杉矶港、长滩港、五大湖区皆对往来船只排放有严格要求的美国人却是国际海事组织中唯一没有签署该协定的主要大国。

第二代生物燃料特指源于有机废弃物的提炼物,而此次马士基所使用的生物燃料来源就是地沟油。根据马士基给出的估算,该种生物燃料将减少1500吨的碳排放和20万吨的硫化物排放。

就如同面临上世纪七十年代的石油危机时一样,在运营层面上挖掘潜力是在短期内达成减排目标的最佳方案。降低航速、优化航线、港区供电以及安装尾气后处理系统等立竿见影的措施在第一时间就被航运公司摆上了台面。

而对于千吨以下级别的定期渡轮来说,全电力推进系统的实现就只是时间问题。

“世界上最大的15艘货轮的排放量抵得上全球7.5亿辆机动车的总排放量!”

拥有世界独一无二峡湾景观的挪威人很早便意识到了峡湾内的定期邮轮对于环境的负面影响,并于今年3月起正式禁止一切以重油为燃料的邮轮进入峡湾。

其实早在一周之前,龙格所搭乘的“北极星”号破冰兼考察船上就已经弥漫着压抑的情绪。因为直到考察船深入北纬81度之前,科学家们没有看到过一块海冰。

小步前进总是最稳妥的。

氢能的另一种应用是燃料电池。

不过,小修小补显然无法解决根本问题。海运业的龙头企业丹麦马士基更是早早确定了雄心勃勃的2050碳中和战略,计划在2030年前将碳排放量降低60%,在2050年之前将集团的碳净排放量降至零。

过去数年内,这一触目惊心的数字在西方世界几乎所有社交媒体和传统报纸上广为流传。

2017年起,比利时海事集团(CMB)就在该国最大港口安特卫普启动了一艘名为Hydroville的双燃料发动机渡轮。这艘依然使用内燃机的渡轮的最大特点在于,其发动机气缸内燃烧的是柴油和氢气混合气体。相比于仍会产生二氧化碳的LNG,氢气完全燃烧的唯一反应产物只有水。随着制氢成本的逐步下降,Hydroville号使用的混合燃料中的氢气占比未来将达到80%以上。

在石油的常压蒸馏过程中,沸点最低的汽油作为最先得到的主要成品率先馏分,之后则是沸点依次升高的航空煤油与柴油馏分,最终剩余的沸点高于350度的“次品”部分就是重油以及沥青。

作为仅次于能源行业的第二大碳排放来源,与日常生活密切相关的交通行业正逐个遭受环保运动的敲打:从2015年撞在枪口上的燃油车尾气门,再到被贴上“飞行耻辱”标签的民航业,现在轮到航运业了。

略微遗憾的是,燃料电池千瓦级别的功率,目前还只能覆盖船用电子设施的用电需求。面对100 MW级别的船用推进系统,燃料电池显然仍不够强大——至少在万吨级别的邮轮上尚是如此。

讽刺的是,马绍尔群岛也正是在海平面上升之后第一批面临灭国的国家。

目前,受到Hydroville号零排放鼓舞的比利时海事集团已经决定加码氢-柴油双燃料技术,计划在未来两年内于安特卫普港投入装备新型发动机的拖船和驳船,并在十年内推出全球第一艘基于氢内燃机技术的集装箱船。

目前,全球范围内使用LNG作为燃料的船只数量已经接近80艘。尽管其中相当一部分还只是使用LNG作为辅助燃料,但这个数字预计到2020年底也将上升至600艘。依据壳牌的推算,截至2040年,全球所有大型船舶中的十分之一预计能换装LNG发动机,航运业的碳排放也将有望减少1.32亿吨。

依照IMO的预测,航运业的碳排放量到2050年将增长50%至250%。以最不乐观的情形计算,届时航运业将贡献全球17%的碳排放量,几乎和拒绝签署《巴黎气候协定》的美国相当。

谁将是石油的替代者?天然气无疑是呼声最高的候选者之一。在航运业也不例外。

特约记者 | 钱伯彦

LNG发动机的另一大优势则在于该技术对于现有船用发动机的改装要求并不高。

廉价,自然就是对于燃料成本极为敏感的航运业选择重油的主要理由。以从巴西图巴朗港口往返青岛港的铁矿石运输船只为例,单程11500海里的航线耗时约34天,每天船只都需要消耗40吨的燃料。即便是在洋流和季风都理想的情况下,单程运输的燃料成本就高达50万美元,若考虑到逆风和洋流,成本甚至会上升至单程70万美元。

国际海事组织(IMO)于2014年公布的研究报告显示,整个航运业的碳排放占全球所有碳排放量的大约3%,这个比例与民航业相当。如果将游曳在各大洋上的所有船只计算作一个国家,那么它将是世界第六大碳排放国,与德国或日本不相上下。

目前,两家公司合作生产的30 kW级别燃料电池,已成功安装在往返于赫尔辛基和斯德哥尔摩之间的MS Mariella号邮轮之上,并稳定地运行了两年有余。两家船舶制造商和邮轮公司都预计,该技术可在两至三年内大规模推广。

协议中对航运公司影响最为紧迫的一项细则无疑是,从2020年元旦起,所有船舶排放物中的含硫量都不得超过0.5%,而之前的限值还仅为3.5%。

未雨绸缪的挪威海达路德(Hurtigruten)邮轮公司已于今年夏季便将全球第一艘大型混合动力邮轮投入运营。这艘以著名探险家阿蒙森命名的邮轮的排放量比同类船只减少20%以上,并将负责阿拉斯加-格陵兰-挪威的北极航线。凭借船上配备的大功率电池模组,该船不仅可以纯电力航行45至60分钟,电动机的调峰作用也能确保柴油发动机始终运行在最经济工况,电力推进低噪音低震动的特性还能大幅提升游客体验。

但是与这两个注重可再生能源的国家不同,随着全球贸易量的提升、液化天然气(LNG)跨洋运输的蓬勃兴起,以及邮轮度假出行的爆发式增长,承担着世界90%货运量以及部分高端客运量的航运业却没有丝毫减排的迹象。

尽管该数据仅仅是并不严谨地通过比较某些特定指标,而刻意夸大了航运业的排放数据,但是航运业在全球变暖中扮演了并不次要的负面角色却是不争的事实。

MOSAiC旨在通过将考察船系泊在浮冰之上,并跟随海冰运动穿越北冰洋来记录和观测北极地区全年的气候和生物数据。在此之前,如此长时间内的连续观测记录至少在北冰洋上仍是空白。

不同于组成成分复杂的重油或柴油,烃类单一的天然气不仅不排放硫化物和固体颗粒物,其产生的氮氢化合物污染也比柴油要减少80%以上。即便是燃烧过程中无法避免的二氧化碳排放,根据荷兰皇家壳牌的一份研究显示,也同样比柴油要低25%左右。壳牌公司也正是太阳神级LNG动力邮轮的燃料供应商。

HySeas III号,这艘计划于2021年起往返于苏格兰奥克尼(Orkney)群岛之间的渡轮,将成为船用燃料电池技术的里程碑。

2018年12月,爱达邮轮旗下的诺瓦号(Aida Nova)作为第一艘使用LNG为主要燃料的豪华邮轮正式服役,由此拉开了航运业LNG发动机“狂飙突进运动”的大幕。

正因为监管上存在诸多困难,即便是在面面俱到的《巴黎气候协定》中,航运业也几乎未被提及。

混合动力船只的先行者是可再生能源发电比例已经达到98%的挪威。

今年3月至6月,马士基在往返25000海里的鹿特丹-上海航线上试运行了使用混合燃料(80%柴油 20%生物燃料)的3E级集装箱船,这也是全球最大规模的第二代生物燃料试点项目。

常年航行在公海上的大型船舶不仅不受到任何国家法律的制约,而且船东出于避税考虑往往倾向于将船舶注册国(船旗国)定在法律并不健全的避税天堂国家。目前,全球所有船舶中悬挂旗帜最多的国家是巴拿马、马绍尔群岛和利比里亚。

尽管LNG作为船用燃料优点突出,但作为不可再生能源的LNG理论上依然有资源耗尽的一天,而且该方案还会受到LNG补给站数量的限制。

不知足的船舶工程师们也找到了一个更加面向未来的可再生解决方案:氢能。

在短短四年之内,以诺瓦号为首舰的“太阳神”级邮轮(Helios Class)就收到了来自爱达邮轮和歌诗达邮轮等公司的九艘订单,并预计将于2025年前后全部投入运营。

尽管柴油动力船只暂时仍未受到禁令影响,但是考虑到2026年起燃油车也将被禁止进入峡湾景区,针对柴油动力邮轮的禁令似乎也只是时间问题。

LNG发动机主要可以分为单一气体燃料和双燃料发动机。其中双燃料发动机依然使用柴油作为辅助燃料,在引燃以及优化工况条件下进行柴油直喷,该方案在曼恩和瓦锡兰为代表的欧洲厂商中得到了广泛使用。而单一气体发动机则在罗尔斯·罗伊斯以及潍柴、广柴、玉柴、济柴等国内厂商之间受到重视,济柴参与研发的LNG示范船“海川3号”更是早于2017年就行驶于长江安徽段。

“北极的情况令人惊恐,497万平方公里,这是该月份有观测记录以来的海冰面积最低值”,10月21日,北极气候研究项目(MOSAiC)的科学家托马斯·龙格(Thomas Ronge)在推特上公布了一条令所有环保主义者都寝食难安的最新消息。

尽管脱硫工艺和针对柴油机的尾气后处理系统、颗粒收集过滤装置在技术上早已成熟,但是对于波罗的海干散货指数(BDI)至今仍未恢复至金融危机之前的航运公司来说,这些装置暂时还只能是奢侈品。

廉价的背后自然是油品的相对低劣。作为比柴油还要“次”的原油制品,重油不仅继承了柴油的所有毛病,3.5%的含硫量更是重油的“标配”。而加油站中的柴油早在世纪之交就已经被勒令须进行脱硫处理。

如何才能完成这个不可能的任务?航运公司的答案是:新技术。

2016年起,蒂森克虏伯船舶系统公司(ThyssenKrupp Marine Systems)与迈尔造船公司(Meyer Werft)就投入了5000万欧元,合作研发名为e4ships的船用燃料电池技术。

无需减速机构的低转速、二冲程柴油机是在大型船只领域得到广泛应用的动力核心。得益于其较为缓慢的燃烧速度,船用发动机除了柴油之外,还可以无障碍地使用重油。重油也正是船只污染的源头。

自从2015年12月《巴黎气候协定》签订以来,节能减排、拯救环境的理念开始深入人心,而逐年缩小的海冰面积无疑就是全球变暖最有力的控诉者。

相比于节节攀升的碳排放量,更令航运业遭受诟病的是,船舶的排放物中除了包含汽车尾气中常见的二氧化碳和氮氧化合物之外,还含有大量对环境危害更为巨大的硫化物和固体颗粒物。硫化物污染是造成酸雨和土壤硫化的罪魁祸首,而固体颗粒物最常见的表现形式就是滚滚的黑烟和爆表的PM值。

这一漏洞终于在2018年4月13日得到了填补。当天,总部位于伦敦的国际海事组织宣布,该组织的100余个成员国达成协议,决定于2050年之前将全球航运业的碳排放量下降至2008年水平的50%。相比于这个并不过于激进的目标,协议还建议到2030年,国际海运的碳排放应当减少40%,努力实现2050年前减排70%的长期目标。

由瑞士ABB集团和加拿大巴拉德公司牵头组建的校企联盟,已成功将燃料电池功率提升至MW级别,足以应对额定载客量为120人和18辆机动车的HySeas III号的动力需求。

HySeas III的另一个亮点在于,即便是制氢所需的所有电力也都来自于苏格兰沿海丰裕的风电以及潮汐发电,这也使得该渡轮真正意义上在整条产业链上做到了零碳排放。

10月北极海冰面积达到有观测记录以来最低值。图源:龙格个人推特根据原定计划,科学家于9月将北极星号冰封在北冰洋上,利用其后一整年的时间随冰逐流。但目前位置北冰洋的海冰尚不足以完成该目标。图源:MOSAiC环境杀手:航运业的新面孔?全球海运贸易量在金融危机后迎来了长达十余年的增长。图源:EPA早于国际海事组织的目标制定之前,以威尼斯为代表的旅游城市已经禁止超过55000吨的邮轮停靠,乘坐邮轮游览水城已成为历史。图源:dpa新技术爆发:航运业的应对之策 挖掘内燃机潜力:混动技术第一艘大型混动邮轮阿蒙森号。图源:海达路德清洁的化石能源:天然气爱达邮轮旗下的诺瓦号与壳牌的Cardissa的LNG补给船。图源:THB未来能源:氢

据海达路德CEO斯凯丹(Daniel Skjeldam)透露,另两艘混动邮轮也将于数年内下水,而公司的长期目标则是将混动技术应用到旗下所有船只身上。

除了经济成本上的考量,制约航运业环保之路的另一个重要因素则是其极为国际化的行业特点。