氨作為船用零排放燃料的優勢、可行性與挑戰分析

於曉川 萬曉躍

一、背景

2018年4月，國際海事組織（IMO）環境保護委員會（MEPC）第72屆會議通過了《國際海事組織溫室氣體減排初步戰略》，提出到2050年國際航運溫室氣體排放總量比2008年減少至少50%、CO2的排放強度（即單位運輸工作CO2的排放量）減少至少70%的目標，同時也提出了到2030年將二氧化碳的排放強度減少40%的目標[1]。為了實現這一戰略目標，必須從技術和營運方面提高船舶的能效。但從目前來看，只采取這類措施是遠遠不夠的，必須調整船用推進燃料的結構，將低碳或碳中和燃料加入組合，降低甚至放棄石化燃料在船舶上的使用。

目前，可用于航運的替代燃料有許多，如液化天然氣（LNG）、甲醇、二甲醚、乙醇、液化石油氣（LPG）、生物柴油、液化沼氣（LBG）等。現階段，LNG是最常用的替代燃料。要減少國際航運業的溫室氣體排放，需從船舶推進燃料的全生命周期著眼，包括燃料的原料來源、生產方式、運輸、加注和存儲等多個環節。從這個視角看，上述燃料難以實現減少70%的排放強度的目標，有些替代燃料反而會在全生命周期內增加溫室氣體的排放，比如由天然氣生產的甲醇會使溫室氣體排放量增加幾個百分點，生物燃料在生產和運輸的過程中也將導致溫室氣體排放。但是，通過可再生一次能源生產的二次能源，比如氫、氨等，可以實現減排目標。能夠使溫室氣體減排近100%的選擇還包括核裂變反應堆以及船上碳捕獲與儲存（CCS）。前者具有爭議性且屬于資本密集型產業，而后者復雜、昂貴和龐大，依賴港口的接收設施。本文分析氨作為船舶零排放燃料的優勢、可行性與挑戰，對氨作為船舶替代燃料的應用前景進行初步探討。

二、氨作為船用零排放燃料的優勢

1.較高的能量密度

氨（NH3）在通常狀況下是一種無色氣體，比空氣密度小。其沸點為-33.3 ℃，因此通過施加中等壓力，可以在室溫下將其作為液體處理。在20 ℃、壓強大于8.6巴時，液體氨的密度為0.61噸/立方米，在沸點時其密度為0.68噸/立方米。在較低的熱值基礎上，氨的熱值為18.6兆焦/千克。因此，與船用輕柴油（MGO）相比，獲得相同能量所需的液態氨質量大于船用輕柴油的兩倍，體積約為船用汽油的三倍。

氨的主要優點是比氫更容易儲存，在低壓環境下的特性與丙烷（LPG）幾乎相同，因此每能源單位的儲存成本比氫、電池中的電力或LNG低很多。氨在C型罐中儲存時，與MGO、LPG以及氫的體積能量密度比較見表1。雖然氨的能量含量比氫氣低，但考慮到燃料的密度，氨比氫（包括壓縮氫、液態氫）儲存同等能量所需的體積小，但與MGO和LPG相比，空間要求明顯更大。

表1 在較低熱值基礎上氨、MGO、LPG以及氫的體積能量密度

2.廣泛低廉的原材料

氨的化學結構如圖1所示，是由氮和氫元素構成的。合成氨的原料氮氣來自于空氣（通過分餾液態空氣取得），氫可以通過電解水或者天然氣裂解獲得，因此生產氨的原材料獲取途徑廣泛，成本比較低廉。鋼鐵制造過程中產生的各種氣體，包括氫、一氧化碳和氮的混合物，已經被證明可以用作合成氨的原料。比如可以從焦爐煤氣、高爐煤氣和轉爐煤氣中分離出氫氣。生物質或煤也可以轉化為氨。

圖1 氨（NH3）的化學結構

3.成熟的制取氨的技術

目前合成氨的方法有低壓法、中壓法、高壓法。基于哈伯-博世制氨方法，主要的氨合成工藝有[2]美國 KBR 工藝、丹麥托普索工藝、瑞士卡薩利工藝等。

（1）KBR 工藝一般多用在以天然氣為原料的大型合成氨裝置中，也在煤化工中被廣泛應用，采用臥式徑向流氨合成塔內件，組合氨冷系統制冷。

（2）托普索是合成氨工藝技術專利商中的領導者，擁有 1990 年后新建設的所有合成氨裝置總產能50%的市場份額。

（3）瑞士卡薩利公司的氨合成工藝是中國應用最多的一種先進氨合成技術。

三、可行性

1.使用氨作為燃料的發動機技術研究

第二次世界大戰期間，燃料匱乏的比利時成功地在1941—1942年冬季的100輛汽車和從1943年起的8輛公交車上應用了氨和壓縮的混合煤氣（主要是氫氣和一氧化碳）。雖然氨的能量含量很低，但因為不生成二氧化碳，發動機消耗的空氣少。

2.經濟方面的可行性

隨著風能、太陽能、潮汐能等清潔的一次能源制造技術的不斷進步，清潔電能不斷增多，為通過綠色能源生產氨提供了可靠的支撐。

四、使用氨作為船舶燃料面臨的挑戰

氨作為船舶燃料存在具有毒性、內燃機應用經驗有限、能源利用率低等缺點。

1.毒性

氨是一種基本化合物，具有明顯的刺鼻和令人窒息的氣味。人類的典型檢出限變化很大，從0.04/10-6到53/10-6，平均值為17/10-6。美國職業安全與健康管理局（OSHA）規定，8小時內接觸氨的濃度上限為25/10-6，15分鐘接觸氨的濃度上限為35/10-6。歐盟相應的極限濃度為20/10-6和50/10-6。OSHA規定，在不產生不可逆健康影響的情況下，人們可接觸的氨濃度水平為300/10-6。

氨對銅、銅合金、鋅等材料有腐蝕性，在選用材料時要特別注意。眾所周知，氨會引起碳錳鋼和鎳鋼的應力腐蝕。此外，液氨中的溶解氧增加了應力腐蝕風險。

《國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規則》16.9.2章規定不允許使用有毒貨物作為燃料，因此氨貨物不能作為燃料。如果船旗國與國際海事組織聯合采取行動，這將是一個可以克服的監管障礙。對于其他船舶，氨作為燃料的使用必須通過符合IGF規則的替代方案來實施。

2.船舶設備的改造

由于氨具有毒性，在人員經常存在的船舶空間以及在火災風險高的區域使用時，必須使用雙層管道作為二級安全殼，并且安裝氨探測器，如果有任何泄漏，應在燃料到達有人區域之前將其控制在二級安全殼內。同時，從表1可以看出，相比燃油，滿足相同的船舶營運需要的能量，使用氨作為燃料，將需要2倍以上的存儲空間，這將減少船舶裝載貨物或乘客的空間，提高船舶的營運成本。

3.基礎設施投入較大

要使氨成為一種具有吸引力的無碳海運燃料，生產過程中產生的排放必須低于目前使用的天然氣燃料。這將需要擴大可再生氨（基于可再生電力的電解）的生產能力，或者將天然氣的氨生產與碳捕獲和存儲（CCS）結合起來。目前，只有1%的氫氣是通過電解生產的，而采用CCS技術生產氨的情況尚不清楚。

效率的降低和資本支出的增加將使通過煤制氨比通過天然氣制氨成本更高。由風能等可再生能源生產的可再生氨也將比天然氣原料更昂貴。

根據這些估計可知，目前可再生氨的價格將在650至850美元/噸的范圍內，但來自風能和太陽能的可再生能源的電價在不同的地方會有差異。我們可以合理地預期，可再生電力的價格會隨著時間的推移而降低，電解的資本支出也會在一定程度上減少。因此，可再生氨在價格上將變得更具競爭力。

4.與其他部門競爭的挑戰

根據歐洲政策研究中心的數據，全球生產的氨80%被用于制作化肥，剩下的用于制作炸藥、塑料、合成纖維、合成樹脂、制冷劑以及硝酸等化學物質。在2008年，世界人口消耗的近一半糧食，是通過氨及氨作為原料的肥料生產出來的。在全世界現有氨產能下，大量使用氨作為船舶燃料將與糧食生產競爭，造成嚴重的社會經濟后果，因此，必須考慮到化肥供應、化肥年產量和可用性。

相比之下，2012年所有船舶的燃料消耗估計為3億噸，相當于6.5億噸氨。由于船舶燃料的需求預計還會進一步增加，目前的氨產量只能滿足海運燃料需求的一小部分。

然而，由于需要建設可再生氨或采用CCS技術的天然氣氨的新產能，與供應所有可再生能源氨相關的投資成本將是巨大的。生產上述的6.5億噸氨，將需要大約6 500太瓦時的可再生電力——這相當于中國今天的總發電量。只有當足夠多的風能、太陽能或水力發電等可再生能源用于生產氨時，氨的優勢（將使溫室氣體排放接近于零）才會顯現出來。

生產氨所需的額外可再生電力將與其他部門，特別是電力部門的脫碳努力相競爭。如果可再生能源可以取代煤炭發電，那么將比使用可再生能源制造氨來取代石油為基礎的海運燃料（每能源單位的排放量比煤炭低）減少更多的排放。

5.氮氧化物的排放

此外，氨在船舶上作為燃料使用，還必然帶來氮氧化物的排放，這樣的排放還要受到《船用柴油機氮氧化物排放控制技術規則》的制約。同時，在不充分燃燒時，還能產生一氧化二氮，而一氧化二氮是一種比二氧化碳溫室效應更高的氣體。

五、結語

氨是一種無碳燃料，可以在國際航運業的脫碳過程中發揮重要作用，其應用前景是非常廣闊的。氨盡管有毒性，而且能量密度比目前使用的石油基燃料要低，但比氫更有利，未來在具有改裝內燃機和低壓燃料箱的貨船上可能是一種合適的選擇。

現有的氨的生產能力需要大力發展，以確保其潛力得以實現。目前通過可再生能源生產的氨的成本至少是2019年極低硫燃油成本的兩倍，這是使用這種燃料的一個障礙。而成本主要取決于可再生能源電價和資本支出，預期未來可能會下降。

氨作為燃料在國際航行船舶的廣泛應用，需要相關主管機關、行業組織的共同努力，同時需要其他行業的配合和支持。我們相信，隨著巴黎協定關于大氣溫升目標截止時間的臨近，現在的障礙都會在未來的發展中逐漸解決。