船用甲醇燃料的全生命周期分析及應用

摘要：在當前國際海事組織和歐盟對船用燃料全生命周期溫室氣體減排設定目標的背景下，甲醇燃料表現出巨大應用潛力。為明晰船用甲醇燃料全生命周期背景下的應用情況，本文分析甲醇燃料的突出特點、分類及定義，解析馬士基應用甲醇案例，基于國際標準化組織關于生命周期評價的標準，分析船用甲醇燃料全生命周期的溫室氣體排放，最后結合國際海事組織和歐盟關于全生命周期燃料的規定，探討甲醇燃料在船應用情況。預計隨著國際航運溫室氣體減排政策的進一步實施、甲醇相關技術的不斷成熟和發展，甲醇將有望成為一種重要的船用替代燃料。

關鍵詞：船舶；替代燃料；甲醇；生命周期；碳源

0 引 言

2023年7月，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）海上環境保護委員會（Marine Environment Protection Committee，MEPC）第80次會議審議通過《2023年IMO船舶溫室氣體減排戰略》（MEPC.377（80）號決議），提出具體目標：“到2030年，應用零或近零溫室氣體排放技術、燃料和/或能源的比例，至少占國際航運所使用能源的5%，力爭達到10%”。同時，該戰略指出目標水平應考慮到IMO制定的《船用燃料全生命周期溫室氣體強度導則（LCA導則）》（MEPC.376（80）號決議）中所述的船用燃料全生命周期溫室氣體排放。2024年3月，MEPC 81次會議審議通過經修訂的LCA導則，即《2024年LCA導則》（MEPC.391（81）號決議）。此外，歐盟2023/959指令將航運業納入其碳排放交易體系，船公司須繳納相應的碳配額；歐盟關于在海運中使用可再生和低碳燃料的2023/1805條例（即FuelEU Maritime）將于2025年開始實施；歐盟經第三次重大修訂的《可再生能源指令》（歐盟2018/2001指令）已于2023年11月20日生效。

IMO和歐盟針對船舶溫室氣體（Greenhouse Gases，GHG）減排設定了分階段的定量減排目標，并對零或近零GHG排放燃料提出了具體要求，以鼓勵船舶轉向使用替代燃料。當前航運零或近零GHG排放技術、燃料和/或能源在政策導向下發展迅速，這對實現GHG減排目標至關重要。在這方面，甲醇燃料表現出巨大潛力[1]。

甲醇常溫下為液態、易于操作管理，燃燒排放性能優良，對海洋生態系統友好，目前船用甲醇動力技術較為成熟[2]，已有多個成功應用案例[3]，且現有船隊改裝成本合理[4]，加上甲醇全生命周期可實現零或近零GHG排放、供應鏈基礎設施完善[5]、生產原料來源廣泛，因此甲醇被認為是解決航運脫碳問題的重要燃料。然而，甲醇全生命周期脫碳屬性（即零或近零GHG排放的綠色性能）如何界定、生產甲醇的原料（如生物質原料、可再生氫）是否充足和可持續、市場機制能否彌補甲醇生產成本等問題影響船用甲醇燃料的推廣使用。

本文梳理分析甲醇相較傳統船用燃料的突出特點、分類及定義，解析馬士基應用甲醇案例，基于國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）關于生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）的標準，分析船用甲醇燃料全生命周期的GHG排放，最后結合IMO LCA導則、歐盟《可再生能源指令》（European Union Renewable Energy Directive，EU RED）、FuelEU Maritime關于全生命周期燃料的規定，探討甲醇燃料在船應用情況。

1 甲醇燃料的突出特點及分類

1.1 理化特性

在理化特性方面，甲醇（CH3OH）與傳統的船用燃料（船用重/輕質燃料油、船用重/輕柴油）有巨大差異，其突出特點是：

（1）燃燒排放性能優良。甲醇分子中的C、H、O原子以單鍵結合，不含碳碳雙鍵、三鍵[6]，氧含量高達50%，不含硫元素，因此甲醇在內燃機中燃燒更完全，不易產生碳煙，硫氧化物排放幾乎為零。此外，甲醇的汽化潛熱是傳統船用燃料的4倍左右，這在燃燒過程中可有效減少氮氧化物的生成[6]。

（2）需要更多存儲空間。甲醇的低熱值不到傳統船用燃料的一半，而密度差別不大，若甲醇的能量密度籠統地按傳統船用燃料的50%計，在船舶需要攜帶相同能量燃料的情況下，甲醇占用的存儲空間需要多出一倍。

（3）降碳性能優良。即便不考慮全生命周期，從船端碳排放來看，綜合甲醇的低熱值、含碳量、燃燒做功效率等參數，甲醇相較船用重質燃料油具有10.8%的降碳潛力[7]，可有效改善船舶能效設計指數、營運碳強度，且用化石原料生產的甲醇成本與船用低硫油相差不大[5]。

此外，在安全性方面，甲醇和汽油同屬一個級別，需要特別注意的是其燃燒火焰日光下不可見以及不可飲用[8-9]。

1.2 分 類

目前，IMO對于零或近零GHG排放燃料沒有定義，因而也無法定量去衡量燃料的GHG排放是零或近零。零或近零GHG排放燃料與綠色燃料之間也不能簡單地畫等號。

根據甲醇生產的碳原料（生物質、非生物質）、能量來源（可再生、非可再生）進行排列組合（生產甲醇的碳原料、能量來源見表1），按照是否可持續的原則[10-11]，目前市場上甲醇可籠統地分為生物源可再生電制甲醇（綠色甲醇）、大氣源可再生電制甲醇（綠色甲醇）、工業源可再生電制甲醇（藍色甲醇）、化石源不可再生甲醇（灰色甲醇）等幾類，見表1。隨著國際航運碳減排目標的提高，船舶對綠色甲醇、藍色甲醇有較大需求。

1.3 綠色甲醇的定義

目前，國際上對綠色甲醇亦無統一定義[5]和定量標準。國際可再生能源署和甲醇研究所的報告《創新前景可再生甲醇（2021）》指出，可再生甲醇的生產過程需要符合一系列環境和社會可持續性標準，只有兩種方式制取的甲醇才能稱為可再生甲醇，即由生物質生產的生物甲醇，以及通過使用可再生能源捕獲的CO2（具有碳捕獲和儲存功能的生物能源[Bioenergy with Carbon Capture and Storage，BECS]和直接空氣捕獲[Direct Air Capture，DAC]）和綠色氫氣（即可再生電力生產的氫氣）獲得的綠色電制甲醇。

筆者認為綠色甲醇燃料是指通過可持續的可再生能源或者碳中和技術生產的、全生命周期零或近零GHG排放的甲醇燃料。關于近零GHG排放的定量問題，可根據船用燃料LCA標準和具體減排政策來靈活確定。傳統的甲醇生產通常使用化石能源，例如天然氣或煤炭，而生產和使用傳統甲醇在全生命周期內會釋放大量的CO2，對環境造成負面影響。綠色甲醇生產則利用可再生能源如太陽能、風能等，將可再生的生物質或碳捕的CO2轉化為甲醇，從而減少對環境的影響，并且有望實現碳中和。綠色甲醇作為船用替代燃料和氫能載體，在未來船舶能源轉型和減緩氣候變化方面具有重要作用。

2 馬士基關于甲醇的使用

馬士基制定了2040年實現碳中和的目標，在其2023年可持續發展報告中對綠色燃料的定義如下：與化石參考燃料相比，在其生命周期內GHG排放量低至極低的燃料。根據生產途徑，不同的綠色燃料在生命周期內實現的GHG減排量也不同。所謂“低”，是指與化石燃料相比，在生命周期內GHG減排量達到65%～80%的燃料。“極低”是指與化石燃料相比，在生命周期內可減少80%～95%的GHG排放。

馬士基關于綠色燃料的定義定量規定了綠色燃料相對化石參考燃料的減排比例，沒有直接明確“生命周期內GHG排放量”所依據的標準或法規。然而，馬士基根據LCA為綠色甲醇等非商品燃料制定了指南，強調對環境和社會潛在影響的評估，針對生物質原料和綠色燃料確立了三大管理要素：

（1）認證：所有生物燃料必須由第三方認證；所有燃料必須具有可持續性證明（Proof of Sustainability，PoS）或同等證明；馬士基接受RSB（the Roundtable on Sustainable Biomaterials，可持續生物材料圓桌會議）和ISCC（the International Sustainability and Carbon Certification，國際可持續發展與碳認證）認證的燃料。

（2）生命周期GHG減排：燃料必須符合歐盟可再生能源指令（2018/2001）第29（10）條規定的最低減排量，即與化石參考燃料相比，生物燃料的減排量為65%，電制燃料的減排量為70%。

（3）原料：馬士基只接受廢料和殘渣作為原料；林業廢料和殘渣必須來自FSC（Forest Stewardship Council，森林管理委員會）認證的森林或同等資源。馬士基不接受任何第一代作物（如玉米、大豆、油菜籽、棕櫚、甘蔗、甜菜、向日葵、能源作物）或通常用作飼料的原料；不接受任何第一代木質生物質；不接受任何與棕櫚油有關的原料，包括棕櫚油生產過程中產生的廢料和殘渣原料（如棕櫚油廠廢水、空果穗、棕櫚脂肪酸餾分、廢漂白土油）。

除氣候變化外，馬士基還考慮環境指標，包括生物多樣性、生態系統、資源和材料損耗、人類健康和生態毒性、空氣和水質等因素。

對于電制甲醇，馬士基僅認可使用生物源CO2作為原料，并將其與綠氫結合生產的甲醇。生物源CO2是一種廢料，產生自沼氣升級為生物甲烷過程，或生物質發電廠、紙漿和造紙廠以及乙醇廠等，目前這些CO2排放到大氣中。氫氣必須是“綠色”的，即使用可再生電力通過電解水產生。

3 LCA標準及甲醇全生命周期GHG排放

3.1 ISO的標準

ISO 14040：2006《環境管理 生命周期評價 原則與框架》是一項關于LCA原則和框架的標準，其主要內容概述如下：

（1）范圍：ISO 14040涵蓋LCA的整個過程，從LCA目標和范圍開始，到清單分析、評價結果的解釋和報告等。

（2）目標和應用：明確LCA的目標，包括確定產品、過程或活動的環境性能，并提供基于事實的信息以支持決策。

（3）定義：定義了LCA的術語，確保在實踐中的一致性和清晰性。

（4）系統邊界：確定LCA研究的邊界，包括對產品、過程或活動的全生命周期的界定。

（5）功能單位：確定進行比較的功能單位，即比較不同產品或過程提供的功能的效率。

（6）生命周期清單分析：包括對物質和能量的投入和排放的定量評估，以及它們對環境的影響。

（7）生命周期影響評價：對生命周期清單的結果進行解釋和評估，以確定對環境的潛在影響。

（8）解釋：解釋LCA結果的含義和不確定性，并提供信息以支持決策。

（9）報告：提供關于LCA結果的報告標準，確保結果的透明和可比性。

（10）評審：鑒定某個LCA是否滿足方法學、數據、解釋和報告要求的過程，同時核查它是否符合基本原則。

總的來說，ISO 14040：2006為LCA提供了一致的方法和框架，以評估產品、過程或活動的環境性能，為可持續發展和環境保護提供了重要的決策支持工具。

3.2 船用甲醇燃料全生命周期GHG排放

甲醇全生命周期GHG排放涵蓋甲醇從生產到廢棄處理的整個過程中釋放到大氣中的GHG總量。這包括所有與甲醇相關的GHG排放，無論是直接排放還是間接排放，以及在整個生命周期中可能產生的GHG排放。理解船用甲醇燃料GHG排放全生命周期評估可從以下5個重要方面著手。

（1）范圍：全生命周期GHG排放包括生產、運輸、使用和廢棄處理等各個階段的GHG排放。這意味著需要考慮到所有可能與船用甲醇燃料相關的上船前、船端、下船后的GHG排放源。

（2）直接與間接GHG排放：直接排放是指直接由船用甲醇燃料本身產生的GHG排放，如船上燃燒甲醇釋放的CO2。間接排放則是指間接與船用甲醇燃料相關的GHG排放，如上船前的原料采集、產品生產、轉化、存儲、運輸、銷售、加注，以及下船后的廢棄處理等過程中產生的排放。

（3）系統邊界：為準確評估船用甲醇燃料全生命周期GHG排放，需要明確定義系統邊界，包括對哪些環節和過程進行考慮和計算，以及GHG排放的種類和數量。

（4）數據收集和計算：收集相關數據，并利用LCA方法計算甲醇燃料的全生命周期GHG排放。這可能涉及使用專業軟件或模型來進行準確的計算。

（5）綜合評估：船舶應用甲醇燃料考慮整個產品或活動的生命周期GHG排放，強調燃料的可持續性和對氣候變化的影響，提供更全面的評估，為減排措施的制定和實施提供科學依據。

船用甲醇燃料全生命周期GHG排放計算步驟包括：

（1）確定全生命周期各環節GHG排放源。

（2）生產階段GHG排放計算：需要考慮原材料的采集、加工、運輸以及甲醇生產過程中排放的GHG。生產過程中可能涉及使用化石燃料、電力等能源，這些能源的碳排放需要計入總體排放量中。

（3）運輸、儲存和分配階段GHG排放計算：需要考慮甲醇從生產地到船端的運輸過程中所產生的GHG排放。這包括甲醇的運輸方式（如管道、卡車等），以及所用能源類型、任何泄漏損失。

（4）使用階段GHG排放計算：需要考慮甲醇在船端燃燒過程中排放的GHG，主要是CO2排放。這一部分排放量通常是根據燃料的理論燃燒產生的CO2量來計算的。

（5）處置階段GHG排放計算：需要考慮甲醇燃料在使用后的處置過程中可能產生的排放，例如甲醇殘留物和廢棄物處理的GHG排放。

（6）吸收和抵消：如果適用，需要考慮甲醇生產或使用可能導致部分GHG的吸收或抵消，例如碳捕獲和封存技術或者利用可再生能源生產甲醇。

（7）驗證和報告：對計算結果進行驗證，并根據適用的標準，編制全生命周期GHG排放報告。

在這些步驟中，需要考慮各種因素，例如甲醇生產過程中使用的能源和原料來源、生產技術的效率、運輸距離和方式、船端燃燒轉換效率等，以準確估算甲醇燃料的全生命周期GHG排放。

4 全生命周期燃料GHG排放的相關規則和政策

4.1 IMO LCA導則

IMO LCA導則是一項技術指南，為船用燃料和其他能源載體（如電力）的全生命周期溫室氣體排放強度評估提供指導。該導則涵蓋船用燃料全生命周期（有特定的邊界），即從原料開采/種植/回收、原料轉化為燃料產品、運輸和分配/加注、到船上的燃料使用，此外還考慮了船用燃料的可持續性，并定義燃料全生命周期標簽。該標簽包含有關燃料類型、原料（原料類型和原料性質/碳源）、轉化/生產加工（加工類型和加工中使用的能源）、溫室氣體排放因子、混合燃料和可持續性主題等方面的信息。

考慮到碳源，LCA導則給出兩種關于船端溫室氣體排放因子（GHG emission factor，單位為gCO2eq/MJ）計算方法：（1）計算時不考慮碳源，因此不考慮ec和eccu；ec是指生物質生長產生的排放信用額，eccu是指用捕獲的CO2作為碳儲量生產合成燃料產生的排放信用額，且未在efecu（與原料開采/種植/獲取/回收有關的排放）和ep（與原料加工和/或原料轉化有關的排放，以及與原料轉化為最終燃料產品包括發電有關的排放）中核算過。（2）計算時考慮了生物源燃料的碳源或由捕獲的碳制成的燃料的碳源，因此考慮ec和eccu。無論采用上述兩種計算方法中的哪一種，將對船用綠色燃料的界定產生重要影響。而與生物碳源、捕獲碳源相關的排放信用額，以及可持續性認證，還有待IMO制定進一步的指導方法。

此外，LCA導則明確根據混合燃料中每種燃料的能量比例確定相關的溫室氣體默認值或實際排放因子（gCO2/MJ），計算時應使用各種燃料成分能量的加權平均值。這對于計算甲醇與其他燃料的混合燃料的碳轉換系數等參數具有指導意義。

目前LCA導則尚未成熟可用[15]，LCA導則中沒有關于零或近零GHG排放燃料的定義，亦無定量規定船用燃料全生命周期GHG排放因子低于多少算“綠色”，因此也無法確認哪種燃料為綠色。

4.2 EU RED

EU RED是歐盟制定的一項法規，旨在促進可再生能源的發展和利用，減少對化石能源的依賴，以實現歐盟的氣候變化和能源安全目標。該指令制定生物能源的可持續性標準，要求生物能源生產和使用過程符合一系列環境、社會和經濟標準。這些標準包括土地使用變更、碳排放、生物多樣性保護等方面。為促進可再生能源電力的發展，該指令規定了歐盟各成員國應采取支持措施，以確保可再生能源的競爭力和可持續性。此外，該指令要求歐盟成員國建立和維護可再生能源的認證和監測體系，以確保可再生能源的來源和使用符合法規要求。

EU RED最初于2009年頒布，后經過修訂和更新，目前的版本為RED III。RED III大幅提高了歐盟可再生能源發展指標，要求至2030年歐盟總能源消費中至少應包含42.5%的可再生能源，目標值為45%；設定可再生能源在交通領域的使用目標，要求至2030年可再生能源占該行業全部能耗的29%，或減少14.5%的GHG排放，其中交通領域至少1%的能源來自非生物來源可再生燃料（Renewable Fuels of Non-Biological Origin，RFNBO），是指由非生物質可再生能源所產生的液體或氣體的燃料，如綠氫。海運行業至少1.2%的能源來自RFNBO。

EU RED規定對從化石來源捕集的CO2不給予扣除排放信用，來自生物質或從大氣捕集的CO2才被稱為“可再生CO2”。顯然，這個規定較為苛刻。考慮到脫碳進程，在EU RED補充條例中，歐盟對工業中捕集的CO2給予過渡期（2041年前），即由工業源CO2制備的甲醇可以暫認為綠色甲醇，但全生命周期GHG排放不超過28.2 gCO2eq/MJ。

4.3 FuelEU Maritime

FuelEU Maritime基于全生命周期，考慮船用燃料生產、運輸、分配和船上使用的影響，以船舶報告的燃料消耗量和相關排放系數為基礎，給出船用燃料的年平均GHG強度的計算方法和公式，劃定GHG強度限制值（91.16 gCO2eq/MJ）；允許船公司靈活地將合規盈余從一年轉為另一年，或在一定限度內從下一年開始借入預付款合規盈余，此外也允許船公司匯集不同船舶，可以利用同一艘船舶的超額履約來彌補其他船舶的欠佳履約；未達到船用燃料年平均GHG強度限制的船舶須支付罰款，相關罰款將被用于促進船用可再生和低碳燃料的分配和使用，以實現航運業的氣候和環境目標。

目前，航運業已納入歐盟碳排放交易體系，但仍不足以支撐替代燃料尤其是RFNBO，而FuelEU Maritime作為使用可再生和低碳燃料的激勵和懲罰措施被引入航運碳減排政策中，但FuelEU Maritime尊重技術中立原則，而不規定使用任何特定的燃料或技術。

船用甲醇的成本取決于其生產過程中使用的CO2源，這可能影響其在市場上的競爭力和可行性。FuelEU Maritime為促進全生命周期低碳、零碳甲醇燃料的在船使用提供了靈活的合規機制，通過合規履約來彌補低碳、零碳甲醇燃料在成本上的不足，但使用低碳、零碳甲醇能否產生溢價，還有待市場反應。

5 展 望

根據IMO的統計數據，2019年至2021年甲醇燃料（不區分綠色屬性）在船年消耗量分別約為3萬、7.7萬、13萬噸[16]，在總燃料消耗量中占比很小，但增長勢頭迅猛。預計隨著IMO航運GHG減排政策的進一步實施、甲醇相關技術的不斷成熟和發展，甲醇將有望成為一種重要的船用替代燃料。

當前IMO LCA導則還在進一步完善中，尤其還需要進一步制定與生物碳源、捕獲碳源相關的排放信用額，以及可持續性認證等方面的指導方法。不同CO2源制備的船用甲醇燃料的成本結構差異巨大，隨著原材料價格變動、技術進步、政策支持和市場競爭的演變，這些成本也可能發生變化。我國的甲醇產量居世界第一，且工業源捕獲的CO2存量巨大，積極爭取在LCA導則修訂中合理納入工業源捕集的CO2作為綠色甲醇生產的碳源具有重要意義。

目前船用甲醇燃料的全生命周期GHG排放認證主要通過ISCC、RSB等國外組織來完成，我國在這方面還缺乏話語權，這與我國作為甲醇生產和消費大國的地位不相符，因此，我國應大力發展自己的全生命周期GHG排放認證體系，以確保滿足我國船舶在IMO、歐盟綠色甲醇燃料履約的需求。

本論文得到上海市科技計劃“上海船舶智能運維與能效監控工程技術研究中心”項目資助，項目編號：20DZ2252300。

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作者簡介：

薛樹業，上海海事大學商船學院、船舶能效數據中心，工程師