李凌/DNV船級社

氨是海事行業(yè)未來最有希望的燃料之一，但將其作為燃料選擇絕非易事。需要克服哪些挑戰(zhàn)呢？DNV船級社與其他公司是如何應對的呢？

氨有股刺鼻的氣味，呼吸的空氣中只需0.5%的氨濃度就足以致命。然而，氨被視為遠洋航運的最佳零碳燃料之一。本文將重點指出在氨燃料船舶投入運營之前必須回答的一些核心問題，包括供應、可持續(xù)性、輪機技術和必要的安全考量。

供應：航運業(yè)面臨其他行業(yè)競爭

當前，全球供應的氨中約80%用作肥料。那么用于航運的氨從哪里來？這個問題有待解決。為了滿足未來航運與全球農(nóng)業(yè)的需求，氨產(chǎn)量必須大幅提升。

“在脫碳背景下，很重要的一點是我們提及氨在航運中的巨大潛力時，我們指的是綠氨。這種燃料的可持續(xù)性取決于其來源。”DNV零碳燃料首席研究員Hendrik Brinks解釋道。

供應商正在開發(fā)綠氨生產(chǎn)框架

氨可分為“棕氨”（產(chǎn)自化石燃料）、“藍氨”（產(chǎn)自結合碳捕獲的化石燃料）和“綠氨”（產(chǎn)自電解生成的可再生氫）?！半m然藍氨生產(chǎn)相比棕氨降低了85%的二氧化碳排放，但只有綠氨才算得上零碳燃料，”他補充說。

問題關鍵在于：目前沒有任何地方生產(chǎn)綠氨。這種局面有望在未來十年發(fā)生改變?！耙恍┤剂瞎桃呀?jīng)為生產(chǎn)綠氨所需的框架開展了大量工作，包括認證、技術和成本，”Brinks指出。

發(fā)動機技術：首款氨燃料發(fā)動機將于2024年問世

雖然綠氨供應需要時間，但發(fā)動機技術的發(fā)展突飛猛進。在AEngine聯(lián)合開發(fā)項目中，MAN能源方案公司、Eltronic FuelTech公司、丹麥技術大學和DNV正共同開發(fā)首款雙燃料氨動力內(nèi)燃機。AEngine項目得到了丹麥創(chuàng)新基金的資助。今年春天計劃進行燃料測試，MAN的二沖程型號預計于2024年上市。

“作為發(fā)動機設計者，我們在面臨不同燃料類型時充滿未知，”MAN能源方案公司雙燃料發(fā)動機首席專家Peter H. Kirkeby表示，“氨引發(fā)了不少興趣，尤其在遠洋船舶領域具有很大潛力—但開發(fā)氨燃料發(fā)動機一直是一大挑戰(zhàn)。最大的障礙之一是如何實現(xiàn)氨的高效燃燒以獲取最大動力，同時要確保發(fā)動機的緊湊設計?！?/p>

燃燒：氨的燃燒速度低于其他燃料

與柴油不同，氨的火焰?zhèn)鞑ニ俣确浅＞徛?，也意味著它的燃燒速度要低得多。它的自燃溫度比之其他燃料也高出不少，大約需要630°C——而柴油的燃燒溫度僅為210°C。一旦開始燃燒，維持氨的持續(xù)燃燒要比其他燃料的難度更大。

“當然，你還要確保發(fā)動機在加速時能達到常規(guī)性能峰值等。我們正在規(guī)劃一種終極混合燃料，包含約95%的氨和5%的引導燃料如船用汽油。未來甚至可能采用生物燃料?！盞irkeby說。

有害排放可通過調(diào)整燃燒過程減少

即便采用綠氨，如何減少有害排放也是另一重大挑戰(zhàn)。雖然氨中不含碳，但含有大量的氮，燃燒起來很可能釋放出氮氧化物和一氧化二氮。據(jù)Kirkeby解釋，氮氧化物排放對于輪機制造商來說并不是什么大問題?！八鼈兊玫搅擞行Э刂?，通過選擇性催化反應減排氮氧化物的技術已經(jīng)應用于許多船舶，所以也適用于氨。而更大的挑戰(zhàn)來自一氧化二氮排放。一氧化二氮別名笑氣，是危害很大的溫室氣體，比二氧化碳強283倍。我們的方法是利用燃燒過程本身來減少這些排放物?！?/p>

具體來說，氨的燃燒過程中，在一定的壓力和溫度窗口內(nèi)產(chǎn)生一氧化二氮排放。“通過燃燒調(diào)節(jié)，我們可以消除這個窗口，或者使其進入分解所需的溫度和壓力范圍。在我們目前使用的柴油循環(huán)中，已經(jīng)可以很好地加以控制，”Kirkeby說。

最后一大挑戰(zhàn)是：如何在不改變基本優(yōu)點的情況下，使成熟的二沖程發(fā)動機系統(tǒng)適應氨燃料。“我們必須讓系統(tǒng)非常簡單，也可以使用氨。這意味著其模塊化的程度足以輕松排除故障。哪怕燃料屬于有毒物質(zhì)，船員也能掌握直觀的維護程序?！?/p>

液氨運輸船是理想的首批用戶

放眼未來，首批氨動力輪機最有可能安裝在液氨運輸船上。目前約有200艘船舶能夠運送液氨貨物，通常有40艘可供隨時裝運液氨貨物。這類船舶將成為理想的對象，因為已經(jīng)把氨燃料作為貨物運輸，而船員也具備裝卸氨的經(jīng)驗。其他船型如散貨船和集裝箱船也可能效仿。據(jù)DNV預計，首批氨燃料船舶將于未來十年的后五年間投入運營，但這項技術的規(guī)?；占安粫缬诒臼兰o三十年代初期。

在DNV對于這種燃料的研究中，氨系統(tǒng)和操作程序的安全性是重中之重。在AEngine聯(lián)合開發(fā)項目中，DNV負責安全方面的工作，將開展危害識別（HAZID）、危害與可操作性（HAZOP）以及故障模式及影響分析（FMEA）。

安全：降低氨的毒性

DNV關于船用氨燃料的船級規(guī)范于2021年7月公布，為技術開發(fā)鋪平了道路。其中包括船上儲存、裝卸和加注氨的規(guī)定。這里需要考慮的透氣桅。發(fā)動機技術本身將會配備雙壁管，這樣含有氨的管道被通風處所包圍，一旦泄漏很容易被查明?！斑@是所有替代燃料的通用標準” DNV業(yè)務發(fā)展經(jīng)理兼替代燃料專家Christos Chryssakis解釋。其他解決方案如雙阻塞與泄放閥等確保了維護中可以隔離系統(tǒng)。

“我們關于氨的船級規(guī)范是基于氨作為制冷劑和貨物的經(jīng)驗。我們不斷更新這些規(guī)范，因為進展中的研究提供了必要的深入洞察，以確保系統(tǒng)在裝卸中的安全性和實用性?！盋hryssakis說，“對首批氨燃料船的設計開展風險評估將是下一步的重點工作。

DNV開展氨加注研究

除了氨燃料船舶的船上作業(yè)外，DNV近期完成了對阿姆斯特丹港和奧斯陸港的氨燃料加注作業(yè)的研究，審視了港口發(fā)生大量氨泄漏的潛在后果?！拔覀兛紤]了最壞的場景，包括港口側供應設施與加注船發(fā)生泄漏的影響。奧斯陸港位于居民區(qū)，面臨著非常大的風險，”Chryssakis解釋。

“我們根據(jù)氨泄漏可能造成影響的半徑，確定了外部安全區(qū)與降低風險措施。對于奧斯陸港，我們發(fā)現(xiàn)原則上使用冷凍氨加注船的風險水平是可以接受的，因為奧斯陸的居民區(qū)不會受到泄漏影響。但為確保船上的安全操作還有很多工作要做?！?/p>

位于新加坡的全球海事脫碳中心（GCMD）最近也開展了一項研究，旨在確定一套強有力的安全導則和操作方案，為當?shù)貎商幇奔幼Ⅻc的試運行建立監(jiān)管沙盒的基礎。DNV將牽頭這項安全研究，并提供氨需求預測、加注點推薦、加注模式概念設計開發(fā)例如車—船或船舶之間、HAZID/HAZOP/QRA研究以及起草技術和運營導則等方面的支持。

“這個話題包括了很多方面，關鍵在于全面落實，確保氨能安全地進入船用燃料市場”，Hendrik Brinks說，“我們需要嚴格的安全程序、把氨和控制有害排放的發(fā)動機設計納入國際法規(guī)，并允許直觀的維護協(xié)議，當然還包括訓練有素的專業(yè)船員開展操作，以及供應充足的綠氨。只有這樣，氨才能充分發(fā)揮其潛力，成為最具前景的綠色燃料之一?！薄?/p>