李娜，張卓緣

（1.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510725；2.中國(guó)藥科大學(xué)，江蘇 南京 210009）

1 背景

在全世界面對(duì)氣候變化的大背景之下，航運(yùn)業(yè)溫室氣體污染問(wèn)題所面對(duì)的國(guó)際與國(guó)內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)也日益增大。2018 年4 月13 日，國(guó)際海事組織的第七十二屆海洋與環(huán)境會(huì)議在英國(guó)倫敦審議通過(guò)了全球海上運(yùn)輸溫室氣體減排的基本策略，并將逐步實(shí)現(xiàn)三個(gè)階段的計(jì)劃,明確了到2050 年全球溫室氣體全年的總排放量將與2008 年比至少下降百分之五十的遠(yuǎn)景目標(biāo)[1]。目前，中國(guó)航運(yùn)業(yè)也正以二O 三O 年碳達(dá)峰的總體目標(biāo)和二O 六O 年碳中和的愿景為指引，積極探索向低碳發(fā)展的道路途徑[2]。

若要達(dá)到航運(yùn)領(lǐng)域的排放標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)從船舶產(chǎn)生污染排放的源頭出發(fā)，研究并采用潔凈的綠色燃料發(fā)動(dòng)機(jī)或燃料電池等作為船舶動(dòng)力源。只有從溫室氣體的產(chǎn)生與排放源頭進(jìn)行布局和研發(fā)，才能有望在國(guó)際和國(guó)內(nèi)共同實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排的目標(biāo)。

2 甲醇燃料特性

甲醇是一種新型清潔能源，根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，分為黑色、灰色、藍(lán)色和綠色甲醇四大類(lèi)。黑色甲醇是以煤炭作為原料進(jìn)行生產(chǎn)加工獲得的；灰色甲醇的原料是天然氣，通過(guò)轉(zhuǎn)化、蒸餾合成等工藝進(jìn)行生產(chǎn)；藍(lán)色甲醇是從廢水、工業(yè)副產(chǎn)品中提取生產(chǎn)的，是一種可再生甲醇；綠色甲醇則可通過(guò)多種方式生產(chǎn)，例如二氧化碳、可再生能源等，是一種實(shí)現(xiàn)減碳目標(biāo)的理想燃料。

甲醇的化學(xué)分子式為CH3OH，是一種無(wú)色、透明、易揮發(fā)的易燃液體。其理化性質(zhì)與汽油類(lèi)似，閃點(diǎn)為12 ℃，是一種低閃點(diǎn)燃料，甲醇等船用燃料的主要性能參數(shù)如表1 所示。甲醇密度比重燃油小，熱值比重燃油低，所以同等續(xù)航力下所需甲醇的儲(chǔ)存艙容比重燃油多。因?yàn)榧状疾缓?，甲醇燃油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在甲醇燃料模式下的硫氧化物（SOx）排放量相比于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)可降低99%，其所含硫氧化物主要來(lái)自于引燃油，由此可見(jiàn)甲醇燃油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)很好地達(dá)到國(guó)際海事組織對(duì)SOx 排放控制量的要求，同時(shí)與重油排放相比，綠色甲醇在全周期內(nèi)可以達(dá)到零碳排放。

表1 船用主要燃料性能參數(shù)表

國(guó)際海事組織制訂了關(guān)于使用甲醇等燃料的安全使用等規(guī)范要求，以打通在甲醇運(yùn)輸與船舶利用等各過(guò)程中所面臨的問(wèn)題障礙[3]。為滿(mǎn)足我國(guó)艦船上使用甲醇燃料需求，中國(guó)船級(jí)社也制定了《船舶應(yīng)用甲醇/乙醇燃料指南》規(guī)范要求[4]。

隨著航運(yùn)業(yè)不斷加速脫碳進(jìn)程，甲醇作為一種替代燃料備受關(guān)注。甲醇有著成本低、技術(shù)成熟、改裝難度小、使用安全、加注便利等優(yōu)勢(shì)，并且能夠在很大程度上減少多種污染物的排放。環(huán)境咨詢(xún)公司Ricardo 的報(bào)告顯示，綠色甲醇在各類(lèi)替代燃料中的減排潛力排名第一，其生產(chǎn)和船舶存儲(chǔ)等技術(shù)都是可獲得的，并且與船舶內(nèi)燃機(jī)相兼容，目前甲醇燃油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，甲醇具備了豐富的化工基礎(chǔ)設(shè)施，將能夠形成甲醇燃料脫穎而出的競(jìng)爭(zhēng)力。未來(lái)，綠色甲醇也將能夠通過(guò)各種方式獲取，主要包含了生物質(zhì)氣化、環(huán)保合成、火炬氣體和廢物填埋氣等。

3 船舶應(yīng)用形式

現(xiàn)階段綠色甲醇在船舶上的應(yīng)用形式主要是作為船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，少數(shù)作為燃料電池動(dòng)力船舶的燃料或重整治氫的原料。面向船舶清潔能源的應(yīng)用需求，綜合考慮功率等級(jí)、轉(zhuǎn)化效率、技術(shù)成熟度等因素，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料電池都具備各自相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。

3.1 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)

船舶發(fā)動(dòng)機(jī)在輸出功率范圍廣和能量轉(zhuǎn)換效率高等方面具備綜合優(yōu)勢(shì)，未來(lái)在船舶燃料低碳改造方面也將起到關(guān)鍵作用，甲醇低速二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)已在甲醇運(yùn)輸船上投入商業(yè)使用。

2013 年MAN 公司初步完成了船用甲醇低速機(jī)的研發(fā)，標(biāo)志著甲醇燃料開(kāi)始真正進(jìn)入船用領(lǐng)域[5]。2015 年MAN 公司完成了甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架測(cè)試，2016年在某項(xiàng)目試航時(shí)成功完成主機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)。MAN 公司研制的某系列甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的頂部噴射系統(tǒng)如圖1 所示，黃色管路為甲醇燃料注入管，該機(jī)型已有多臺(tái)訂單，逐步開(kāi)拓了船舶市場(chǎng)并進(jìn)入規(guī)?；瘧?yīng)用階段。甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的主要區(qū)別是燃料噴射系統(tǒng)，除了保留原燃油噴射系統(tǒng)外，額外增加了一套甲醇噴射系統(tǒng)，主要包括甲醇噴嘴、液壓油與密封油模塊等。船上需要配置甲醇燃料儲(chǔ)存、注入和輸送、供給等相關(guān)的配套系統(tǒng)，還需考慮規(guī)范規(guī)則要求的應(yīng)急切斷和安保系統(tǒng)等。

圖1 甲醇燃油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

3.2 甲醇燃料電池

燃料電池利用氫與氧直接反應(yīng)，從而產(chǎn)生電能，因其能源轉(zhuǎn)換利用率較高也是未來(lái)艦船動(dòng)力裝置的主要發(fā)展方向之一，其在船上的應(yīng)用分為低溫燃料電池與高溫燃料電池[6]。國(guó)內(nèi)外都在積極研究有關(guān)船舶氫燃料電池的應(yīng)用技術(shù)，氫燃料電池按照其燃料的來(lái)源不同，可以分為直接式燃料電池（例如直接甲醇燃料電池）和間接式燃料電池（例如甲醇通過(guò)重整器產(chǎn)生氫氣，再以氫氣為燃料的電池）。

直接甲醇燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell,縮寫(xiě)DMFC）屬于一種甲醇溶液作為燃料的低溫燃料電池，采用了質(zhì)子交換膜做固體電解質(zhì)。DMFC 的基本工作原理如圖2 所示：由陽(yáng)極進(jìn)入的甲醇溶液燃料在催化劑的作用下迅速分解為質(zhì)子，并同時(shí)釋放出電子，將質(zhì)子經(jīng)由中間的質(zhì)子交換層傳送至陰極，然后再和陰極的氫氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)得到水。在此過(guò)程中所形成的電子通過(guò)外電路回到了陰極，形成了傳輸電流并可以帶動(dòng)負(fù)載。與普通的化學(xué)電池不同，燃料電池不是能量存儲(chǔ)裝置，而是能量轉(zhuǎn)換裝置，只要不斷地向其中輸入甲醇燃料，就可以向外電路負(fù)載（如船舶用電系統(tǒng)）持續(xù)輸出電能。

圖2 直接甲醇燃料電池工作原理示意圖

重組式甲醇燃料電池（Reformed Methanol Fuel Cell,縮寫(xiě)RMFC）是以甲醇為燃料的一種高溫質(zhì)子交換膜燃料電池類(lèi)別。甲醇在被投入燃料電池前，首先需要經(jīng)過(guò)重整器進(jìn)行甲醇的重組反應(yīng)，產(chǎn)生的氫氣提純過(guò)濾后提供給氫燃料電池堆。RMFC 的基本工作原理如圖3 所示：甲醇和水按一定的比例混合后，經(jīng)過(guò)氣化加熱器形成混合蒸汽，而后重整裝置將蒸汽中的甲醇轉(zhuǎn)化為H2、CO2和少量的CO,該反應(yīng)在250℃至300℃的溫度下進(jìn)行。反應(yīng)后生成的混合氣體在經(jīng)過(guò)氫氣提純過(guò)濾器后，干凈的氫氣進(jìn)入燃料電池堆，和空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，可以供給船舶用電系統(tǒng)。

圖3 甲醇重整燃料電池工作原理示意圖

重組式甲醇燃料電池系統(tǒng)相比起直接甲醇燃料電池系統(tǒng)更加有優(yōu)勢(shì)，其具有模組小、高效率、甲醇純度要求較低以及不需要水管理系統(tǒng)等特點(diǎn)。據(jù)國(guó)際船舶網(wǎng)消息，由德國(guó)Freudenberg 開(kāi)發(fā)的甲醇動(dòng)力燃料電池系統(tǒng)已獲得意大利船級(jí)社頒發(fā)的型式認(rèn)可，這是全球首款獲得船級(jí)社認(rèn)證的甲醇動(dòng)力燃料電池系統(tǒng)。該系統(tǒng)將高效甲醇燃料的重整技術(shù)與模塊化、通過(guò)蒸汽重整過(guò)程產(chǎn)生氫氣，然后與燃料電池中的氧氣反應(yīng)，產(chǎn)生船舶推進(jìn)和電氣系統(tǒng)所需的電能。

4 技術(shù)展望

綠色甲醇燃料因其環(huán)境友好的特性，開(kāi)辟了一條未來(lái)通往零碳的航線(xiàn)。綠色甲醇可以有效地減少超過(guò)95%的CO2排放，并且?guī)缀醪划a(chǎn)生硫氧化物和顆粒物。但目前綠色甲醇的產(chǎn)能還很小，工業(yè)上以黑灰色甲醇為主，這類(lèi)甲醇的CO2有效減排量約5%～10%，不能真正實(shí)現(xiàn)減碳目標(biāo)。未來(lái)要想達(dá)到碳中和水平，甲醇的制備方式必須由化石燃料變?yōu)榭稍偕茉?，還需要國(guó)內(nèi)外燃料公司盡快實(shí)現(xiàn)綠色甲醇的大批量生產(chǎn)、不同國(guó)家和地區(qū)的航運(yùn)港口也需要加快甲醇加注補(bǔ)給的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，從燃料源頭上提供可靠和充足的補(bǔ)給。

船用甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)已有成熟產(chǎn)品投入市場(chǎng)，功率覆蓋范圍也越來(lái)越寬，甲醇配套設(shè)備廠商也越來(lái)越多，船舶新造或改裝的成本也比LNG 低，未來(lái)更適用于主流商船，是遠(yuǎn)洋船舶實(shí)現(xiàn)綠色減碳的重要?jiǎng)恿υO(shè)備。但其不足之處是甲醇燃料能量密度相比燃油較低，不足傳統(tǒng)燃油的一半，相較于同尺度船舶在續(xù)航力保持不變時(shí)，甲醇燃料需要更大的存儲(chǔ)空間，這樣擠占了大量的貨物運(yùn)輸空間，影響貨物裝載量。

因海洋環(huán)境復(fù)雜多變導(dǎo)致船舶在海上行駛時(shí)可能出現(xiàn)各種工況，燃料電池在船上使用時(shí)需要滿(mǎn)足工況多變性和復(fù)雜性，所以要求燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度必須滿(mǎn)足負(fù)荷波動(dòng)大的運(yùn)行要求。若使用單一燃料的電池動(dòng)力系統(tǒng)，其對(duì)能量傳遞響應(yīng)速度較慢，可能無(wú)法跟蹤船舶上負(fù)載的波動(dòng)，從而無(wú)法滿(mǎn)足船舶變工況需求，所以燃料電池不適宜作為唯一的船舶動(dòng)力源，需要與其它動(dòng)力設(shè)備組合成混合動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)克服上述的缺陷，這一點(diǎn)限制了甲醇燃料電池在船舶領(lǐng)域的發(fā)展空間。同時(shí)因?yàn)槟壳叭剂想姵剡€沒(méi)有突破兆瓦級(jí)功率，現(xiàn)階段也只適用于沿?；騼?nèi)河的小型船舶，無(wú)法應(yīng)用于遠(yuǎn)洋商船。甲醇燃料電池的主要技術(shù)缺陷在于需要首先把甲醇轉(zhuǎn)變?yōu)楦粴淙剂?，其轉(zhuǎn)換成本也較高，因此與甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)相比，甲醇燃料電池競(jìng)爭(zhēng)力較為有限。隨著國(guó)際海事組織對(duì)船舶減排不斷嚴(yán)苛的要求，國(guó)家對(duì)燃料電池發(fā)展政策的支持力度將在逐漸加大，同時(shí)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提升，各種缺陷也在不斷地被攻克，其在船舶行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)得到了越來(lái)越多的廣泛關(guān)注和研究。

5 結(jié)語(yǔ)

綠色甲醇燃料具備潔凈、可再生、獲取方便與無(wú)污染的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已逐步成為航運(yùn)界最為青睞的替代燃料之一。綠色甲醇作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料和燃料電池的原料較為安全，環(huán)保性能好。為實(shí)現(xiàn)航運(yùn)業(yè)的脫碳減排目標(biāo)，長(zhǎng)期來(lái)看必定需要依賴(lài)于對(duì)燃料能源進(jìn)行脫碳，能源脫碳轉(zhuǎn)型的過(guò)程相對(duì)緩慢，所需要的轉(zhuǎn)型成本也較高，同時(shí)在能源的生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)以及實(shí)際應(yīng)用管理等方面也存在著諸多問(wèn)題。但相信在全球航運(yùn)業(yè)逐步增加的溫室氣體減排壓力下，隨著工藝技術(shù)的日益創(chuàng)新，實(shí)際項(xiàng)目也會(huì)日益增加，綠色甲醇在未來(lái)的船用替代燃料領(lǐng)域?qū)?huì)有非常廣闊的應(yīng)用前景。