船用低速機何去何從？

碳達峰、碳中和將深刻影響未來(lái)經(jīng)濟社會(huì )的發(fā)展方式。國際海事組織(IMO)也對航運業(yè)碳排放提出了要求，這將為航運業(yè)、船舶工業(yè)帶來(lái)重要挑戰。船用低速機是遠洋商船主要動(dòng)力，是二氧化碳排放的直接來(lái)源，同時(shí)也是航運業(yè)低碳發(fā)展的主攻方向。本文對未來(lái)低速機滿(mǎn)足低排放的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析。

國際海事組織對CO2排放相關(guān)要求

隨著(zhù)國際社會(huì )對船舶污染的不斷關(guān)注，IMO等國際組織對船舶排放提出了新的要求。

在燃料低碳化方面，2018年4月，IMO通過(guò)了全球海運業(yè)溫室氣體減排初步戰略，該戰略提出，以碳排放強度(噸海里CO2排放量)計，2030年在2008年的基礎上至少降低40%，并爭取在2050年降低70%；以溫室氣體排放總量計，2050年至少在 2008年的基礎上降低50%，并爭取在本世紀實(shí)現無(wú)溫室氣體排放。

表1 國際海事組織溫室氣體減排路線(xiàn)

主要替代燃料可行性評價(jià)

航運能源低碳轉型是一項長(cháng)期性、復雜性的系統工程，對清潔能源應用前景的研判，需要綜合考慮多方面因素。目前，船舶低碳化的主要燃料包括LNG燃料、LPG燃料、甲醇燃料、氫燃料、氨燃料等。

圖1 清潔能源船用適應性綜合評價(jià)

圖2 不同燃料的綜合對比

通過(guò)對不同替代能源的能源可供性、經(jīng)濟可接受性、技術(shù)成熟度、環(huán)境適應性、法規完整性等進(jìn)行綜合分析，研究發(fā)現，對于低碳燃料，從LNG作為船用燃料角度而言，隨著(zhù)全球LNG動(dòng)力船隊規模的擴大，西歐、北美、東亞等地區正在加快建設配套LNG加注設施，船用LNG燃料的加注便利性將逐步提高。根據氣體燃料發(fā)動(dòng)機類(lèi)型的不同，溫室氣體減排潛力為10%～23%。船舶應用天然氣燃料相關(guān)的國際規則、國家/地區性法規、船級社規范、行業(yè)標準等已基本建立�？傮w而言，LNG綜合優(yōu)勢明顯，是航運業(yè)實(shí)現溫室氣體減排中期目標最現實(shí)可行的選擇。長(cháng)遠來(lái)看，采用化石LNG尚不能滿(mǎn)足航運業(yè)遠期減排目標，制取途徑需要轉向生物質(zhì)和可再生電力。

對于零碳燃料，從能量密度來(lái)說(shuō)，氨燃料具有一定的優(yōu)勢，這決定了其較小的存儲空間及更大的航程，因此氨燃料具備應用于大型遠洋船舶的可行性，但需要解決毒性及腐蝕性等問(wèn)題。氫燃料能量密度較低且不易儲存，并且制備成本較高，因此目前不適用于大型遠洋船舶，只適用于內河及臨海船舶。生物質(zhì)燃料相比氨與氫，在技術(shù)成熟度上具備一定的優(yōu)勢，但是由于燃料本身易變質(zhì)，所以不能長(cháng)期存儲。

新燃料船用動(dòng)力研發(fā)與應用情況

目前開(kāi)發(fā)的船舶發(fā)動(dòng)機新燃料主要有LNG、LPG、甲醇、生物燃料、氫燃料以及氨燃料。LNG動(dòng)力技術(shù)已發(fā)展很成熟，應用的船舶已達上百艘。LPG、甲醇燃料技術(shù)也較為成熟，氫燃料和氨燃料主機尚在研發(fā)階段。

表2 新燃料研發(fā)情況

表3 雙燃料低速機應用情況

1、LNG動(dòng)力的現狀與發(fā)展趨勢

目前，LNG是獲得應用較為廣泛的可替代性燃料，國內外關(guān)于船舶天然氣燃料動(dòng)力應用的相關(guān)工作已陸續開(kāi)展。丹麥、挪威等國家已在渡船、滾裝船、海岸警備船和平臺供應船等應用LNG作為燃料。隨著(zhù)LNG動(dòng)力船船隊數量的增長(cháng)，LNG燃料加注設施正在全球逐漸擴大，LNG燃料加注船的數量也在增長(cháng)。從供應來(lái)看，全球最大的25個(gè)港口中，有24個(gè)港口具有LNG燃料加注能力。LNG供氣船的運營(yíng)數量，已從2017年初的僅僅1艘增加至近10艘。船舶應用天然氣燃料相關(guān)的國際規則、國家/地區性法規、船級社規范、行業(yè)標準等已基本建立�？傮w而言，LNG綜合優(yōu)勢明顯，是航運業(yè)實(shí)現溫室氣體減排中期目標最現實(shí)可行的選擇。

目前MAN-ES和WINGD的LNG主機主要如下：

(1)WINGD 低壓DF/DF-2.0主機&高壓LNG主機

目前大型LNGC基本大部分使用了WINGD DF主機，且其它船型新造船，雙燃料比例顯著(zhù)增加，預計未來(lái)一段時(shí)間內將會(huì )持續增加。

圖3 LNGC船DF主機占比

現有的低壓LNG雙燃料低速機，為減少碳排放，WINGD推出X-DF 2.0主機帶iCER(智能廢氣循環(huán)控制)系統。iCER系統通過(guò)廢氣中CO2取代掃氣中的O2，減少燃燒室里參與燃燒的氧含量，提高了X-DF的熱力學(xué)性能，如BSGC,排放以及在各條件下燃燒更加可控；同時(shí)，甲烷逃逸最大可減少50%從而有效控制溫室氣體的排放。

圖4 iCER系統原理圖

與傳統船用柴油機相比，高壓LNG雙燃料低速機的溫室氣體減排程度高于低壓LNG雙燃料機。因此，基于碳排放降低的目標，WINGD正在開(kāi)展高壓LNG雙燃料低速機技術(shù)開(kāi)發(fā)。

(2)MAN-ES 低壓ME-GA主機&高壓ME-GI MK2主機

由于MAN-ES高壓ME-GI主機的輔機系統的建造投入成本相比WINGD低壓DF主機高，為此，MAN-ES正著(zhù)手開(kāi)發(fā)低壓ME-GA主機。ME-GA將聚焦于建造成本和運營(yíng)成本的競爭力，采用了與ME-C和ME-GI相類(lèi)似的機身設計；燃氣系統部件包括供氣閥、燃氣雙壁管、進(jìn)氣閥、引燃油噴油器和預燃室等，系統原理和X-DF主機非常類(lèi)似。

圖5 ME-GA主機結構設計特點(diǎn)

ME-GI MK2聚焦于低運營(yíng)成本和溫室效應氣體排放的競爭力,采用MK2設計，引燃油消耗量減少同時(shí)燃氣模式下可以切缸運行，燃氣部件也更精簡(jiǎn)化。

但是，從長(cháng)遠來(lái)看，LNG本身為含碳燃料，且甲烷的溫室效應是二氧化碳的20倍以上，因此，根據Clarksons數據預測(圖6所示)，LNG燃料船舶占比預計在2030年達到頂峰，約占新造船總量的70%以上，2030年至2050年則進(jìn)入下降期，至2050年僅占比21%。

圖6 Clarksons數據預測

2、LPG動(dòng)力的現狀與發(fā)展趨勢

對于兩沖程LPG主機,相對于重油來(lái)說(shuō)，氮氧化物排放可以減少15%～20%，但是仍然需要安裝SCR/EGR來(lái)滿(mǎn)足IMO Tier III排放標準。

相對于LNG主機，LPG主機更接近于氨主機，LPG可以作為氨燃料的最佳過(guò)渡燃料，MAN-ES預測到2028年，所有新造VLGC和大約30%新造集裝箱船將采用LPG為燃料。

圖7 預期減排量

3、氫燃料動(dòng)力的現狀與發(fā)展趨勢

氫能是一種綠色、清潔、高效、來(lái)源廣泛的二次能源。氫的生產(chǎn)成本主要取決于制取方法，氫的高效儲存對于船舶應用氫能至關(guān)重要,高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)目前已較為成熟，但由于能量密度的局限性，氫燃料目前僅適用于短程航行船舶，目前不適用于大型遠洋船舶。

氫燃料可以用于內燃機直接參與燃燒，或者燃料電池。但目前燃料電池受制于功率限制，主要用于小型船舶。目前，部分動(dòng)力企業(yè)在開(kāi)發(fā)氫燃料的中高速機，氫燃料點(diǎn)火能量低、擴散系數大、可燃混合氣濃度范圍大，純度要求較低，因此，氫能以?xún)热紮C的型式在船舶領(lǐng)域具有較好的應用前景。部分動(dòng)力企業(yè)主要在現有的中高速柴油機基礎上進(jìn)行改進(jìn)，以摻氫手段作為過(guò)渡，完成向純氫燃料中高速機的轉變。

4、氨燃料動(dòng)力的現狀與發(fā)展趨勢

氨的主要制取途徑是氮氣和氫氣在高溫高壓和催化劑作用下合成制取。燃料成本方面，液氨單位熱值價(jià)格分別約為甲醇和MGO的1.5倍和2倍。目前船用氨燃料內燃機的研究及應用均處于起步階段。氨燃料發(fā)動(dòng)機的NOX排放尚不能直接滿(mǎn)足Tier III要求，需采用脫硝后處理技術(shù)。與液氫相比，液氨體積能量密度具有明顯優(yōu)勢，且儲存及供應相對容易，是較為理想的能量載體，適用于續航里程較長(cháng)的船舶。氨燃料是未來(lái)零排放解決方案的重點(diǎn)發(fā)展方向，氨可直接作為發(fā)動(dòng)機燃料。從技術(shù)角度而言，氨燃料較氫燃料更易于在船上應用。

(1)氨的制備技術(shù)及經(jīng)濟性

● 第一代：通過(guò)使用煤、重質(zhì)油、天然氣等原料獲得制氨的基礎氣H2，再和N2高溫高壓催化反應，獲得NH3。

● 第二代：通過(guò)可再生電力驅動(dòng)，電解水產(chǎn)生H2，再和N2高溫高壓催化反應，獲得NH3。

● 第三代：通過(guò)直接或介導方式將N2與H2O電還原為氨。

通過(guò)第一代工藝生產(chǎn)氨的能源成本至少為8MWh每噸，氨的低熱值(LHV)為5.2MWh每噸，這表示能源效率僅為65％，因此這些氨大部分用于生產(chǎn)肥料，少量用于炸藥、化學(xué)品等原料，而非用作燃料。但隨著(zhù)第二代工藝的成熟推廣和第三代工藝技術(shù)實(shí)現，制氨能源成本將大大降低，氨產(chǎn)量也將大幅提升，將為氨作為常規燃料打開(kāi)巨大空間。

● 純氨相比甲烷具有較低的層流燃燒速度，較高的自燃溫度和點(diǎn)火能量， 因此以純凈形式燃燒更加困難，技術(shù)上可以和其他燃料一起混合使用；

● 相比甲烷，氨的熱值較低，因此燃料消耗量將遠大于甲烷，但它的辛烷值要高于甲烷，抗爆性更好，可以通過(guò)提高壓縮比來(lái)提高發(fā)動(dòng)機的熱效率；

● 氨燃料供應系統原理與LGIP相似，供給壓力80bar(LGIP供給壓力50bar)。

(2)氨燃料低速機的發(fā)展

MAN-ES公司計劃在2024年開(kāi)發(fā)出二沖程低速氨發(fā)動(dòng)機，實(shí)現氨燃料動(dòng)力船的商用化。

圖8

韓國、日本等國家也在相繼開(kāi)展氨燃料船研發(fā)項目。WINGD同樣在發(fā)揮自身優(yōu)勢，布局相關(guān)產(chǎn)業(yè)，推進(jìn)大功率氨燃料低速機的研制工作，填補船舶氨燃料動(dòng)力系統技術(shù)空白。

“碳達峰 碳中和”的目標下，船用低速機的制造企業(yè)，近期做好LNG、LPG等雙燃料技術(shù)的深耕，同時(shí)，作為遠期目標，要密切關(guān)注氨燃料技術(shù)的發(fā)展，提前布局，做好技術(shù)儲備，以應對市場(chǎng)的變化。