绿色氨船用燃料

采用陆上可再生能源生产的氨具有用作船用燃料的可行性，但投资将起到关键性作用。

知名美国非营利性环保组织“美国环保协会”（Environmental Defense Fund）欧洲分部，通过与工程咨询公司里卡多（Ricardo）合作，近期发布了一份名为“以太阳能航行”的研究报告，从经济、物流和技术等层面深入分析了制造绿色船用氨（NH3）燃料的可行性。

当前工业合成氨技术主要采用哈伯·博施 (Haber-Bosch)工艺，往往通过天然气裂解来生成氨合成所需的氢源，因此导致大量的二氧化碳（CO2）排放。不过，国际海事组织（IMO）为实现到2050年将温室气体排放量在2008年基础上减少50%的目标，发布了一系列无排放船用燃料的可行性报告，氨也是其中之一。不仅如此，氨作为未来燃料的潜力也得到了英国劳氏和DNV GL等船级社的研究认可。

与氢不同，氨不需要低温储存，具有更高的能量密度（液态氢为8791兆焦耳 / 立方米， 氨为12714 兆焦耳 /立方米），内燃机及燃料电池均可以其为燃料，且因是化肥行业的主要产品而在全球各地都存储设施。不仅如此，氨还有望利用风能、太阳能等可再生能源来生产。

美国环保协会的报告指出，要释放氨作为可替代燃料的潜力，就需要对可再生能源电厂等工业基础设施进行投资，以建立全球能源供应链。鉴于可再生能源丰富的国家不少是发展中国家，此举还将为重塑全球能源供应链带来挑战和机遇。

图1

图2

这意味着，作为“绿色氨”的输出国，发展中国家有望持续获得收入，进而促进其经济发展。不过，这一设想也存在“先有鸡还是先有蛋”的问题：若化石燃料已能充分满足当地的能源需求，则“绿色氨”鲜有市场需求，因而发展中国家政府也缺乏投入巨额资金、建设可再生能源基础设施的动力。

摩洛哥经验

凭借拥有位于直布罗陀海峡的多个大型商业港口、可方便进入多个主要航线的优势，摩洛哥成为了美国环保协会上述项目的理想研究对象。该国在发展水电方面有着悠久的历史，且目前正通过建设风能、太阳能发电厂来进一步利用可再生能源。

摩洛哥拥有3500公里的海岸线，海上风电装机容量可达250吉瓦（GW，1吉瓦等于1000兆瓦），是该国现有电厂容量的25倍，足以向全球约三分之一的船队供应绿色氨。此外，西撒哈拉地区的海岸线也被认为在利用太阳能发电量方面潜力巨大。

摩洛哥的磷酸盐总储量约为1100亿吨，在全球占比高达75%。该国拥有成熟的无机化学工业，进口的氨通常被运输至朱尔夫莱斯费尔（Jorf Lasar）港，储存在港口附近的冷藏罐中，总容量达100000吨，相当于500艘超巴拿马型船的氨燃料理论日消耗量。根据美国环保协会的报告，Jorf Lasar港附近有大面积土地以提供太阳能，每天可生产绿色氨700吨，相当于4艘超巴拿马型船的燃料日消耗量，由此可带来1.94亿美元的年收入。

据2017年的数据测算，若要为通过摩洛哥港口的所有散货船和集装箱船生产绿色氨，则每天仅需约280吉瓦时（GWh）的电力，仅为该国太阳能及风能理论日发电量——47900 吉瓦时——的0.6%（见图1）。不过，这种绿色氨生产方式的缺点是成本较高：需要投资约1000亿美元用于建设绿色氨工厂及可再生能源电厂，其中后者的投资占比70%—80%。

绿色氨消费量预测

为评估全球航运业所需的绿色氨数量，该报告采用了IMO于2014年公布的第三次温室气体增长预测研究的数据。研究分析预测了2050年氨需求量的两种可能性——SSP1（氨使用率高）和SSP3（氨使用率低），并分别针对10%、25%、50%乃至100%的全球船队以氨为燃料的情况，计算了生产所需氨将耗费的可再生电力。（见图2）若基于SSP1来测算，则2050年全球船队的氨需求量将达到约135万吨/天或4.93亿吨/年，约为2017年全球氨产量的2.8倍。

1艘典型的超巴拿马型船每天要耗费1.9GWh的电力来生产其所需的氨，相当于117000名欧盟公民的耗电量。在SSP1的情况下，全球集装箱船队和散货船队所需的电力若由太阳能来发电，电池板的面积将达296平方公里。

该报告强调，与传统的氨产品不同，绿色氨的生产仍处于相对初级的阶段。生产绿色氨的电解过程需要大量的水，据测算，若生产1艘超大型集装箱船所需的绿色氨，每天约需要水380千升（KL），且基于取水地点的差异，水可能还需脱盐。此外，绿色氨工厂所处的地点也将在很大程度上决定可再生电力发电厂的位置。

船舶推进

该报告还分析了氨用于船舶推进的四种可能性：

●在内燃机中燃烧

●在燃气轮机中燃烧

●作为氢燃料电池系统中的“氢载体”

●在固体氧化物电池系统中产生化学反应

西门子集团参与的绿色氨项目的研究结果表明，一种现有的小型发动机无需改装即可以氨为燃料。曼恩能源方案公司（MAN Energy Solutions）也积极参与到了这一研发领域。今年2月，这家发动机制造商发布消息称，该公司正在与日本九州大学（Kyushu University）合作，对其MAN MELGIP发动机进行氨燃料试验，希望在两年半内对氨发动机进行全面测试。相比之下，燃气轮机虽然广泛用于海军舰船，但其燃料消耗更大，并不适用于航运业，因而不太可能在氨燃料方面对其开展大量研究。

鉴于大型柴油发动机应用广泛，因此预计其将成为发动机以氨燃料的切入点。为实现IMO 2050年的减排目标，航运业在2020年就应开始采用氨燃料（见图3）。然而，氨亦有其缺点，即其可燃范围较小（为15%—25%），这意味着发动机需要氨意外的其他燃料作为补充，如化石燃料、生物燃料或氢。一种比较可行的方案是将应用不断增加的液化石油气（LPG）作为补充燃料——其储罐通常位于甲板上方，则甲板下方的空间可以用来配置氨储罐。

该报告指出，氨燃料电池或将到2030年才会得到大面积使用，将会是一个漫长的过程。报告认为，固体氧化物电池技术成熟后，质子交换膜（PEM）电池才会受到青睐。其中，固体氧化物电池的优点是氨可以直接氧化反应，而无需加氢裂化。

报告总结说，在不久的将来，氨会是技术上最为可行的海事业无碳解决方案。这种燃料要推广使用，还需要制定鼓励政策。报告还呼吁IMO 将其作为“紧急事项”，组织讨论相关投资方案。

报告称，业界当前应把工作重点放在制定政策上，以推动采用在生命周期内对气候影响为零的多种燃料，其中就应包括绿色氨；不仅如此，政策还应对这些燃料的安全性和环境效应提出监管要求。

氨发动机技术路线图