航运减排 ~ P3：低碳燃料

LNG发动机燃用 LNG 基本不存在 SOx、PM 排放，NOx 排放最多可降低 90%，LNG 运输船还解决了货舱蒸发 气排放或再液化的难题。理论上，发

LNG

发动机燃用 LNG 基本不存在 SOx、PM 排放，NOx 排放最多可降低 90%，LNG 运输船还解决了货舱蒸发 气排放或再液化的难题。理论上，发动机燃用 LNG 相比燃油可减少 20%~25%的碳足迹， 但由于燃烧效率、甲烷逃逸等原因，温室气体减排量通常低于 20%。化石基 LNG 只能作 为一种过渡燃料，生物质甲烷或电制甲烷均可作为替代。

化石基 LNG 与船用燃油在经济性上具有竞争力，因此 LNG 作为船用燃料受到追捧， 但 LNG 前期投资成本较高，且会挤占一定船舶空间。生物甲烷或电制甲烷目前燃料成本分别为化石基 LNG 的 1.5~3 倍和 3~10 倍，且产量有限。

为便于储运，天然气通常在常压、-163℃条件下液化为 LNG，此时 体积将变为气态时的 1/600。公路、铁路、水路和管道均可作为天然气的运输方式。全球投入运行的 LNG 加注终端已达 142 个，包括加注驳 船、加注罐车、加注储罐、本地储罐等。

LNG 发动机技术已比较成熟。火花塞点火的纯 LNG 发动机、基于 Otto 循环的 LNG-燃油低压双燃料发动机及基于 Diesel 循环的 LNG-燃油高压双燃料发动机均已商用。

LNG 来源包括天然气、生物质及绿氢和 CO2 的合成。2020 年全球 LNG 年产量 155 EJ ( 1 EJ=1018 J=23.88 Mtoe 百万吨油当量 )，约 31 亿 t，均为化石基，年消费量 73.5 EJ，其中运输行业消费量为 5.2 EJ。2020 年海运行业 LNG 消费量在其整个能源消费中占比约 5%，到 2050 年这一比例有望达到 19%。

自 2003 年世界首艘 LNG 动力的平台供应船 “Stril Pioner”交付运行，到 2022 年底，世界 LNG 动力船舶已达 355 艘，另有 515 艘 LNG 动力新造船订单，LNG 是中短期主流的船用替代燃料选择。考虑欧盟碳市场将在 2026 年起将甲烷纳入管控范围，这将会为 LNG 船东或运营商带来一定履约成本。以一艘 2g CH4/kWh 甲烷泄漏率的集装箱船为例，甲烷泄露产生的温室气体排放当量约为其 LNG 燃 烧产生二氧化碳排放的 15%。高甲烷泄漏率 液化天然气动力船舶每吨液化天然气运输的额外碳配额成本约为 70 欧元。化石基 LPG 同样作为一种过渡燃料，尽管前期投资成本相比 LNG 更低，但目前主要在部分 LPG 运输船、乙烷运输船上应用，应用场景有限，且缺乏四冲程发动机。

生物甲烷/生物天然气/可再生天然气由沼气提纯到 96%以上所得，可直接用于 LNG 动力船。沼气是有机物在无氧（厌氧）的条件下，经微生物分解产生的可燃性混合气体。沼气的主要成分是甲烷和二氧化碳，甲烷含量在 60%左右。 目前我国生物天然气年产量仅约 1.8 亿方，距离 2025 年的 100 亿方目标差距较大，主要原因为成本居高不下。2015 年国家启动实施农村沼气转型升级，2015-2017 年，中央财政共投资近 60 亿元，重点支持建设日产沼气 500 方及以上的大型沼气项目 1423 处、日产生物天然气 1 万方以上的试点项目 64 处，预计年可新增沼气生产能力 4.87 亿方，但据人民日报 2020 年报道，64 个规模化试点项目中，连续稳定运营的只有 10 个左右。 2022 年 11 月国际海运集团拟每年向中国采购生物天然气 4.35 亿方，可签十年协议。 中国产业发展促进会生物质能产业分会受一家国际海运集团委托，协助其在国内采购绿色船用燃料—液化生物天然气。该航运企业拟开通中国到欧洲、北美等多条绿色航线。

甲醇

甲醇是一种关键基 础化学品，主要用于生产甲醛、乙酸和塑料等其他化学品；同时也是一种用于车辆、船舶、 工业锅炉的低闪点液体酒精燃料。甲醇的环保性能与 LNG 类似，能使 Sox、NOx、PM 的 排放分别减少 99%、60%及 95%，但减碳性能更强，可降低 CO2 排放 75%~90%。甲醇 生物可降解性好，对环境更友好，但由于其较强的挥发性和毒性，对人体存在危害风险， 且有爆炸风险。2019 年 9 月 IMO 确认甲醇为安全且合规的低闪点燃料。

化石甲醇与船用燃油具有可比的燃料成本，绿色甲醇的燃料成本却高出 8~10 倍，但未来有望降至 2~3 倍，在获取低价碳源方面存在挑战。此外，甲醇燃料存在挤占船舶空间问题。储运可借用现有体系，非常成熟。甲醇属低闪点液体燃料，易于运输、储存和配送，对现有船用燃料储运设施稍作改造即可建立完整供应链。目前全球范围内可再生甲醇生产基础设施建设项目超过 80 个，预计到 2027 年可实现 800 万 t 的年产量。

甲醇适用于内燃机和燃料电池。当前，直接 甲醇燃料电池 ( DMFC ) 的效率还比较低，有待进一步研发和提升；而甲醇燃料内燃机技术相对成熟，在车辆、船舶上均有多年的应用经验。

传统甲醇的生产原料主要是天然气和煤，其主要的生产路径为 H2 和 CO 的合成。绿色甲醇的生产，基本为两条技术路线。一是通过裂解或热解方式，将秸秆等原材料的生物质转化为一氧化碳和氢气，再通过高温热解水制氢，合成甲醇。二是通过太阳能光伏获得绿色电力，电解水制氢，并通过捕捉二氧化碳，合成甲醇。须注意的是，绿电制氢与二氧化碳合成甲醇这一技术路线，在二氧化碳捕捉方面的限制因素颇多。若选择直接使用来源于化工厂或钢铁厂直接排放产生的二氧化碳，则会不符合欧盟的绿色标准 ISCC。

当前全球甲醇年产量约 1 亿 t，几乎全部来自天然气、煤等化石燃料；可再生甲醇的年产量不到 20 万 t，主要为生物甲醇。未来甲醇的应用主要还是基于生物质甲醇，尤其是利用风能、 太阳能、水能、核能等清洁能源和捕集 CO2 合成电制甲醇的发展，CO2来源和生产成本是甲醇动力航运发展的主要障碍。

截至 2022 年底，甲醇动力的现有船 24 艘，其中新造船 21 艘，均为 50000 载重吨级的化学品油轮，另有 3 艘改装船分别为滚装客船、拖轮和引航船，现阶段均以化石甲醇作为燃料。2022 年甲醇动力新造船订单增长迅猛，目前已达58 艘，其中Maersk 公司宣布订造12 艘16000TEU(标箱)和6 艘17000TEU 甲醇燃料集装箱船、CMACGM 公司宣布订造 6 艘 15000TEU 甲醇燃料集装箱船、中国远洋海运集团宣布订造 12 艘 24000TEU 甲醇双燃料动力集装箱船、招商轮船宣布订造 2(实 船)+4 艘（选择权船）9000TEU 甲醇双燃料汽车滚装运输船。

2023 年 2 月，全球首个 10 万吨级绿色低碳甲醇工厂在河南安阳投产，这是我国首套、全球规模最大的二氧化碳加氢制绿色低碳甲醇工厂，将进一步助力绿色甲醇的发展。吉利旗下醇氢科技在现场签约 300 台甲醇重卡订单并现场交付首批 30 台。未来，300 台醇氢重卡全部投入使用，预计将减少柴油消耗 15000 吨/年，减少碳排放 45000 吨/年。同时甲醇的性价比高，相比柴油车每年可节省燃料费 3000 万元左右。据悉，绿色低碳甲醇工厂由 河南省顺成集团、吉利科技集团等共同出资建设，项目利用焦炉气中的副产氢气与从工业尾气中捕集的二氧化碳合成绿色低碳甲醇，实现了二氧化碳资源化利用，助力实现碳中和目标。

生物柴油

生物柴油相比传统柴油可减碳 50%，废物基生物柴油可减碳 80%以上。与普通柴油相比，采用生物柴油的汽车尾气中有毒有机物排放量仅为传统柴油的 10%，颗粒物仅为 20%。棕榈油基生物柴油的净碳减排在 30%左右，豆油、葵油和菜籽油 在 50%~60%之间；废物基生物柴油以先进生物原料、UCO 和动物脂肪等为原料，其生产的生物燃料可以实现 80%以上的净碳减排。

目前生物柴油相比传统柴油价格更高，欧盟生物柴油价格是传统柴油价格的 1-2 倍。但生物柴油与传统柴油理化性质一致，可直接掺混使用，老旧船舶及配套储运设施无需额外投资改造即可使用。 储运成熟。生物柴油理化性质与传统柴油大体一致，无需另添设储运设备。同时生物柴油的闪点较石化柴油高，更有利于安全储运和使用。 生物柴油通用性好，无需改动柴油机，可直接掺混使用。

全球生物柴油产量约 4000 万吨，短期难以满足航运需求。一代生物柴油 （脂肪酸甲酯）主要采用大豆油、菜籽油、地沟油等与甲醇发生酯转化而形成脂肪酸甲酯或乙酯，目前工艺成熟，二代烃基生物柴油主要工艺为加氢脱氧法，壁垒较高。目前全球年产 4000 万吨生物柴油，以一代为主，但航运业年消耗约 1.78 亿吨燃油，短期仍缺乏 足够的原料。此外，生物柴油还面临着道路交通和航空部门的竞争限制。

欧盟是目前世界最大的生物柴油消费市场，占全球约一半消费量，主要用于道路交通领域。在航运领域， 全球航运业龙头马士基宣布与荷兰可持续发展联盟（由荷兰皇家菲仕兰、喜力、飞利浦、 帝斯曼、壳牌和联合利华等公司组成）启动了全球最大海上生物燃料试点项目，该试点项目将在马士基 Triple-E 集装箱船上混合使用高达 20%的第二代生物燃料，在荷兰鹿特丹到中国上海间往返航行 25000 海里，这是全球最大规模使用第二代生物燃料进行的航行试点， 将减少 150 万千克的二氧化碳排放和 2 万千克的硫排放。 与此同时，法国达飞轮船集团开始在新加坡进行生物燃料试点计划，这项为期 6 个月 的计划将涉及多达 32 艘集装箱船，运行不同比例的生物燃料，以测量 CO2 和 NOx 排放 量，并进行趋势分析。其中一些船只将在新加坡使用 B24 生物燃料加油，可将碳排放减少 21%。此外，拥有世界上最大液体化学品船队的 Stolt Tankers 正在与 GoodFuels（全球生物燃料供应和开发龙头）合作试用生物燃料。GoodFuels 还与 Stena Bulk 和 UECC 两家航运公司合作，进行可持续海洋生物燃料试验。

氨

通过清洁低碳氢合成的氨被认为是理想的清洁能源载体之一，燃烧产物仅为 N2 和 H2O。氨逐渐被全球视为从化肥到绿色能源的零碳能源载体。碳中和背景下，氨将用于海运和陆地电厂的零碳燃料，预计到 2050 年，全球氨需 求将达到 7 亿 t，其中船用替代燃料需求将达到 2 亿 t。但需注意氨的毒性和爆炸风险。

氨的生产成本在很大程度上取决于输入能源的价格和燃料运输的成本，可再生氨的成本主要取决于绿氢成本，占比在 90%以上。 氨燃料在船上的储存和供应系统可借鉴已有的 LPG 系统技术，相对成熟。大规模的氨通常在常压和-33℃条件下液化储存，而少量的氨则采用与 LPG 类似的储运方式—常温加压至 8 bar 存放于不锈钢压力容器中。液氨具有较高的爆炸风险和毒性，储运安全考量尤其重要。

氨燃料发动机目前还在研发。Wartsila、MAN Energy Solutions、WinGD 等主要的船用发动机生产商均在积极推进氨燃料发动机的研发，主要挑战包括较高的自燃温度、较低的火焰传播速度、较窄的可燃极限、较高的 NOx 排放。

氨的生产原料是 H2 和 N2，通常基于 Haber-Bosch 过程，在铁基催化剂、300~500℃的高温和 20~35 MPa 的高压条件下反应而成；其他的氨合成工艺包括电化学过程和光催化过程。2022，全球氨的年产量达到 1.83 亿 t，其中 85%用于氮肥生产。目前氨生产主要基于化石原料，其中 72%来自天然气，22%来自煤，其余来自石脑油和重质燃料油。2021 年全球 可再生氨产量还不到 2 万 t，2030 年有望达到 1500 万吨。基于可再生氢和清洁能源进行绿氨生产，将是未来的努力方向。

氨燃料发动机目前还未商用，氨动力船舶目前还未见商用。在氨动力船舶的开发方面，目前多家船舶设计公司、造船厂、航运企业的氨动力或氨预留船舶设计已经 获得船级社的原理性认可(Approval in Principle，AiP) 证书，也有多家船东公司宣布了开展氨动力船舶的开发，包括 VLCC、拖轮、驳船、平台供应船等。

氢

绿氢最低碳环保。氢燃料电池在运营时硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳等有害气体的排放几乎为零。

采用现有电力生产，制氢成本约为 30-40 元/ 公斤（电价不同影响较大）。如果再加上储运成本和人工成本，氢气的售价对于普通消费者来说将高不可攀。

储运要求高，难度大。氢的运输、储存和配送显著受到其体积能量密度的影响。 对于 20MPa、70MPa 的压缩氢气和常压低温(-253℃)下的液化氢而言，体积能量密度分别为柴油的 5.0%、12.3%和 23.2%。对于同样的能量释放，其体积需求分别是柴油的 20.1、 8.1 和 4.3 倍，船舶的有效载货容积将在一定程度上被削减。

目前，全球各港口氢加注和接驳基础设施基本处于空白状态，且其建设难度和成本预期高于 LNG 基础设施，因此其发展还有很长的一段路要走，预计氢的储运主要以其衍生物氨的形式进行。

通过化石能源或者电解水的方式制氢，目前在核心技术如质子交换膜、 液化和高压技术等方面中国与美日德仍存在较大差距。当前全球氢气年产量约 7000 万 t，但来源主要为天然气、煤和石油。2030 年全球氢气年产量有望达到 1 亿 t，2050 年达到 3 亿~4 亿 t；且随着全球清洁能源转型，氢气供应将以低碳蓝氢和绿氢为主。只有当全球能源结构实现低碳转型，可再生甲醇、氨等绿氢衍生物的可靠供应才能成为现实。

氢内燃机的功率容量、燃烧、运转平顺性方面在技术上仍然存在较大的挑战，其大规模应用尚需时间，目前氢动力船舶极少。当前，氢动力船舶主要以氢燃料电池作为(混合) 动力系统的小型船舶或以氢燃料电池作为辅助发电装置应用为主，全球范围内的应用示范船舶有数十艘，而以氢内燃机作为动力的船舶目前仅见 2022 年10 月交付的比利时拖轮 Hydrotug 1， 配置的 2 台 BeH2ydro 12DZD-DF 四冲程内燃机可燃用氢气和柴油，总功率达 4000 kW。

参考资料： 同 航运减排 ~ P1：行业背景 - 知乎 (zhihu.com)