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绿氢制取绿氨作为船用燃料,可持续发展渐露曙光

日期:2022-03-21    来源:DNV船级社

国际氢能网

2022
03/21
10:58
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关键词: 氨燃料船舶 绿色燃料 氨燃料发动机

氨是海事行业未来最有希望的燃料之一,但将其作为燃料选择绝非易事。需要克服哪些最大的挑战呢?DNV与其他公司是如何应对的呢?

氨有股刺鼻的气味,呼吸的空气中只需0.5%的氨浓度就足以致命。然而,氨被视为远洋航运的最佳零碳燃料之一。本文中,我们将重点指出在氨燃料船舶投入运营之前必须回答的一些核心问题,包括供应、可持续性、轮机技术和必要的安全考量。

供应:航运业将不得不面临其他行业的竞争

当前,全球供应的氨中约80%用作肥料。那么用于航运的氨从哪里来?这个问题有待解决。为了满足未来航运与全球农业的需求,氨产量必须大幅提升。

“在脱碳背景下,很重要的一点是我们提及氨在航运中的巨大潜力时,我们指的是绿氨。这种燃料的可持续性取决于来源”,DNV零碳燃料首席研究员Hendrik Brinks解释道。

燃料供应商正在开发绿氨生产框架

氨可分为“棕氨”(产自化石燃料)、“蓝氨”(产自结合碳捕获的化石燃料)和“绿氨”(产自电解生成的可再生氢)。“虽然蓝氨生产相比棕氨降低了85%的二氧化碳排放,但只有绿氨才算得上零碳燃料,”他补充说。

问题关键在于:目前没有任何地方生产绿氨。这种局面有望在未来十年发生改变。“一些燃料供应商已经为生产绿氨所需的框架开展了大量工作,包括认证、技术和成本,” Brinks指出。

发动机技术:

首款氨燃料发动机将于2024年问世

虽然绿氨供应需要时间,但发动机技术的发展突飞猛进。在AEngine联合开发项目中,MAN能源方案公司、Eltronic FuelTech公司、丹麦技术大学和DNV正共同开发首款双燃料氨动力内燃机。AEngine项目得到了丹麦创新基金的资助。今年春天计划进行燃料测试,MAN的二冲程型号预计于2024年上市。

“作为发动机设计者,我们在面临不同燃料类型时充满未知,”MAN能源方案公司双燃料发动机首席专家Peter H. Kirkeby表示,“氨引发了不少兴趣,尤其在远洋船舶领域具有很大潜力——但开发氨燃料发动机一直是一大挑战。最大的障碍之一是如何实现氨的高效燃烧以获取最大动力,同时要确保发动机的紧凑设计。”

燃烧:氨的燃烧速度低于其他燃料

与柴油不同,氨的火焰传播速度非常缓慢,也意味着它的燃烧速度要低得多。它的自燃温度比之其他燃料也高出不少,大约需要630°C——而柴油的燃烧温度仅为210°C。一旦开始燃烧,维持氨的持续燃烧要比其他燃料的难度更大。

“当然,你还要确保发动机在加速时能达到常规性能峰值等。我们正在规划一种终极混合燃料,包含约95%的氨和5%的引导燃料如船用汽油。未来甚至可能采用生物燃料,” Kirkeby说。

有害排放可通过调整燃烧过程减少

即便采用绿氨,如何减少有害排放也是另一重大挑战。虽然氨中不含碳,但含有大量的氮,燃烧起来很可能释放出氮氧化物和一氧化二氮。据Kirkeby解释,氮氧化物排放对于轮机制造商来说并不是什么大问题。“它们得到了有效控制,通过选择性催化反应减排氮氧化物的技术已经应用于许多船舶,所以也适用于氨。而更大的挑战来自一氧化二氮排放。一氧化二氮别名笑气,是危害很大的温室气体,比二氧化碳强283倍。我们的方法是利用燃烧过程本身来减少这些排放物。”

具体来说,氨的燃烧过程中,在一定的压力和温度窗口内产生一氧化二氮排放。“通过燃烧调节,我们可以消除这个窗口,或者使其进入分解所需的温度和压力范围。在我们目前使用的柴油循环中,已经可以很好地加以控制,” Kirkeby说。

最后一大挑战是:如何在不改变基本优点的情况下,使成熟的二冲程发动机系统适应氨燃料。“我们必须让系统非常简单,也可以使用氨。这意味着其模块化的程度足以轻松排除故障。哪怕燃料属于有毒物质,船员也能掌握直观的维护程序。”

液氨运输船是理想的首批用户

放眼未来,首批轮机最有可能安装在液氨运输船上。目前约有200艘船舶能够运送液氨货物,通常有40艘可供随时装运液氨货物。这类船舶将成为理想的对象,因为已经把氨燃料作为货物运输,而船员也具备装卸氨的经验。其他船型如散货船和集装箱也可能效仿。据DNV预计,首批氨燃料船舶将于未来十年的后五年间投入运营,但这项技术的规模化普及不会早于本世纪三十年代初期。

在DNV对于这种燃料的研究中,氨系统和操作程序的安全性是重中之重。在AEngine联合开发项目中,DNV负责安全方面的工作,将开展危害识别(HAZID)、危害与可操作性(HAZOP)以及故障模式及影响分析(FMEA)。

安全:降低氨的毒性

DNV关于船用氨燃料的船级规范于2021年7月公布,为技术开发铺平了道路。其中包括船上储存、装卸和加注氨的规定。这里需要考虑的透气桅。

发动机技术本身将会配备双壁管,这样含有氨的管道被通风处所包围,一旦泄漏很容易被查明。“这是所有替代燃料的通用标准,” DNV业务发展经理兼替代燃料专家Christos Chryssakis解释。其他解决方案如双阻塞与泄放阀等确保了维护中可以隔离系统。

“我们关于氨的船级规范是基于氨作为制冷剂和货物的经验。我们不断更新这些规范,因为进展中的研究提供了必要的深入洞察,以确保系统在装卸中的安全性和实用性,”Chryssakis说,“对首批氨燃料船的设计开展风险评估将是下一步的重点工作。”

DNV开展氨加注研究

除了氨燃料船舶的船上作业外,DNV近期完成了对阿姆斯特丹港和奥斯陆港的氨燃料加注作业的研究,审视了港口发生大量氨泄漏的潜在后果。“我们考虑了最坏的场景,包括港口侧供应设施与加注船发生泄漏的影响。奥斯陆港位于居民区,面临着非常大的风险,”Chryssakis解释。

 “我们根据氨泄漏可能造成影响的半径,确定了外部安全区与降低风险措施。对于奥斯陆港,我们发现原则上使用冷冻氨加注船的风险水平是可以接受的,因为奥斯陆的居民区不会受到泄漏影响。但为确保船上的安全操作还有很多工作要做。”

位于新加坡的全球海事脱碳中心(GCMD)最近也开展了一项研究,旨在确定一套强有力的安全导则和操作方案,为当地两处氨加注点的试运行建立监管沙盒的基础。DNV将牵头这项安全研究,并提供氨需求预测、加注点推荐、加注模式概念设计开发例如车-船或船舶之间、HAZID/HAZOP/QRA研究以及起草技术和运营导则等方面的支持。

“这个话题包括了很多方面,关键在于全面落实,确保氨能安全地进入船用燃料市场”,Hendrik Brinks说,“我们需要严格的安全程序、把氨和控制有害排放的发动机设计纳入国际法规,并允许直观的维护协议,当然还包括训练有素的专业船员开展操作,以及供应充足的绿氨。只有这样,氨才能充分发挥其潜力,成为最具前景的绿色燃料之一。”

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