1.介绍
本报告旨在根据“Fit for 55”一揽子计划的倡议，提供有关减少海上运输温室气体 (GHG) 排放的方法的技术观点。本报告旨在为有关减少海上运输部门温室气体排放的讨论提供信息，并提供源自技术分析的政策建议。
该报告的结构如下：第 2 节简要介绍了有关海事部门脱碳雄心的问题的背景，并介绍了相关的欧盟范围内(“适合 55”一揽子计划)和全球脱碳该部门的政策。第 3 节简要概述了航运脱碳的各种选择(例如，替代燃料、推进技术和新兴技术)。第 4 节讨论了海上运输部门向脱碳转型的不确定性。最后，结论部分总结了报告的主要见解。
2. 关于海事部门脱碳雄心的问题
一种。脱碳不遵循线性轨迹
制定实现脱碳目标和碳中和经济的框架，只有在技术和碳中和燃料可用的情况下才能在航运方面取得成功。这将通过投资创新、建设必要的基础设施和开发解决方案来实现，这些解决方案能够以适合国际船舶竞争的具有成本效益和可持续的方式实现既定目标。将排放减少建模为线性轨迹可能更容易。然而，在实践中，情况并非如此。随着新技术和燃料的出现，经验表明最初的吸收是缓慢的。获得经验后，相关成本和技术风险将降低，新技术将更容易为航运界的更多人所接受。这将导致吸收和投资的增加(强化循环)。因此，应该期望指数曲线而不是线性轨迹。
一方面，完全脱碳的排放轨迹取决于经济上可行且安全的低排放和零排放燃料和技术的引入和市场吸收。实施新技术需要海事价值链中的所有利益相关者有足够的时间和共同努力，例如造船商、发动机制造商、燃料供应链中的燃料生产商和能源供应商、港口基础设施和港口运营商。另一方面，在实现脱碳目标的过程中，船舶需要提高效率。提高船舶效率是多种因素的结合。船舶设计和操作措施/选择，例如改进航行计划、螺旋桨和船体的定期清洁和维护，以及安装节能余热回收系统等是需要考虑的几个因素。已经开发了各种技术和操作方法，以提高现有和未来船舶的效率。
湾欧盟对海上运输部门的雄心壮志的简要概述
最近宣布的“Fit for 55”一揽子政策涉及多项个别举措，这些举措提出了旨在于 2030 年及以后减少海事部门温室气体排放的政策和措施。
欧盟排放交易体系 (EU ETS) 指令正在考虑从 2023 年起将 EU ETS 扩展到海运部门(逐步取消免费配额)。该措施适用于 5,000 总吨以上的船舶(欧盟内部航行 100% 执行，欧盟外航行 50% 执行)。该举措符合监测、报告和验证 (MRV) 范围。
FuelEU 海事法规提议，与 2020 年相比，2030 年、2040 年和 2050 年船舶使用的能源温室气体强度分别降低 6%、26% 和 75%。该举措也与 MRV 范围保持一致。与此同时，可再生能源指令建议将燃料子目标横向应用于整个运输部门(包括海运)。子目标涵盖生物燃料和氢气，前提是它们是由可再生电力生产的。
FuelEU Maritime 还设想在船舶靠泊时使用电力(使用陆上电源 - OPS)。预计该措施将在 2030 年适用于集装箱和客船。 替代燃料基础设施指令要求到 2030 年在大多数欧盟港口开发 OPS，并在 2025 年在码头供应液化天然气 (LNG)。
C。全球政策的简要概述
全球航运业全面致力于到 2030 年将航运每吨/英里的碳强度至少降低 40%，到 2050 年与 2008 年相比，努力实现 70%，并在 2050 年之前将年度温室气体排放总量减少至少 50%与 2008 年相比，符合巴黎协定的目标。国际海事组织 (IMO) 于 2018 年 4 月通过了一项初步战略，该战略将于 2023 年进行修订，该战略为制定和采用具体的短期二氧化碳减排措施以及候选中长期措施提供了框架在商定的时间表和实施时间表内实现适当减少的排放，符合 IMO 商定的从现在到 2050 年的脱碳路线图。
在船用替代燃料的开发和商业化之前，商定的 IMO 脱碳初始战略的长期目标以及欧洲“绿色协议”和“适合 55”一揽子计划的雄心勃勃的目标具有挑战性。这就是为什么该行业与几个拥有重大海事利益的成员国一起在 IMO 上提议设立研究与开发 (R&D) 委员会和基金(IMRB/IMRF 提议 1)，最初由强制性捐款提供资金每艘船每消耗 5,000 总吨燃料。该倡议的目的是加快航运业需要但无法发展的替代燃料的开发。正是形势的紧迫性促使了这一举措和航运业愿意做出贡献。
根据商定的 IMO 中长期措施工作计划，IMO 成员国政府还同意最早于 2021 年 10 月开始讨论中长期措施，包括基于市场的措施(MBMs)。
仍然需要完成的相关 IMO 工作流涉及为所有类型的燃料制定生命周期评估 (LCA) 温室气体/碳强度指南。在 IMO 内部关于 LCA 指南的持续讨论框架中，27 个欧盟成员国和欧盟委员会于 2021 年 9 月提出了一项由 IMO 开发和验证的 Well-to-Wake (WtW) 认证计划。根据原料和生产路径分配带有默认温室气体排放因子的燃料生命周期标签，将能够对低碳和零碳替代燃料(包括可持续生物燃料)进行分类，并对其 WtT(井到罐)排放进行定量计算。
IMO 脱碳战略已经确定了一系列候选的短期、中期和长期二氧化碳减排措施。为向海事部门的能源转型迈出重要一步，包括所有欧盟成员国在内的 IMO 成员国政府在 2021 年 6 月 10 日至 17 日举行的 IMO 海洋环境保护委员会(MEPC)第 76 届会议上通过了一项一揽子具有法律约束力的技术和运营短期措施，以减少船舶二氧化碳排放量，将于 2022 年 11 月 1 日生效。
更具体地说，MEPC 76 采取的措施要求 400 总吨及以上的船舶按照提高能效的技术手段计算其现有船舶能效指数(EEXI)，所有 5,000 总吨以上的船舶均需建立其年度运营碳强度指标(CII) 和 CII 评级。碳强度将温室气体排放量与运输距离内的货物数量联系起来。IMO 将在 2026 年 1 月 1 日前审查 CII 和 EEXI 要求实施的有效性，以确定是否需要进一步修改。
3. 航运脱碳的关键替代燃料和船舶技术选项概述
一种。替代燃料的不同技术和监管成熟度水平(来自 UGS 研究的输入)
液化天然气 (LNG) 主要由甲烷 (CH4) 组成。LNG 可以减少 20-25% 的罐至尾气 CO2 排放，并且它不含硫，不会产生 SOx 排放。当未燃烧的甲烷释放到大气中时，甲烷对气候变化的影响与 CH4 相比(在 100 年期间比 CO2 大 30 倍以上)(甲烷逃逸) 2. 由于甲烷是 LNG 的主要成分，液化甲烷由生物质 (LBG) 生产的可轻松与 LNG 混合。
“绿色”液化天然气生产和天然气液化至 -173°C 需要大量的能源输入和储存能力。全球主要停靠港缺乏 LNG 燃料船舶的 LNG 加注基础设施，这是进一步广泛使用 LNG 作为船用燃料的市场障碍。
与散货船和普通干货船相比，使用液化天然气作为燃料对于油轮来说更可行。对于集装箱船，液化天然气在某些航线上是可行的。LNG 的能量密度比重燃料油 (HFO) 低 40-45%。因此，非液化天然气运输船的燃料储存和密封系统的资本支出 (CAPEX) 成本很高。
生物燃料作为国际航运的部分解决方案
从可再生能源中大量和持续地供应全球范围内可用于远洋运输的高效生物燃料可能是不可行的。大多数可用作生物质的可再生资源，例如田地、森林和农作物，都需要满足其他更基本的人类需求。从道德上讲，在规划生物燃料供应链和生产时，分配资源是没有商量余地的。由于这些原因，第二代和第三代生物燃料最有希望用于船舶推进。
加氢处理植物油 (HVO) 在大多数情况下是一种很有前景的“替代燃料”，可以使用现有的船用轻油 (MGO) 和 HFO 分配系统进行分配，但有时需要进行修改。将现有的分配系统用于分类为脂肪酸甲酯 (FAME) 的生物燃料类型更具挑战性。
第二代生物燃料(如 HVO)不与粮食作物竞争，由木质纤维素生物质(如玉米秸秆)或食物残渣制成。传统(第一代)和先进(第二代和第三代)生物燃料的生产有多种工艺，涉及各种原料和转化。另一种由废物来源生产的第二代生物燃料食用油(UCOME 油)正用于航运试点项目。
用于制造生物燃料的生物质本身必须以可持续方式生产，这是生物燃料供应链的第一步。使用可再生能源可以进一步减少此类燃料在生产过程中的碳足迹。该技术的前提是所有生物质来源的能源都可以归类为碳中和。在计算井到罐排放时，应考虑种植、加工、运输和分销的默认值。然而，目前还没有全球公认的 ISO 标准或认证可用于从端到端验证生物燃料的绿色生产。
生物燃料可以与化石燃料混合(“替代”燃料选项)，使船舶能够开始限制排放。生物燃料与现代船舶发动机兼容(所有船舶类型 - 大型或小型、深海或近海贸易船舶 - 无需技术、安全或设计调整即可燃烧生物燃料)，前提是这些混合物 - 混合物安全且适合用途。
航空和船舶应用的生物燃料和化石燃料的成本之间存在明显差距。首先，需要技术发展来降低成本，降低投资风险对于部署这些技术至关重要;向生物精炼方法发展，提供一系列产出也很重要。从这个意义上说，船用生物燃料和生物喷气燃料是互补的，因为它们处于燃料范围的不同末端(高规格相对于低规格)。船用燃料质量普遍较低，船用发动机可以接受不同的燃料等级，而航空燃料需要满足高质量标准。生物燃料原料存在竞争。目前，生物喷气燃料由 HVO 制成，导致对油脂化学原料的直接竞争。
然而，目前没有批准与化石燃料混合的船用生物燃料生产途径，也没有为用于海洋应用的生物燃料建立的 GHG 因子默认值。 为了计算生物燃料的井到罐排放，与种植相关的 GHG 因子默认值加工、运输和分销将需要考虑在内。
几项研究预测，生物燃料最多可以为全球 30% 的船队提供燃料。生物燃料作为“替代”燃料可主要用于集装箱船和在人口稠密地区附近运营的船舶，例如游轮和渡轮。根据它们的价格，如果燃料供应商有责任确保与化石燃料混合时混合物安全且适合用途，他们可以提供部分解决方案，以满足散装/杂货运输的可持续脱碳目标。
合成燃料(氨、甲醇和氢气)
氨
需要解决在全球范围内以可行的成本提供足够数量的合适船用发动机和新的加油基础设施、监管框架缺乏可预测性以及与船员在储存和处理过程中暴露于有毒氨蒸气相关的安全问题。
“绿色”氨是零碳氨，使用可再生电力、水和空气生产。生产绿色氨的潜在高成本是一个主要考虑因素。尚未开发出无碳足迹生产氨的方法，既不用于工业用途，也不用于船载应用。
氨内燃机 (ICE) 仍处于开发阶段，MAN Energy Solutions 引领着开发商用氨燃料二冲程发动机的道路。第一次发动机测试预计在 2021 年进行，以便在 2024 年之前交付完整的发动机船上安装。
由于能量密度低，储罐要求几乎是传统传统燃料的三倍。然而，与液化氢 (LH) 相比，氨具有更高的能量密度(参见下面的相关部分)。
甲醇
尽管缺乏加油基础设施并且缺乏有关碳中性甲醇未来成本的信息，但双燃料甲醇发动机和燃料供应系统 (DF 甲醇 ICE) 是一种选择，主要作为未来船用燃料进行研究全球使用甲醇的船舶数量非常有限(约 10 艘)(DNV GL，2020 年)。甲醇是一种稳定且安全的氢载体，因为它是最简单的醇，在任何其他液体燃料中碳含量最低，氢含量最高。它可用于为燃料电池生产氢气，甲醇行业目前正在研究允许为此目的从氢气生产甲醇的技术。
燃料储存系统的安全问题、较低的能量密度和增加的成本继续使这种燃料不太适合远洋散货船队。
氢
液化氢 (LH) 的低体积能量密度和燃料存储系统的高成本使得 LH 在深海航运中的使用非常困难。LH 的情况有所不同，在固定航线上，覆盖有限距离且频繁停靠港口的近海运输中，由于能源需求相对较低，更可能成为候选者。DNV 正与挪威政府合作，在 2021 年之前将一艘新的氢动力渡轮投入使用。
如果使用可再生能源，电解是一种几乎无碳的制氢过程。潜在地，使用绿色氢来制造绿色氨，具有制造另一种可以燃烧或用于燃料电池的燃料的优势。
出于安全考虑，使用合成燃料(氨、甲醇和氢气)的船舶需要经过专门培训的船员。
燃料电池
未来，使用燃料电池技术的船舶不一定需要内燃机。认识到船舶燃料电池技术仍处于起步阶段，对燃料电池的未来发展进行预测具有挑战性。该技术还不够成熟，在可预见的未来无法为大型远洋船舶提供解决方案。此外，燃料电池要在商业上可行，需要显着降低成本和扩大尺寸。还需要专门的船员。
电燃料
基于“绿色”氢的电燃料——来自使用可再生电力的水电解——可以与氮或非化石二氧化碳合成。没有关于这些电子燃料作为“替代”燃料的成本的信息是现成的。电子燃料正处于发展的早期阶段。
b.推进技术
除了将轴和/或螺旋桨用于主发动机和辅助发动机的传统技术或目前正在开发的技术之外，所有可用的替代推进技术都可以改善燃料消耗，但不能替代传统的内燃机。目前，唯一可用的辅助推进方法是风力辅助推进(WASP)，其主要形式有：固定帆或翼、风筝和弗莱特纳转子。根据 IMO 第 4 次温室气体研究 4 的结果，这些技术在航运中的渗透率可忽略不计，这证实了这些技术的不成熟。
c. 新兴技术(例如，使用机载捕获和存储技术)
使用机载燃烧前或燃烧后碳捕集和封存 (CCS) 技术开发推进系统的研发是一个持续的过程。
一种正在测试的提议方法是将甲醇重整为氢气，然后在往复式发动机中燃烧，该发动机已升级为燃烧多种燃料类型，并专门针对氢气使用进行了优化。新概念允许使用封闭式 CO2 循环船舶推进系统，同时保持完善的船用发动机技术的可靠性。三菱重工 (MHI) 正在测试的另一种提议方法是使用胺溶剂从烟道气中吸收二氧化碳，这是一种经过验证的陆上使用技术。这些项目的商业应用的 CAPEX 和 OPEX(运营成本)，例如 HyMethShip 项目 20205，目前尚不清楚。表 1 总结了考虑船舶主要特点的船载 CCS 的主要局限性。
对于船上应用，作为低温液体储存在储罐中的捕获 CO2 将占据相当大的空间，并且必须在船舶到达港口时卸载。另一个相当大的限制是，CCS 系统的设备尺寸应该最小化，覆盖更少的空间和更轻的重量。应特别考虑吸收器和汽提塔的高度，它们是碳捕获过程的两个主要部件。研究表明，CCS 陆上应用的柱子总高度可能在 50 米左右，即使对于较大的船舶，这样的填充高度也不现实。
陆上 CCS 等技术可能会弥合化石燃料与航运脱碳所需的零排放燃料之间的当前技术差距。然而，该技术(CCS)尚未完全开发，既不用于工业用途，也不用于船载应用。
4. 航运去碳化之路充满不确定性和复杂性：主要考虑因素
海运部门涉及多个参与者，他们不一定都受到“适合 55”一揽子计划提出的政策以及该部门长期脱碳的总体目标的相同程度的影响。不同的决策者存在着自己的愿望，这些愿望可能并不总是相互兼容。
特别是，船东决定购买船只，而承租人则租用船只并决定货物的运输。然而，船东有责任遵守 FuelEU 和 EU ETS 提案。此外，造船厂和船舶设备制造商供应的船舶可以结合不同水平的技术进步，从而为船舶带来不同的能源效率可能性。造船厂在向市场提供技术选择方面发挥着重要作用，这些技术选择可以满足海上运输部门日益增长的脱碳雄心。同样，能源生产商和燃料供应商应为海事部门提供必要的燃料选择。后者将需要提供燃料选择，使船东能够根据 FuelEU 海事和 IMO 目标的更大雄心来降低其船舶的温室气体强度。有问题的是，FuelEU 海事倡议不适用于燃料供应商，而可再生能源指令适当地为燃料供应商设定了整体运输(包括海运)温室气体强度降低目标。
上述考虑表明海上运输部门脱碳努力的复杂性，并提出了市场协调问题，需要政策制定者和市场利益相关者采取谨慎行动。
a. 船舶技术信息(不同寿命、新造或二手采购成本、其他)
新造船需要资本密集型的长期投资，寿命为 25 至 30 年，并需要在适用的全球法规方面具有监管确定性，以便在国际上保持可持续性。根据船舶类型/尺寸和贸易类型，并考虑到需要遵守适用于特定船舶类型和类别的国际要求，为安装额外设备而做出的任何商业决策，以实现更好的能源效率，例如安装节能余热回收系统等是影响总成本的因素。
鉴于船舶的剩余寿命和船舶服务的贸易类型，监管框架的变化是影响船舶改造决策的因素。改造船舶可以在航运业向脱碳转型方面发挥重要作用。然而，由于投资回收期可能会有很大差异，因此需要逐船进行成本效益分析。
b.避免搁浅的航运投资/需要保留散装/杂货运输
作案手法
随着航运业开始向多燃料低碳和零碳未来过渡的漫长而不确定的时期，船东面临着决定选择哪种燃料和船用推进技术或如何“适应未来”的艰巨任务。船队和资产。
没有什么比散装/杂货运输领域的不确定性更大的了。散货/杂货运输由于其提供的服务和所运载的货物，本质上是流动的，不按照时间表或已公布的停靠港进行运营。因此，其运作方式与全球通用的燃料密不可分，并严重依赖这种燃料，允许船舶停靠任何港口。新的零碳燃料的扩散预示着它们的全球可用性，这反过来又让人怀疑散装/杂货运输方式的可行性及其继续运营的能力，因为它已经为海运贸易服务了一个世纪左右以极具成本效益的方式支持世界经济增长。
c. 能源密度、安全储存和使用替代燃料对航运的重要性
脱碳需要新一代零碳燃料和尚不存在的推进技术。迄今为止，对燃料生产和供应基础设施的投资占航运业脱碳总成本的主要部分。因此，燃料和船舶的绿色化是部门外利益相关者的责任和专业领域，他们必须为国际航运业提供安全且适合用途的推进技术和全球可用的海上燃料。
一般而言，与 VLSFO6 和 MDO/MGO7 的能量密度相比，要选择和携带在船上的替代能源必须具有足够高的能量密度，以最大限度地增加可用货物空间，但至关重要的是不影响安全性。这些努力需要海运价值链中所有参与者的积极贡献，尤其是燃料供应链、造船厂、发动机制造商，以及船级社、港口和承租人。
值得注意的是，由于目前监管的不确定性，2023/2024年交付日期的新建船舶订单主要由“双燃料(DF)就绪”和符合NOx Tier III标准的远洋船舶组成，尽管它们是毋庸置疑的更贵。
dR&D 和创新对于“面向未来”的车队和资产至关重要
首要任务必须是在研发方面做出巨大努力，并将技术范式转向安全且面向未来的替代燃料。一旦开发出经济上可行的新燃料，燃料和能源供应商就必须开始生产它们，港口也需要有合适的基础设施。
e. 研究航运业转向(从化石燃料到替代低碳和零碳燃料)的宏观经济影响
在未来几十年里，化石燃料可能仍然比零碳替代品便宜得多，除非前者被征收重税或后者获得大量补贴(或两者兼而有之)。总的来说，燃料对越来越昂贵的船舶的宏观经济影响是一个主要问题。在过去的 70 至 80 年间，人们不再使用化石燃料(航运的通用燃料)以及许多新的碳中和燃料和技术的引入所带来的破坏和经济影响，创造了一个全新的局面。从表面上看，从化石燃料中捕获大部分或全部二氧化碳的技术将造成较少的破坏，应该进一步研究。
5.结束语
本报告提供了关于潜在的替代燃料和船舶技术选项的技术观点，以实现海上运输部门的脱碳。它在某种程度上体现了由于涉及多个市场参与者而导致的围绕该行业的复杂性。显然，海上运输部门的脱碳并不是一项简单的任务，当然也不是单一市场参与者的任务。船东、承租人、造船商、发动机制造商、燃料生产商和分销商、基础设施供应商、港口和政策制定者都需要协调行动，以实现“适合 55”一揽子计划及其海事计划的雄心壮志。
毫无疑问，需要更多的研究来开发具有成本效益的低碳和零碳燃料选择，这些燃料可以按比例生产。与此同时，未来几年也将需要对基础设施(包括港口和生物燃料生产的 OPS)进行投资。氨、甲醇或氢气等替代燃料需要新一代内燃机和尚未为远洋船舶开发的技术进步，而这些技术需要由外部利益相关者——能源供应商、发动机制造商和造船厂开发。这需要制定有关船上安全设计和使用的法规和技术规则，同时需要对其采用所需的技术进步。
根据未来燃料格局的碎片化和迈向新时代的过渡期的长度，向多燃料未来的转变实际上可能预示着低成本海运贸易及其支柱——国际散货/杂货运输的终结。占全球海运吨英里的 84% 以上的运输模式。
资料来源：希腊船东联盟
