采用陸上可再生能源生產(chǎn)的氨具有用作船用燃料的可行性，但投資將起到關(guān)鍵性作用。

知名美國(guó)非營(yíng)利性環(huán)保組織“美國(guó)環(huán)保協(xié)會(huì)”（Environmental Defense Fund）歐洲分部，通過(guò)與工程咨詢(xún)公司里卡多（Ricardo）合作，近期發(fā)布了一份名為“以太陽(yáng)能航行”的研究報(bào)告，從經(jīng)濟(jì)、物流和技術(shù)等層面深入分析了制造綠色船用氨（NH3）燃料的可行性。

當(dāng)前工業(yè)合成氨技術(shù)主要采用哈伯·博施 (Haber-Bosch)工藝，往往通過(guò)天然氣裂解來(lái)生成氨合成所需的氫源，因此導(dǎo)致大量的二氧化碳（CO2）排放。不過(guò)，國(guó)際海事組織（IMO）為實(shí)現(xiàn)到2050年將溫室氣體排放量在2008年基礎(chǔ)上減少50%的目標(biāo)，發(fā)布了一系列無(wú)排放船用燃料的可行性報(bào)告，氨也是其中之一。不僅如此，氨作為未來(lái)燃料的潛力也得到了英國(guó)勞氏和DNV GL等船級(jí)社的研究認(rèn)可。

與氫不同，氨不需要低溫儲(chǔ)存，具有更高的能量密度（液態(tài)氫為8791兆焦耳 / 立方米， 氨為12714 兆焦耳 /立方米），內(nèi)燃機(jī)及燃料電池均可以其為燃料，且因是化肥行業(yè)的主要產(chǎn)品而在全球各地都存儲(chǔ)設(shè)施。不僅如此，氨還有望利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源來(lái)生產(chǎn)。

美國(guó)環(huán)保協(xié)會(huì)的報(bào)告指出，要釋放氨作為可替代燃料的潛力，就需要對(duì)可再生能源電廠等工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行投資，以建立全球能源供應(yīng)鏈。鑒于可再生能源豐富的國(guó)家不少是發(fā)展中國(guó)家，此舉還將為重塑全球能源供應(yīng)鏈帶來(lái)挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

圖1

圖2

這意味著，作為“綠色氨”的輸出國(guó)，發(fā)展中國(guó)家有望持續(xù)獲得收入，進(jìn)而促進(jìn)其經(jīng)濟(jì)發(fā)展。不過(guò)，這一設(shè)想也存在“先有雞還是先有蛋”的問(wèn)題：若化石燃料已能充分滿(mǎn)足當(dāng)?shù)氐哪茉葱枨?，則“綠色氨”鮮有市場(chǎng)需求，因而發(fā)展中國(guó)家政府也缺乏投入巨額資金、建設(shè)可再生能源基礎(chǔ)設(shè)施的動(dòng)力。

摩洛哥經(jīng)驗(yàn)

憑借擁有位于直布羅陀海峽的多個(gè)大型商業(yè)港口、可方便進(jìn)入多個(gè)主要航線的優(yōu)勢(shì)，摩洛哥成為了美國(guó)環(huán)保協(xié)會(huì)上述項(xiàng)目的理想研究對(duì)象。該國(guó)在發(fā)展水電方面有著悠久的歷史，且目前正通過(guò)建設(shè)風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電廠來(lái)進(jìn)一步利用可再生能源。

摩洛哥擁有3500公里的海岸線，海上風(fēng)電裝機(jī)容量可達(dá)250吉瓦（GW，1吉瓦等于1000兆瓦），是該國(guó)現(xiàn)有電廠容量的25倍，足以向全球約三分之一的船隊(duì)供應(yīng)綠色氨。此外，西撒哈拉地區(qū)的海岸線也被認(rèn)為在利用太陽(yáng)能發(fā)電量方面潛力巨大。

摩洛哥的磷酸鹽總儲(chǔ)量約為1100億噸，在全球占比高達(dá)75%。該國(guó)擁有成熟的無(wú)機(jī)化學(xué)工業(yè)，進(jìn)口的氨通常被運(yùn)輸至朱爾夫萊斯費(fèi)爾（Jorf Lasar）港，儲(chǔ)存在港口附近的冷藏罐中，總?cè)萘窟_(dá)100000噸，相當(dāng)于500艘超巴拿馬型船的氨燃料理論日消耗量。根據(jù)美國(guó)環(huán)保協(xié)會(huì)的報(bào)告，Jorf Lasar港附近有大面積土地以提供太陽(yáng)能，每天可生產(chǎn)綠色氨700噸，相當(dāng)于4艘超巴拿馬型船的燃料日消耗量，由此可帶來(lái)1.94億美元的年收入。

據(jù)2017年的數(shù)據(jù)測(cè)算，若要為通過(guò)摩洛哥港口的所有散貨船和集裝箱船生產(chǎn)綠色氨，則每天僅需約280吉瓦時(shí)（GWh）的電力，僅為該國(guó)太陽(yáng)能及風(fēng)能理論日發(fā)電量——47900 吉瓦時(shí)——的0.6%（見(jiàn)圖1）。不過(guò)，這種綠色氨生產(chǎn)方式的缺點(diǎn)是成本較高：需要投資約1000億美元用于建設(shè)綠色氨工廠及可再生能源電廠，其中后者的投資占比70%—80%。

綠色氨消費(fèi)量預(yù)測(cè)

為評(píng)估全球航運(yùn)業(yè)所需的綠色氨數(shù)量，該報(bào)告采用了IMO于2014年公布的第三次溫室氣體增長(zhǎng)預(yù)測(cè)研究的數(shù)據(jù)。研究分析預(yù)測(cè)了2050年氨需求量的兩種可能性——SSP1（氨使用率高）和SSP3（氨使用率低），并分別針對(duì)10%、25%、50%乃至100%的全球船隊(duì)以氨為燃料的情況，計(jì)算了生產(chǎn)所需氨將耗費(fèi)的可再生電力。（見(jiàn)圖2）若基于SSP1來(lái)測(cè)算，則2050年全球船隊(duì)的氨需求量將達(dá)到約135萬(wàn)噸/天或4.93億噸/年，約為2017年全球氨產(chǎn)量的2.8倍。

1艘典型的超巴拿馬型船每天要耗費(fèi)1.9GWh的電力來(lái)生產(chǎn)其所需的氨，相當(dāng)于117000名歐盟公民的耗電量。在SSP1的情況下，全球集裝箱船隊(duì)和散貨船隊(duì)所需的電力若由太陽(yáng)能來(lái)發(fā)電，電池板的面積將達(dá)296平方公里。

該報(bào)告強(qiáng)調(diào)，與傳統(tǒng)的氨產(chǎn)品不同，綠色氨的生產(chǎn)仍處于相對(duì)初級(jí)的階段。生產(chǎn)綠色氨的電解過(guò)程需要大量的水，據(jù)測(cè)算，若生產(chǎn)1艘超大型集裝箱船所需的綠色氨，每天約需要水380千升（KL），且基于取水地點(diǎn)的差異，水可能還需脫鹽。此外，綠色氨工廠所處的地點(diǎn)也將在很大程度上決定可再生電力發(fā)電廠的位置。

船舶推進(jìn)

該報(bào)告還分析了氨用于船舶推進(jìn)的四種可能性：

●在內(nèi)燃機(jī)中燃燒

●在燃?xì)廨啓C(jī)中燃燒

●作為氫燃料電池系統(tǒng)中的“氫載體”

●在固體氧化物電池系統(tǒng)中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)

西門(mén)子集團(tuán)參與的綠色氨項(xiàng)目的研究結(jié)果表明，一種現(xiàn)有的小型發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)需改裝即可以氨為燃料。曼恩能源方案公司（MAN Energy Solutions）也積極參與到了這一研發(fā)領(lǐng)域。今年2月，這家發(fā)動(dòng)機(jī)制造商發(fā)布消息稱(chēng)，該公司正在與日本九州大學(xué)（Kyushu University）合作，對(duì)其MAN MELGIP發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行氨燃料試驗(yàn)，希望在兩年半內(nèi)對(duì)氨發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行全面測(cè)試。相比之下，燃?xì)廨啓C(jī)雖然廣泛用于海軍艦船，但其燃料消耗更大，并不適用于航運(yùn)業(yè)，因而不太可能在氨燃料方面對(duì)其開(kāi)展大量研究。

鑒于大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用廣泛，因此預(yù)計(jì)其將成為發(fā)動(dòng)機(jī)以氨燃料的切入點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)IMO 2050年的減排目標(biāo)，航運(yùn)業(yè)在2020年就應(yīng)開(kāi)始采用氨燃料（見(jiàn)圖3）。然而，氨亦有其缺點(diǎn)，即其可燃范圍較?。?5%—25%），這意味著發(fā)動(dòng)機(jī)需要氨意外的其他燃料作為補(bǔ)充，如化石燃料、生物燃料或氫。一種比較可行的方案是將應(yīng)用不斷增加的液化石油氣（LPG）作為補(bǔ)充燃料——其儲(chǔ)罐通常位于甲板上方，則甲板下方的空間可以用來(lái)配置氨儲(chǔ)罐。

該報(bào)告指出，氨燃料電池或?qū)⒌?030年才會(huì)得到大面積使用，將會(huì)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。報(bào)告認(rèn)為，固體氧化物電池技術(shù)成熟后，質(zhì)子交換膜（PEM）電池才會(huì)受到青睞。其中，固體氧化物電池的優(yōu)點(diǎn)是氨可以直接氧化反應(yīng)，而無(wú)需加氫裂化。

報(bào)告總結(jié)說(shuō)，在不久的將來(lái)，氨會(huì)是技術(shù)上最為可行的海事業(yè)無(wú)碳解決方案。這種燃料要推廣使用，還需要制定鼓勵(lì)政策。報(bào)告還呼吁IMO 將其作為“緊急事項(xiàng)”，組織討論相關(guān)投資方案。

報(bào)告稱(chēng)，業(yè)界當(dāng)前應(yīng)把工作重點(diǎn)放在制定政策上，以推動(dòng)采用在生命周期內(nèi)對(duì)氣候影響為零的多種燃料，其中就應(yīng)包括綠色氨；不僅如此，政策還應(yīng)對(duì)這些燃料的安全性和環(huán)境效應(yīng)提出監(jiān)管要求。

氨發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)路線圖