國際船舶航運業對于“低碳零碳”的技術發展已經成為當前行業內的最重要事項之一，目前，對于可獲得性較強的液化天然氣（LNG）作為船用動力的燃料被市場所接受，在過去的兩三年，由于LNG燃料的船用動力技術的逐漸成熟，越來越多的新造船選擇原燃料油和天然氣可以靈活切換使用的雙燃料發動機，但由于“內燃機”的工作原理，未充分燃燒的甲烷必然會隨著廢氣排出機外。問題在于，甲烷本身是一種強溫室效應氣體，如果在使用過程中大量排放未燃燒甲烷的話，“減碳”的效果就大大降低，這也是業內覺得有必要重視該現象。
甲烷逃逸
甲烷是什么
甲烷是自然界固有的一種可燃燒氣體，它的分子式CH4。生活中俗稱的“天然氣”和“沼氣”的主要成分即是“甲烷”。目前已知的溫室氣體（Green House Gas簡稱GHG）大概有30種，甲烷是僅次于二氧化碳(CO2 )的第二大人為制造溫室氣體，約占全球溫室氣體排放量的20%。甲烷被認為是一 種“短期氣候影響因素”，也就是說它在大氣中的存續時間相對較短，約為12年。盡管甲烷在大氣中的存續時間較短，排放量也比CO2 較少，但其全球變暖潛能（GWP）卻是CO2的28倍。甲烷排放在目前人為溫室氣體全球變暖中的貢獻率約為三分之一。
甲烷的全球排放狀況
根據全球碳計劃組織（Global Carbon Project， GCP）數據，2020年全球甲烷年排放量達到5.91億 噸左右，其中約40%（約2.36億噸）來自濕地生態系統和凍土層等自然排放源，剩余60%（約3.55億噸）來自農牧業、能源和廢棄物處理等人為排放源。圖1顯示的是全球甲烷整體排放結構，其中自然排放源較為集中，以濕地生態系統為主，占據自然源排放總量的82.5%。相比而言，人為排放源較分散，其中農牧業所占比重最大，占人為源排放總量的41%（約1.45億噸），能源占比36%（約1.27億噸）和廢棄物處理及生物質焚燒23%（約8165萬噸）。
圖1 全球甲烷整體排放結構
農牧業中由于畜牧業特別是反芻類牛等牲畜腸道發酵產生甲烷占人為源約27%（約9585萬噸），水稻種植產生甲烷占人為源約7%（約2485萬噸）。能源行業總計1.27億噸總量中煤炭領域產生甲烷占人為源約12%（約4200萬噸）；天然氣領域產生甲烷占人為源約11%（約4100萬噸）；石油領域產生甲烷約占人為源約10%（約3600萬噸）；廢棄物源自于垃圾填埋場和大型垃圾堆場中的廢物在厭氧條件下產生，其甲烷產生約占19%（約6800萬噸）。
甲烷排放的治理
基于當前全球甲烷排放的情況，同時甲烷減排能夠有效減少溫室氣體效應，國際社會高度重視甲烷減排的措施，應該說甲烷減排已是當前社會減碳的重點之一。目前全球甲烷行動計劃（GMI）鎖定的五個目標來源是：農業（糞便管理）、城市固體廢物、污水、煤礦、石油和天然氣系統，約占54%的人為排放量。讓我們看看和船舶航運業緊密相關的能源油氣行業的甲烷排放情況：能源領域主要是煤、油氣中的甲烷排放。據國際能源署IEA估計，2021年全球能源部門甲烷排放約為1.35億噸，比2020年增長近5%。在1.35億噸中，約4200萬噸來自煤炭，4100萬噸來自石油，3900萬噸來自天然氣，900萬噸來自生物能源，400萬噸來自終端設備的泄漏。國際能源署長期以來一直關注甲烷的減排問題。如下圖2所示，2021年能源行業的甲烷排放量回升。2021年，在能源行業的甲烷排放量增加了近5%，仍略低于2019年的水平，但是化石燃料產量已回復到高于新冠疫情前的水平。隨著國際降碳力度的不斷加大，到2025年，能源行業甲烷排放愿景為降低28個百分點（較2000年），到2030年，其甲烷排放愿景為降低56個百分點（較2025年）。
圖2 能源行業甲烷排放現狀及愿景
對于中國而言，甲烷排放主要是來自于煤炭開采過程、礦后活動和廢棄煤礦排放。我國是世界上最大的煤炭生產國，2020年以來，煤炭產量占世界煤炭總產量的50.7%，煤礦地下開采中的甲烷排放是煤礦甲烷最主要的排放來源。近年隨著我國煤炭生產布局的西移，露天開采煤炭產量占比增加，露天開采過程中的甲烷排放也呈上升趨勢。圖3所示的是中國所有人為來源的甲烷排放量分布圖。
圖3中國所有人為來源的甲烷排放量分布
油氣行業的甲烷排放和治理過去10年，全球油氣領域甲烷排放量在7600萬噸/年以上水平，油氣行業被認為是甲烷減排最有實操性和經濟型。
從排放源類型角度看，油氣生產、運輸及銷售全環節的甲烷排放源可分為“放空燃燒（火炬）”、“放空”、“逸散（fugitive）”。超過75%的油氣行業甲烷排放集中在勘探開發環節，對于天然氣行業則有近1/3的甲烷排放在儲運及銷售環節，石油行業主要在開發環節，其他環節只占1%左右。
放空和放空燃燒（火炬）排放源較為單一且是同源，針對這類排放的治理措施相對直接。一是禁止未經燃燒的天然氣排放到大氣中，二是針對不得不排放的天然氣要點燃之后且保證充分燃燒后才能排放。顯然這兩種方法都無法完全避免甲烷的排放，因此解決此類甲烷排放的最終方案是在進行新區塊勘探開發之前，就要充分考慮到管線等基礎設施的建設，以保證天然氣的充分運輸和利用，從而避免放空和火炬活動。
針對甲烷逸散的治理就比較復雜，甲烷的逸散發生在石油和天然氣產業鏈的各個環節。泄露源主要是管線的法蘭、閥門、壓縮機、氣動設備、維修泄露、管線老化等。這種甲烷的逃逸多是持續性的，因此適合采用排放因子法估算其泄漏量。不過由于此類排放源分布面積廣，常規方法無法實現有效的甲烷減排控制。目前比較好的方法是建立管線的泄露、監測和維修( LDAＲ，Leak Detection and Ｒepair) 制度，及時發現和修復排放源。
另外，還有一類排放源需要特別注意，即意外事故導致的超級排放源，如井噴、管線破裂、意外事件導致基礎設施被破壞等。這類排放源被稱為超級排放源，此類排放源在短時間內造成的甲烷 泄露甚至會超過常規逃逸全年的泄露量。這類排放源由于偶發性和隨機性較高，需要借助特殊的工具( 如衛星監測) 來定位和處理。
油氣行業甲烷減排面臨的另外一個問題是甲烷減排的績效追蹤。這個問題涉及甲烷排放數據的準確性問題，也涉及排放數據的報告和可回溯性等問題。簡單來講就是油氣行業當前缺乏一個統一的甲烷監測、報告和核證(MRV，Monitoring，Reporting and Verification) 體系。目前各國油氣行業的甲烷排放量都是根據聯 合國 氣 候 變 化 公 約 ( UNFCCC，United Nations Framework Convention Climate change) 基于排放因子的 1 類方法計算得出的，這種方法并未考慮不同國家油氣基礎設施和工業水平的差異，導致計算出來的數據與實際排放存在很大差異。此類數據作為甲烷減排基準顯然達不到要求，更不用說具體到公司，這類數據無法作為企業甲烷減排目標的參考。13家世界主要油氣企業發起的全球油氣行業氣候倡議組織（OGCI），將甲烷控排作為一項工作重點，承諾到2025年，該組織上游業務的平均甲烷強度降低至0.25%以下，并努力實現0.2%的目標。由聯合國環境規劃署（UNEP）、歐洲委員會（EC）和美國環保協會牽頭發起的油氣行業甲烷合作伙伴關系（OGMP），包含62家油氣公司，資產覆蓋全球五大洲，代表了全球石油和天然氣總產量的30%。油氣行業甲烷合作伙伴關系的最新框架“OGMP 2.0”提出了油氣甲烷排放報告的黃金標準，并倡議到2025 年將行業的甲烷排放量減少45%（約3600萬噸），在2030年前減少 60%～75%。全球性倡議聯盟影響力逐步提升，使甲烷減排成為油氣企業可持續發展的重要評價指標之一。
但是全球范圍內并未形成統一的甲烷減排路徑和方法學，這一方面需要國家和國際組織共同倡議，另一方面也需要企業之間達成共識，形成統一的 MＲV 規范，以實現數據的互相對比和減排績效的追蹤。目前絕大部分油氣公司雖然都提出了甲烷減排目標，不過在減排措施上面尚未公布具體技術細節，因此實際的減排績效仍需時間來驗證。
當前油氣行業普遍將天然氣視為過渡能源，并且也正在有意地增加天然氣業務比例。不過天然氣是否能夠成為過渡能源在很大程度上要取決于甲烷的控制程度。甲烷排放控制會讓天然氣更好地服務于過渡能源這個角色，使得天然氣的開采過程更為清潔，從而在一定程度上促進油氣企業的可持續發展。
船舶航運業甲烷排放的情況
船舶航運業對于“甲烷排放”的重視，以及對于船用動力“甲烷逃逸”的重視，其一甲烷是重要的溫室氣體，其二船舶航運界的甲烷排放量隨著新造船越來越多的選用以LNG為燃料的船用動力帶來的持續增長，其三是該船用動力形式的甲烷排放主要來自于正常運行時的“甲烷逃逸”。
根據IMO的報告，2018年國際航運業CH4排放53.34萬噸，占全球甲烷人為排放總量的0.14%，約為畜牧業甲烷排放（9585萬噸）的0.55%，約占油氣行業甲烷排放（7600萬噸）的0.7%。
由于近兩年LNG作為船用動力燃料的選用，大量的LNG/燃料油雙燃料動力（內燃機）作為新造船動力運行時不可避免的“甲烷逃逸（methane slip）”。根據當前的技術水平，LNG-Otto循環低速機的甲烷逃逸量為 0.9-3.4g/kwh ，LNG-Diesel循環低速機的甲烷逃逸量為0.2-0.3g/kwh，LNG-Otto中速機的甲烷逃逸量為2.6-6.2g/kwh。一艘全程使用LNG燃料的配置LNG-Otto循環（WinGD 9X92DF）或LNG-Diesel循環（8G95MEC10.5GI）的低速機和LNG-Otto循環的中速機的15000TEU的集裝箱船（計算條件為：CMCR 45000KW@80RPM、CSR
38250KW@75.8RPM，主機全年全程使用LNG運行時間6500小時，其中10% @85%負荷、40%@50%負荷、50%@26%負荷；15000TEU集裝箱船上50%為冷藏集裝箱，發電機在正常航行下的總功率約為6400kW），其全年甲烷逃逸量分別為：151.7（低速機）+4+192.4（中速機）=348.1t/Year（CO2當量9746.8t/Year）；30.7（低速機）+10.5+192.4（中速機）=233.6t/Year (CO2當量6540.8t/Year)，其CO2排放總量相較傳統燃料油的貢獻約下降20%（其中LNG-Otto的中速機甲烷排放大于低速機）。需要注意的是此時，不同技術路徑的船用低速機的甲烷逃逸量不同，同時其NOx排放量也不同，高甲烷逃逸量的低速機，其NOx排放量要更低些，配置LNG-Otto的中速發電機組，其NOx排放量為157.8+54.1=211.9t/Year；低甲烷逃逸量的低速機，其NOx排放量要高些，配置LNG-Otto的中速發電機組，其NOx排放量為606.9+54.1=661t/Year。配置LNG-Diesel的低速機本身無法達到TIII的NOx排放標準，加裝EGR或SCR處理裝置后可以實現Tier III的NOx排放標準。
根據IMO當前的法規要求，如果船東不愿大幅增加船舶運營成本而全程開啟NOx處理裝置的話，在實際運營中選擇低甲烷逃逸低速機配置相較于選擇高甲烷逃逸低速機配置的很可能是一條“低碳排放卻高污染排放”的船舶。對于一艘常用使用功率達38250KW（52020BHP，BHP即俗稱“馬力”）的主動力船舶，一年全程運行LNG的狀況下，不同的主機配置下，其最大甲烷逃逸約為348.1噸或233.6噸，大約為2903頭乳牛或1948頭乳牛一年的甲烷排放量。（120公斤/乳牛•年，全球有15億頭牛，其中約2.5億頭乳牛。）
作一個簡單的測算來審視船舶航運業由于選用不同技術路徑低速機的甲烷逃逸量，如果當前船隊中的主機全部選用LNG-Otto低速機并全程燃用LNG，其甲烷逃逸總量為約130.4萬噸/年，約占油氣行業甲烷排放的1.69%，其NOx排放量為318.3萬噸；選用LNG-Diesel低速機，其甲烷逃逸總量為約26.4萬噸/年，約占油氣行業甲烷排放的0.34%，其NOx排放量為1224.2萬噸。如果全部船隊全部為LNG燃料，則其CO2當量排放相比燃料油總體下降約16.88%-20.68%，其中甲烷逃逸產生的CO2當量約為其燃料燃燒產生的CO2總當量的1.93%-9.12%。
將LNG作為船用動力燃料的船舶，FGSS修理以及船舶塢修時需要清空LNG燃料艙時類似油氣行業的超級排放源需要引起船舶運營方高度重視，筆者曾經參與某一雙燃料船舶試航，因FGSS中某一設備故障需要清空LNG燃料艙而造成的“甲烷逸散”恐怕要遠大于正常運營時的“甲烷逃逸”量。
結論
甲烷是影響程度僅次于CO2的重要溫室氣體，甲烷的社會總排放量需要大幅降低，降低人為源甲烷排放將有效降低碳排放總當量，因此全社會都應重視“人為源甲烷排放”；農牧業、能源業、廢棄物處理是人為源甲烷排放的主要來源。
能源油氣等行業的甲烷減排得到社會高度關注，油氣行業甲烷“逸散”（Methane Fugitive）重大影響其行業甲烷排放總量，當前任重道遠；船舶航運業隨著LNG燃料的使用，將明顯增加甲烷排放總量，甲烷排放量的增加將減少使用LNG對于碳排放的貢獻，但是在其他合適的低碳零碳燃料廣泛使用前，既使有“甲烷逃逸”的影響，LNG仍然是市場獲得性較好的相較傳統燃料油有較大減碳貢獻的合適燃料（總體碳排放當量減少20%左右）。
使用內燃機為船用動力，其燃用LNG時，“甲烷逃逸”（Methane Slip）是不可避免的，采用Otto循環的低速機甲烷逃逸量要大于采用Diesel循環的低速機，采用Otto循環的中速機甲烷逃逸量遠大于采用Otto循環的低速機。可以采取處理裝置來進一步降低“甲烷排放量”；每一種技術都有其優劣，Otto循環相較于Diesel循環高甲烷逃逸的同時表現出低NOx 排放；對于使用LNG為燃料的船舶，其FGSS修理或塢修需要清空燃料艙時的“超級排放源”需要引起高度重視。
船舶航運界的甲烷排放總量在整個社會的甲烷排放結構中微乎其微，但由于其是一個新的“社會增量項”，”勿以善小而不為”，仍然需要引起業內的關注和重視；相對于整個社會的甲烷排放治理，船舶航運界相較于其他行業已經走在了前列，但是或許如同之前所說，船舶航運業在“高度重視”減碳以及“高度關注”碳排放領域中較小的“甲烷逃逸”的同時一定要更加客觀審視、重視船舶航運業自身“治污減排”的主要矛盾和主要問題。
來源：中船動力集團
作者：陶國華 桂勇 Marcel Ott 劉博
