開發零排放船舶，發展零碳航運是當前航運業面臨的一大挑戰。近期，某航運機構與海事戰略國際公司(MSI)聯合開展的一項研究顯示，航運業去碳化目標可以通過三種可行的路徑來實現。它們分別是：輕氣體、重氣體和醇類、生物燃料或合成燃料。船東和運營商在選擇適用的去碳化路徑時，應當參考兩項基本標準：一是船型，二是船舶運營模式，如航線和貨物種類。
專家表示：海運業的去碳化挑戰可以看作是一個復雜的謎題，其中包含了三個要素：船舶能效技術、船舶運營優化，以及低碳、零碳或碳中和燃料。這些要素都有各自的作用，但是我們發現航運業向低碳燃料轉型的速度是影響其全球碳足跡的最大因素，比可預見的商品需求轉變、操作方式改進、船舶航線或船舶設計改變的影響都要大。我們的研究模型顯示，航運業可以在2050年之前實現降低碳強度的目標，但是可能無法達到溫室氣體年度總排放目標。
一、輕氣體路徑
這個類別是指由小分子、低碳氫比構成的燃料，包括LNG、生物LNG、合成天然氣(SNG)或者可再生天然氣(RNG)，它們可由生物質和/或可再生能源生產得來。目前通過生物生產合成燃料或可再生燃料的規模有限，必須擴大規模才能用作商業上可行的解決方案。
LNG是一種相對成熟的低碳燃料，主要由甲烷構成。相比重燃油，LNG的碳氫比使其能減少多達21%的二氧化碳排放。不過這個數值并不包括甲烷逃逸造成的碳釋放，減少甲烷逃逸是這類可再生燃料得到商業推廣需要考慮的關鍵問題。目前業界正在開發缸內排放控制策略，這種方式可與廢氣后處理裝置結合使用。將甲烷逃逸降到最低水平，生物LNG、合成天然氣或可再生天然氣等燃料就可以提供碳中和推進系統。
二沖程和四沖程發動機制造商已經在利用缸內高壓氣體噴射為行業提供降低甲烷逃逸的方案。這些措施還可以與甲烷氧化催化劑和其他廢氣后處理系統結合使用，進一步減少甲烷排放，將LNG的碳足跡降至最低水平。
作為一種低碳燃料，LNG可與新技術和/或船舶運行措施結合使用，來實現2030減排目標。如果與生物LNG、合成天然氣或可再生天然氣混合使用，LNG還可以進一步降低航運業碳排放。
輕氣體中的氫氣也有可能成為未來零碳船舶的一種解決方案，因為氫氣擴散率高，火焰傳播速度快，并且是在所有候選燃料中每單位質量能量含量最高的一種。
不過，氫氣也需要低溫儲存和專用燃料供應系統來控制。氫氣已經在內燃機、燃氣輪機和燃料電池中得到了應用，這些都會在船舶發電和推進系統中發揮重要作用。
然而，正如專家所說，在氫氣成為一種能夠得到大規模推廣應用的商業燃料選項之前，我們還需要取得重大的技術進步。
二、重氣體和醇類路徑
這個類別下燃油的構成分子比輕氣體群更大，它們的碳氫比也相對較高，因此其二氧化碳減排的潛力和能量含量也就相對較低。不過它們的燃油儲存和供應需求也相應地更為寬松。這類燃油包括LPG、甲醇、乙醇和氨。
在用作初級燃料時，甲醇可以減少約10%的二氧化碳排放。但如果是以生物甲醇等可再生的形式生產出來的話，甲醇將來就有可能成為碳中性燃料。
此類別下的某些燃料(如甲醇)，由于能量含量較低，限制了可在船舶上儲存的燃料能量的數量，因此它們只適用于允許頻繁加油的航線和船舶。
LPG的能量含量高于醇類，可能更適合在現代雙燃料發動機中使用，但由于其減排潛力較低并且存在安全方面的挑戰，LPG還沒有像LNG一樣得到較為廣泛的采用。
不過，目前發動機制造商已經將甲醇和LPG視為成熟的燃料類型，它們已經開始銷售能夠使用這類燃料的發動機平臺。因此，這些燃料可以用來實現航運業的2030碳減排目標，如果它們在未來可以通過可再生方式生產的話，還可以為開發碳中性推進系統鋪平道路。
排在重氣體或醇類譜系末端的是氨氣，如果以可再生方式生產的話，氨氣也能成為零碳燃料。盡管氨氣具有毒性并且有著更為嚴格的處理要求，氨氣發動機卻已經在設計當中了。最近業界有團隊已經揭曉了氨燃料支線船設計。
專家指出，要使氨氣成為商業上可行的長期燃料選項，行業就需要建立全面的供應方基礎設施，并制定和實施全新、嚴格的安全條例。
三、生物或可再生燃料路徑
這個類別包括由生物質，如植物、廢油和農業廢料，生產的燃料。
對生物質進行催化加工和升級可以產生物理和化學性質與柴油相當的液體燃料；從設計的角度來看，這是可取的，因為它們可以用作添加類生物燃料(drop-in biofuels)，只需對船舶發動機及其燃料輸送系統做出微小的改變。
目前使用最為廣泛的成分是脂肪酸甲酯(FAME)，或者說生物柴油，這在最新的ISO(8217/2017)船用混合燃油規范中有描述。這項標準允許混合燃料中包含7%的生物柴油，但一些船東正在測試生物柴油比例高達20%-100%的混合燃油。作為第一代生物燃料，脂肪酸甲酯面臨著氧化穩定性較差以及隨著時間的推移可能降解等挑戰。
加氫處理植物油(HVO)是第二代生物燃料，這類燃油不是通過糧食作物生產的。它們通常被稱為可再生柴油，采用現代加氫處理工藝生產，這種高質量燃料比脂肪酸甲酯生物柴油穩定性更好。
HVO的物理和化學性質與船用輕柴油(MGO)相似，因此能夠與現有發動機和燃料輸送系統完全兼容。可再生柴油也可以費托合成工藝通過生物質氣化來生產。它們通常被稱為氣體轉液體燃料(gas-to-liquid)或生物質轉液體燃料(biomass-to-liquid fuel)。
業界認為可再生柴油對于船東而言是一種很有前景的中長期解決方案，因為它們能夠以最小的資本支出大幅減少碳排放。
利用可再生能源從生物質中生產電燃料(electro-fuels)可以減少燃料生產所需的能源，從而減少其全生命周期碳足跡。上述三種去碳化燃料路徑都可以使用這種技術來生產生物LNG、生物甲醇或可再生柴油。電燃料具有提供碳中性推進力的潛力，并且可以作為一種中長期解決方案。
除化石和生物質來源外，還可以通過二氧化碳回收(CDR)來生產電燃料，該技術可將二氧化碳轉化為合成氣，而合成氣又可用于生產生物LNG或生物甲醇。二氧化碳回收具有從大氣中去除二氧化碳并將其用于生產電燃料的潛力，從而能最大限度地減少燃料生產所需的能源。
航運業的去碳化使命將給該領域帶來眾多變化，包括船舶設計、安全和環保法規以及貿易模式和貨物運量等等方面。
專家表示，每單位體積能量含量較低的低碳和零碳燃料，例如甲醇、氨氣或氫氣，如果用作初級燃料，可能會需要對船舶進行整體重新設計。能量含量低的燃料需要更大的儲罐來儲存，儲罐在船上的位置將是設計時需要考慮的一大關鍵因素。新型發電系統(如燃料電池)也可能會改變當前的船舶機艙架構。這些設備或許會促進船舶空間的利用效率，因為它們可以分布式放置。
預計到2050年，石油基燃料將占據相當大的市場份額(高達40%)，這樣一來，碳捕獲和封存系統不僅會在岸上得到推廣，海船上也有可能會得到應用。
向低碳和零碳燃料過渡可能會在中期內增加船舶自身及其運營成本，這種狀況要在燃料生產、分配、加注和船上應用技術的成本效益得到改善之后才能改變。
專家總結稱：“根據本次研究對五種船型所使用的燃油組合的預測，航運業可在2050年前實現IMO每一運輸單位二氧化碳排放(gCO2 /dwt/nm)降低70%的目標。但是要想實現絕對二氧化碳排放量降低50%的目標，石油基燃料的市場份額就得降到40%以下才行。”
來源：中國船檢
