李娜，张卓缘

（1.中船黄埔文冲船舶有限公司，广东 广州 510725；2.中国药科大学，江苏 南京 210009）

1 背景

在全世界面对气候变化的大背景之下，航运业温室气体污染问题所面对的国际与国内风险也日益增大。2018 年4 月13 日，国际海事组织的第七十二届海洋与环境会议在英国伦敦审议通过了全球海上运输温室气体减排的基本策略，并将逐步实现三个阶段的计划,明确了到2050 年全球温室气体全年的总排放量将与2008 年比至少下降百分之五十的远景目标[1]。目前，中国航运业也正以二O 三O 年碳达峰的总体目标和二O 六O 年碳中和的愿景为指引，积极探索向低碳发展的道路途径[2]。

若要达到航运领域的排放标准，应从船舶产生污染排放的源头出发，研究并采用洁净的绿色燃料发动机或燃料电池等作为船舶动力源。只有从温室气体的产生与排放源头进行布局和研发，才能有望在国际和国内共同实现温室气体减排的目标。

2 甲醇燃料特性

甲醇是一种新型清洁能源，根据生产工艺的不同，分为黑色、灰色、蓝色和绿色甲醇四大类。黑色甲醇是以煤炭作为原料进行生产加工获得的；灰色甲醇的原料是天然气，通过转化、蒸馏合成等工艺进行生产；蓝色甲醇是从废水、工业副产品中提取生产的，是一种可再生甲醇；绿色甲醇则可通过多种方式生产，例如二氧化碳、可再生能源等，是一种实现减碳目标的理想燃料。

甲醇的化学分子式为CH3OH，是一种无色、透明、易挥发的易燃液体。其理化性质与汽油类似，闪点为12 ℃，是一种低闪点燃料，甲醇等船用燃料的主要性能参数如表1 所示。甲醇密度比重燃油小，热值比重燃油低，所以同等续航力下所需甲醇的储存舱容比重燃油多。因为甲醇不含硫，甲醇燃油双燃料发动机在甲醇燃料模式下的硫氧化物（SOx）排放量相比于柴油发动机可降低99%，其所含硫氧化物主要来自于引燃油，由此可见甲醇燃油双燃料发动机很好地达到国际海事组织对SOx 排放控制量的要求，同时与重油排放相比，绿色甲醇在全周期内可以达到零碳排放。

表1 船用主要燃料性能参数表

国际海事组织制订了关于使用甲醇等燃料的安全使用等规范要求，以打通在甲醇运输与船舶利用等各过程中所面临的问题障碍[3]。为满足我国舰船上使用甲醇燃料需求，中国船级社也制定了《船舶应用甲醇/乙醇燃料指南》规范要求[4]。

随着航运业不断加速脱碳进程，甲醇作为一种替代燃料备受关注。甲醇有着成本低、技术成熟、改装难度小、使用安全、加注便利等优势，并且能够在很大程度上减少多种污染物的排放。环境咨询公司Ricardo 的报告显示，绿色甲醇在各类替代燃料中的减排潜力排名第一，其生产和船舶存储等技术都是可获得的，并且与船舶内燃机相兼容，目前甲醇燃油双燃料发动机已经实现商业化。在基础设施领域，甲醇具备了丰富的化工基础设施，将能够形成甲醇燃料脱颖而出的竞争力。未来，绿色甲醇也将能够通过各种方式获取，主要包含了生物质气化、环保合成、火炬气体和废物填埋气等。

3 船舶应用形式

现阶段绿色甲醇在船舶上的应用形式主要是作为船舶发动机的燃料，少数作为燃料电池动力船舶的燃料或重整治氢的原料。面向船舶清洁能源的应用需求，综合考虑功率等级、转化效率、技术成熟度等因素，甲醇发动机和燃料电池都具备各自相应的优势。

3.1 甲醇发动机

船舶发动机在输出功率范围广和能量转换效率高等方面具备综合优势，未来在船舶燃料低碳改造方面也将起到关键作用，甲醇低速二冲程发动机现已在甲醇运输船上投入商业使用。

2013 年MAN 公司初步完成了船用甲醇低速机的研发，标志着甲醇燃料开始真正进入船用领域[5]。2015 年MAN 公司完成了甲醇双燃料发动机的台架测试，2016年在某项目试航时成功完成主机负荷试验。MAN 公司研制的某系列甲醇发动机的顶部喷射系统如图1 所示，黄色管路为甲醇燃料注入管，该机型已有多台订单，逐步开拓了船舶市场并进入规模化应用阶段。甲醇双燃料发动机与传统燃油发动机的主要区别是燃料喷射系统，除了保留原燃油喷射系统外，额外增加了一套甲醇喷射系统，主要包括甲醇喷嘴、液压油与密封油模块等。船上需要配置甲醇燃料储存、注入和输送、供给等相关的配套系统，还需考虑规范规则要求的应急切断和安保系统等。

图1 甲醇燃油双燃料发动机

3.2 甲醇燃料电池

燃料电池利用氢与氧直接反应，从而产生电能，因其能源转换利用率较高也是未来舰船动力装置的主要发展方向之一，其在船上的应用分为低温燃料电池与高温燃料电池[6]。国内外都在积极研究有关船舶氢燃料电池的应用技术，氢燃料电池按照其燃料的来源不同，可以分为直接式燃料电池（例如直接甲醇燃料电池）和间接式燃料电池（例如甲醇通过重整器产生氢气，再以氢气为燃料的电池）。

直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell,缩写DMFC）属于一种甲醇溶液作为燃料的低温燃料电池，采用了质子交换膜做固体电解质。DMFC 的基本工作原理如图2 所示：由阳极进入的甲醇溶液燃料在催化剂的作用下迅速分解为质子，并同时释放出电子，将质子经由中间的质子交换层传送至阴极，然后再和阴极的氢气进行化学反应得到水。在此过程中所形成的电子通过外电路回到了阴极，形成了传输电流并可以带动负载。与普通的化学电池不同，燃料电池不是能量存储装置，而是能量转换装置，只要不断地向其中输入甲醇燃料，就可以向外电路负载（如船舶用电系统）持续输出电能。

图2 直接甲醇燃料电池工作原理示意图

重组式甲醇燃料电池（Reformed Methanol Fuel Cell,缩写RMFC）是以甲醇为燃料的一种高温质子交换膜燃料电池类别。甲醇在被投入燃料电池前，首先需要经过重整器进行甲醇的重组反应，产生的氢气提纯过滤后提供给氢燃料电池堆。RMFC 的基本工作原理如图3 所示：甲醇和水按一定的比例混合后，经过气化加热器形成混合蒸汽，而后重整装置将蒸汽中的甲醇转化为H2、CO2和少量的CO,该反应在250℃至300℃的温度下进行。反应后生成的混合气体在经过氢气提纯过滤器后，干净的氢气进入燃料电池堆，和空气中的氧气发生化学反应产生电能，可以供给船舶用电系统。

图3 甲醇重整燃料电池工作原理示意图

重组式甲醇燃料电池系统相比起直接甲醇燃料电池系统更加有优势，其具有模组小、高效率、甲醇纯度要求较低以及不需要水管理系统等特点。据国际船舶网消息，由德国Freudenberg 开发的甲醇动力燃料电池系统已获得意大利船级社颁发的型式认可，这是全球首款获得船级社认证的甲醇动力燃料电池系统。该系统将高效甲醇燃料的重整技术与模块化、通过蒸汽重整过程产生氢气，然后与燃料电池中的氧气反应，产生船舶推进和电气系统所需的电能。

4 技术展望

绿色甲醇燃料因其环境友好的特性，开辟了一条未来通往零碳的航线。绿色甲醇可以有效地减少超过95%的CO2排放，并且几乎不产生硫氧化物和颗粒物。但目前绿色甲醇的产能还很小，工业上以黑灰色甲醇为主，这类甲醇的CO2有效减排量约5%～10%，不能真正实现减碳目标。未来要想达到碳中和水平，甲醇的制备方式必须由化石燃料变为可再生能源，还需要国内外燃料公司尽快实现绿色甲醇的大批量生产、不同国家和地区的航运港口也需要加快甲醇加注补给的基础设施建设，从燃料源头上提供可靠和充足的补给。

船用甲醇发动机已有成熟产品投入市场，功率覆盖范围也越来越宽，甲醇配套设备厂商也越来越多，船舶新造或改装的成本也比LNG 低，未来更适用于主流商船，是远洋船舶实现绿色减碳的重要动力设备。但其不足之处是甲醇燃料能量密度相比燃油较低，不足传统燃油的一半，相较于同尺度船舶在续航力保持不变时，甲醇燃料需要更大的存储空间，这样挤占了大量的货物运输空间，影响货物装载量。

因海洋环境复杂多变导致船舶在海上行驶时可能出现各种工况，燃料电池在船上使用时需要满足工况多变性和复杂性，所以要求燃料电池的动态响应速度必须满足负荷波动大的运行要求。若使用单一燃料的电池动力系统，其对能量传递响应速度较慢，可能无法跟踪船舶上负载的波动，从而无法满足船舶变工况需求，所以燃料电池不适宜作为唯一的船舶动力源，需要与其它动力设备组合成混合动力系统来克服上述的缺陷，这一点限制了甲醇燃料电池在船舶领域的发展空间。同时因为目前燃料电池还没有突破兆瓦级功率，现阶段也只适用于沿海或内河的小型船舶，无法应用于远洋商船。甲醇燃料电池的主要技术缺陷在于需要首先把甲醇转变为富氢燃料，其转换成本也较高，因此与甲醇发动机相比，甲醇燃料电池竞争力较为有限。随着国际海事组织对船舶减排不断严苛的要求，国家对燃料电池发展政策的支持力度将在逐渐加大，同时随着科学技术的不断提升，各种缺陷也在不断地被攻克，其在船舶行业的应用已经得到了越来越多的广泛关注和研究。

5 结语

绿色甲醇燃料具备洁净、可再生、获取方便与无污染的优势，现已逐步成为航运界最为青睐的替代燃料之一。绿色甲醇作为发动机燃料和燃料电池的原料较为安全，环保性能好。为实现航运业的脱碳减排目标，长期来看必定需要依赖于对燃料能源进行脱碳，能源脱碳转型的过程相对缓慢，所需要的转型成本也较高，同时在能源的生产和储运以及实际应用管理等方面也存在着诸多问题。但相信在全球航运业逐步增加的温室气体减排压力下，随着工艺技术的日益创新，实际项目也会日益增加，绿色甲醇在未来的船用替代燃料领域将会有非常广阔的应用前景。