甲醇相较LNG等燃料作为船舶替代燃料的机遇与挑战

王夕友

（中海石油气电集团有限责任公司，北京 100028）

1 引言

为了应对船舶污染物排放对气候的影响，国际海事组织（IMO）提出了全球水运业温室气体控排计划，即到2050年温室气体排放量较2008年要降低一半以上，二氧化碳排放要降至5 亿吨，在此背景下，水运行业面临越来越大的减排压力。在船舶燃料的各种可能替代方案中，甲醇由于其转换成本低、可获得性高、基础设施相对完善等优势，也逐渐引起行业内的关注。因此，有必要分析甲醇与LNG 等燃料相比作为船舶替代燃料的优势、可行性及挑战，对其应用前景进行探讨。在船舶绿色化转型和政策的驱动下，水运业开始替代燃料的研究和应用，如LNG、LPG、甲醇、氢、氨等。由于替代燃料在获取方式、能量密度、安全性存在较大差异，这也直接影响了船东的选择，具体属性见表1：

表1 替代能源燃料属性对比一览表[1]

2 甲醇作为船舶燃料的优势

2.1 转换成本低

甲醇与LNG 具有相同的低闪点特性，但与LNG 不同的是，它通常条件下为液体，不需要低温存储和绝热，因此燃料舱的设计和建造相对简单，成本较低。甲醇与大多数船舶发动机兼容，现有发动机使用甲醇的转换成本也明显低于其他替代燃料。据2021年7月信德海事网相关案例介绍，在建造成本上，以54,300 立方米容量的成品油轮为例，使用甲醇燃料的新造船，成本比传统重质燃料油新造船增加约10%，而使用LNG 燃料的新造船，成本要比传统重质燃料油新造船增加约22%。

2.2 比重燃油排放污染物少

据挪威船级社（DNV）统计，在满足 Tier II 要求排放下，甲醇较HFO 重燃油相比，可减少5%二氧化碳排放，减少30 ～50% 的氮氧化物排放，减少高达90%～97%硫氧化物排放，颗粒物的排放下降90%。

2.3 原料来源广泛

甲醇燃料工业生产，可由合成气生产，主要反应为[2]：

另外，甲醇燃料也可以由甲烷氧化制备，主要反应为[2]:

可用于生产甲醇燃料的原料很多，包括煤炭、天然气、焦炉气等。在现有经济和技术条件下，天然气和煤是制甲醇的主要原料，从世界范围看，天然气是合成甲醇的最重要原料，约占到80%以上。全球的甲醇产能大部分集中在油气资源比较丰富、价格优势明显的中东、拉美和东亚等地区。煤作为制备甲醇原料，由于生产中涉及净化等方面问题，成本相对较高，但对煤炭资源丰富的国家，仍然以煤作为生产甲醇的主要原料。

CO2和H2也是合成甲醇的优质原料。在技术上，由CO2和H2合成甲醇已不存在障碍，但受到原料H2供应的限制，无法大规模推广。目前生产甲醇的主要原料H2主要由化石能源制取，但随着可再生能源制取技术的成熟，未来可通过绿电大规模获取，绿电可以由风能、太阳能等可再生能源提供，CO2则可以从碳排放较高的电厂、化工厂等工业废气中大量回收[2]，如果从全生命周期（包括上游和下游的整个产业链条）评估,合成甲醇可实现温室气体减排高达90%[3]。因此，从长远角度来讲，甲醇的来源将摆脱传统的化石燃料，属于可再生资源。

2.4 产品供应充足、基础设施相对成熟

甲醇制取的技术成熟，产能规模体量大，持续高速增长。根据安迅思（ICIS)统计，2020年全球甲醇产能约1.5 亿吨/年，产量约1.08 亿吨,2011～2020年均增长率达7.2%。我国甲醇行业发展很快，近几年产量得到大幅增长，现在已是较大的甲醇生产国，甲醇燃料供应充足。

甲醇是一种广泛使用的工业产品，存储和运输已成体系。同时，甲醇在通常条件下为无色液体，可借助现有液体燃料基础设施，或对现有液态燃料基础设施进行简单改造来存储。因此，全球很多港口都有供应甲醇的潜力，这些都是甲醇燃料相较于LNG、氢、氨等燃料的优势。

3 甲醇作为船用燃料的可行性

3.1 技术方面的可行性

甲醇被用作船舶燃料，虽然起步较晚，但已在实船上的得到了应用。2015年，瑞典船东Stena Line旗下“Stena Germanica”号渡船经过长达6 周的改装后成功下水，运输路线主要集中在德国基尔港和瑞典哥德堡港之间。该船长240 米，能够搭载1500 名乘客，采用甲醇/柴油双燃料发动机，正常情况下，船舶采用甲醇作为船舶主要燃料，柴油作为备用燃料,可见欧洲船用甲醇燃料研究与应用均处于世界领先水平。国内在甲醇船应用方面起步晚于国外，但在近期已有建造案例。

船用甲醇发动机是在已有柴油机基础上进行改装而成，同传统的燃料发动机类似，甲醇燃料发动机更容易设计和建造，技术相对成熟可行。国际上居于领先地位的是曼恩和瓦锡兰公司，能够提供甲醇船用发动机产品和改造。其他主机厂，如温特图尔、卡特彼勒、康明斯以及中船等企业也都在开发甲醇船用发动机。目前甲醇船用发动机的适用功率段及机型种类较少，但随着甲醇动力船需求增加，预计甲醇船用发动机及相关产品的选择范围会更广。

3.2 经济方面的可行性

甲醇被用作燃料有几十年的历史，受原材料成本等因素影响，价格具有一定波动性，但其价格已经能在等效能源的基础上与船用柴油的价格持平[4]。近年来，随着甲醇生产的主要原料天然气的产量增加，生产成本已大幅降低，特别是随着相关技术的开发和升级，甲醇成为可用的新一代船用燃料的局限性大幅降低。根据相关机构的预测，2025～2050年，甲醇在价格方面将可与低硫燃油形成竞争[4]。但目前采用可再生能源生产的绿色甲醇，成本是传统船用燃料的两倍多[4]，燃料价格翻番意味着运价的上涨。

4 使用甲醇作为船用燃料的挑战

甲醇作为船舶燃料存在具有毒性较强、安全性差、加注频率高等缺点。

4.1 毒性较强

甲醇是一种无色、透明、极易挥发的有毒液体，可通过饮入、呼吸和皮肤接触吸收后，影响人的神经系统和血液系统，挥发的蒸汽刺激人体内的粘膜和眼睛，长时间工作在甲醇的环境下，必须佩戴防毒面具。甲醇的毒作用主要是甲醇进入人体内代谢产生的甲醛和甲酸引起的，中毒的主要症状有：损伤人的眼睛、神经系统和代谢系统，引起的症状表现为头疼、头晕、恶心、乏力、视力减退等症状，摄入量超过10 克会引起失明，超过30 克以上会造成死亡。

4.2 安全性差

甲醇的密度比空气大，挥发产生的蒸汽比空气略重，若在通风条件较差的区域泄漏，更容易贴近地表活动而接触到火源。甲醇在空气中的浓度超过6.7%遇明火可被引燃，爆炸极限的体积比为6～36.5%，危险性高。在空气中燃烧时，火焰颜色非常弱，因此即使点燃，也很难被注意到并估计火势的大小，尤其在明亮的光线下肉眼更难发现。

4.3 加注频率高

从表1 可以看出，甲醇的热值低，质量能量密度为19.9MJ/kg，仅为柴油的0.47。体积能量密度低，为15.8MJ/L，所需要的舱容是柴油的2.3 倍。船舶通过改造加装甲醇燃料舱和供应系统将会提高使用成本。因此，船舶使用甲醇燃料会受到舱容限制，预计未来应用主要集中在舱容较大的超大型油船等大型船舶，而对于结构紧凑、无足够位置和空间安装全航程甲醇燃料舱的船舶，加注频率将更加频繁。

4.4 普通甲醇无法满足未来碳减排目标

从表1 可以看出，甲醇同船用重油比仅可以减少5%的CO2排放，而传统甲醇主要是天然气和煤炭为原料生产，以目前的技术，国际上最先进的天然气制甲醇单位产品的碳排放强度已达到0.15kgCO2/kg 甲醇[5]，从燃料全生命周期角度考虑，普通甲醇不能满足未来碳减排目标，只有当足够多的可再生能源用于生产绿色甲醇时，甲醇的碳减排优势才会显现出来。

5 结语

甲醇是一种减排效果较好的燃料，应用难度小。但从全生命周期考虑，普通甲醇作为船舶替代燃料的减碳潜力较为有限，因此需使用绿色甲醇才能抵消作为船舶燃料产生的排放，但目前绿色甲醇的成本，较船用燃油比高出很多，这是使用这种燃料的一个最大障碍。因此，甲醇燃料能否成为碳中和最佳燃料仍面临很大的不确定性。