氨燃料船舶时代来临？优势、挑战与应用

在航运业寻求环保燃料的进程中，氨已脱颖而出，成为一种极具前景的替代方案。

下文将深入探讨氨作为船舶燃料的多个维度，并就其审慎应用提供专业洞见。

六大核心要点

氨在燃烧时不产生碳排放，是实现航运脱碳的优选方案，尤其以可再生能源制取（即“绿氨”）时，其环保优势更为凸显；

安全为先：氨具有毒性与腐蚀性，其安全应用离不开专门的处理系统与船员专业培训；

氨燃料能效低于传统柴油，意味着船舶需配备更大容量的燃料舱，并可能面临续航里程的制约；

现有船舶改装虽具可行性，但新造船因其空间布局优势，更适合采用氨燃料动力；

以Wärtsilä 25发动机平台及其配套安全系统为代表的氨燃料解决方案已步入商业化阶段；

相关法规与加注基础设施仍在完善中，但全球已有逾200个低碳氨项目正在积极推进。

为实现国际海事组织（IMO）2050年净零排放目标，航运业向清洁燃料转型已刻不容缓。

在诸多备选方案中，虽尚无明确领跑者，但氨凭借其独特优势，已成为有力的竞争者。

1.燃烧过程无二氧化碳、硫氧化物及颗粒物排放；

2.部分供应链与基础设施已初具规模；

3.可通过可再生能源制取；

4.在船储存与运输相对便捷。

何为氨？

氨是一种具有强烈刺激性气味的无色气体，广泛应用于清洁产品、制冷系统及化肥生产。

鉴于其在削减温室气体排放方面的巨大潜力，氨正迅速成为海运业备受瞩目的替代燃料。

然而，氨在展现其环保优势的同时，其毒性与易燃性亦是不容忽视的风险因素。

氨是如何生产的？

氨的合成，源于氮气与氢气在高温、高压及催化剂作用下的化学反应。

何为棕色或灰色氨？

传统氨的生产以天然气或煤炭为原料，因其过程伴随大量碳排放，故被称为“灰色氨”或“棕色氨”。

何为蓝氨？

“蓝氨”是指在传统制氨过程中，引入碳捕获与封存技术，以显著降低碳排放。

何为绿氨？

“绿氨”则完全由风能、太阳能等可再生能源制氢。

唯有使用绿氨作为燃料，才能在船舶全生命周期内实现温室气体的实质性减排，因此正成为业界关注焦点。

氨是环境友好的燃料吗？

氨在燃烧时不产生二氧化碳，这使其成为极具潜力的可持续燃料。

然而，通过“上游排放”（well-to-wake）的视角审视，仅有绿氨才能带来显著的环境效益。

事实上，无论是通过“下游排放”（tank-to-wake）还是“上游排放”的角度衡量，绿氨均能实现完全的零碳。

反之，若以灰色氨为燃料，其“上游排放”的碳排放量甚至比传统重质燃料油高出三分之一。

展望未来，发动机将能实现100%纯氨燃烧，或仅需生物柴油作为引燃燃料，从而构筑一个完全可持续的动力解决方案。

氨的温室气体排放与应对之道

在传统选择性催化还原（SCR）系统中，氨是用于捕获氮氧化物（NOx）的关键反应剂。

当前，从安全性与易用性考量，尿素是普遍使用的反应剂。

但未来，氨将有望直接作为反应剂，尽管初期可能仍需与尿素配合使用。

未来减排路径及SCR系统反应剂的选择，将在很大程度上取决于哪种发动机燃烧技术能够最终占据主导地位。

目前，在美国部分排放法规严苛的陆上项目中，用于消除SCR系统中氨逃逸的催化剂已投入应用。

这些项目为开发适配船舶应用的优化催化剂装置提供了宝贵的借鉴。

氨能否作为燃料使用？

氨是航运业替代化石燃料的极具吸引力的选项，拥有大幅削减温室气体排放的潜力。

然而，其商业化应用仍面临挑战，主要包括构建可靠的燃料加注网络，以及应对因氨的腐蚀性而带来的发动机额外维护需求。

氨可作为气态或液态燃料使用，现有发动机只需进行适度改装即可实现高效燃烧。

氨燃料效率如何？

氨的体积能量密度远低于柴油。

同时，氨发动机的热效率也略逊于传统化石燃料发动机。

简言之，采用氨燃料的船舶必须配备更大容积的燃料舱，由此带来的储存系统在体积与重量上的增加，将对船舶的续航能力与有效载荷产生直接影响。

氨燃料面临的主要挑战

将氨用作船用燃料，主要面临三大挑战：

氨具有高毒性，因此船舶的整体安全设计必须予以充分考虑，尤其是通风系统的构建；

氨的体积能量密度低于柴油与液化天然气，这意味着船舶需要配备更大容积的燃料舱；

作为一种新兴燃料，氨的监管框架尚在发展与完善之中。

氨作为船用燃料的优势

氨的核心优势在于其分子结构不含碳，燃烧过程不产生二氧化碳。

因此，采用绿色氨是实现航运脱碳的理想路径，有助于行业摆脱对化石燃料的依赖，迈向可持续的未来。

氨的资源禀赋优异，可由风能、太阳能等可再生能源制取。

作为全球大宗交易商品，氨在化肥生产领域已广泛应用，其能源潜力使其成为极具可行性的船用燃料选择。

此外，液态氨的储存与输送系统相对简洁，有助于降低运营成本。

在发电领域，氨作为燃料的应用也已先行先试。

氨作为船用燃料的劣势

氨的高毒性与腐蚀性是其主要短板，要求在处理与储存上极为审慎。

不过，通过强化船员专业培训、配备完善的防护装备与通风系统，这些风险可得到有效管控。

氨燃烧虽无二氧化碳排放，但会产生氮氧化物，可通过后处理技术加以控制；而潜在的氨逃逸问题，则可能需要加装湿式洗涤器系统。

这些解决方案的深度研发与认证，需与船级社紧密合作。

当前，氨燃料应用最大的未知数在于如何处理燃烧过程中可能产生的强效温室气体——氧化亚氮（N2O）。

业界正积极研发N2O催化转化技术，以最大限度减少其排放，从而巩固氨作为可持续燃料的地位。

例如，Wärtsilä的“Ammonia 25”解决方案，便通过优化燃烧与集成后处理技术，致力于实现所有温室气体的近零排放。

如何确保氨燃料的船舶应用安全？

氨的毒性、爆炸风险及强烈气味，是其作为船用燃料必须正视的安全议题。

目前，相关机构正在制定专门的法规与标准，以规范其安全应用。

在氨燃料的安全管理中，三大要点尤为关键：

氨的高毒性意味着任何操作疏忽都可能导致严重后果；

必须配备专用的储存和处理设施；

燃料系统的设计需将安全置于首位。

氨燃料的监管框架现状如何？

氨作为船用燃料的监管框架仍在构建之中。

在此过程中，与船东及运营商的紧密合作至关重要，旨在确保行业对正在制定的解决方案建立充分信心。

氨燃料发动机是否已准备就绪？

氨燃料在船舶领域的商业化应用尚处起步阶段。

航运业正与化肥、能源行业争夺有限的氨资源，而产能扩张的周期较长。

尽管一座氨工厂从建设到投产需四至六年，但行业转型正在加速：全球已有逾200个低碳氨设施处于规划中。

如何启动氨燃料运营？

要实现以氨为基础的运营，船舶必须在设计之初便具备使用氨燃料的能力。

对现有船舶进行改造虽是可能路径，但往往会面临为大型氨罐等设备寻找安装空间的难题。

此外，燃料气体供应系统也必须为氨进行专门设计，这涉及众多复杂组件的集成。

还需配备专用的氨燃料发动机，既可以是专为氨设计的机型，亦可由传统发动机改造而成。

若计划在未来采纳氨燃料，那么像Wärtsilä 25这类具备燃料灵活性与升级潜力的发动机，将是极具前瞻性的选择。

船舶的尾气后处理系统也需根据所用燃料进行相应调整。

根据发动机采用液态或气态氨，可能还需额外配置高压泵室等设备，尤其是在采用高压直喷技术时。

采用氨燃料需考量哪些因素？

首先，发动机必须经过专门设计或改造，且所有与燃料接触的部件均须采用特定材料。

将氨用作船用燃料，意味着需对机舱与燃料处理系统进行重大升级。

对于新造船而言，应在设计阶段便将氨燃料方案纳入整体规划。

对于船舶改造，则需对现有船体结构进行调整，以安全实现氨的接收、处理与燃烧。

同时，还需设计、建造新的结构，为氨燃料的储存与输送提供空间。

此外，必须部署一系列辅助系统，以满足相关法规的安全标准，包括新增的疏排水系统、氮气惰化系统及强化通风系统等。

同样关键的是人员准备。

启用氨这类新型船用燃料，不仅是技术的革新，更是对人的挑战。

从安全规程到操作技能，对船员及岸基人员的全面培训，是实现平稳、安全过渡的基石。

氨是未来的终极燃料吗？

凭借全链条实现零碳排放的潜力，氨被视为未来燃料的有力竞争者，尤其适用于新造船舶。

然而，其储存与处理所需的大量额外空间，对于拖轮、渔船等小型船舶而言，改装并非经济可行的选项。

目前，氨已在燃料电池解决方案及四冲程氨发动机中得到应用。

氨能否成为未来的主流燃料，将取决于技术成熟度、监管框架的完善度以及燃料供应链的投资力度。

以绿色氨为代表的零碳燃料，必将在推动海运业可持续发展的进程中扮演关键角色。

未来氨燃料加注网络

氨，特别是绿色氨作为船用燃料的稳定供应，对航运业实现脱碳目标至关重要。

关于构建氨燃料加注网络的讨论与投资在日益增多，随着市场的逐步采纳，这一网络的规模与覆盖范围将持续扩张。

当前，氨的需求主要由农业化肥驱动。

但随着越来越多船舶采用氨燃料，航运业的需求将显著增长。

据DNV预测，到2030年，航运业的氨燃料使用量将达到170拍焦（占航运燃料总量的1%）；2040年将跃升至1900拍焦（占比13%）；到2050年，这一数字将高达5000拍焦（占比36%）。

氨燃料的加注系统可分为固定式与移动式。

固定式系统依托港口或加注站的永久性基础设施，而移动式系统则利用可移动的储罐进行操作。

氨可根据温度与压力条件，以液态或气态形式储存。

在部署任何燃料加注系统时，安全措施与环境影响评估均居于核心地位。

结语

氨作为航运业实现脱碳目标的关键路径，其潜力毋庸置疑。

然而，唯有通过可再生能源生产的绿色氨，方能实现全生命周期碳中和。

尽管相关法规与基础设施尚在完善，但全球发展势头已然强劲，目前已有数百个氨项目蓄势待发。

将氨作为船用燃料，其转型之路固然复杂，但凭借充分的知识储备、周密的规划与严谨的安全措施，这一变革之路必将行稳致远。