清洁能源产品

海洋动力转型——MAN助推航运业完结气候中性

海洋动力转型——MAN助推航运业完结气候中性

产品类别:清洁能源产品

发布时间:2022-09-17 09:30:09
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  与许多职业相同,为维护地球生态环境,海运业也需求进行可再生动力转型。因而,国际海事安排(IMO)出台了相关法规,要求航运业在2050年前将其温室气体排放量削减50%(比较于2008年温室气体排放量)。与此一起,在国际买卖添加的推动下,海运总量估计添加。国际海事安排猜测,在职业添加状况下假定推动技能坚持不变,到2050年,航运业温室气体排放量或许添加250%。因而,国际航运业需求坚持在保证职业添加的一起削减碳脚印以处理这一问题。

  作为国际抢先的发动机制造商之一,MAN Energy Solutions在助力航运业完结气候中性方面现已处于抢先位置。因为50%的国际航运买卖都是由MAN Energy Solution研制的发动机所推动,因而,MAN Energy Solution以助力航运业可继续发展为任务,不断进行技能研制和打破。自2016年以来,MAN Energy Solutions不断推动航运业动力转型。该公司不只致力于开发技能处理方案,还倡议树立有用的全球监管系统。

  在路途运送中,电池充电技能逐渐成为首选,助力脱碳方针的到达。与之不同的是,在航运业,燃料仍会发挥无法代替的效果。大型远洋船只无法经过电池或燃料电池充电,因而,MAN Energy Solutions信任大型内燃机在未来仍会是航运业的首要动力来历,尤其是在长途运送方面,而航运业脱碳只能依托研制更清洁的燃料来完结。因而,MAN Energy Solution正在大力发展面向未来的气候中性燃料,不断探究,助力打造碳中性的未来。

  就现阶段和中期而言,MAN Energy Solutions以为,液化天然气远景宽广,其既能到达环境规范(NOx、SOx),又能将二氧化碳排放量削减20%。可是,MAN Energy Solution并没有仅仅停步于用液化天然气作为燃料,并活跃寻觅更优的处理方案。运用可再生动力出产气候中立的组成燃料,包含组成天然气(甲烷)、绿色氨和甲醇,以及氢气(运用于短程飞行)都愈加契合打造碳中性的未来的需求。本文供给未来燃料处理方案相关的最新技能状况及当时海洋动力转型途径。

  毫无疑问,因为温室气体排放,气候变化现已成为全球经济面临的最大应战,随之而来的极点气候、冰川消融和海平面上升等咱们现阶段意识到的要挟仅仅冰山一角。因而,咱们十分清楚加快完结“碳中和”的火急需求。经过运用可再生动力出产气候中立的组成燃料,就能够在减排的一起完结运用电力和机械能的出产。

  关于日趋恶化的气候变化及其影响,国际社会现已到达了一致,严重改动现已火烧眉毛,国际协作势在必行。在巴黎举办的第21届缔约方首脑会议上到达了闻名的2015巴黎协议,企图将气候变化这一全球性应战——约束在1.5°C(相较于工业化前)。巴黎协议的签定代表着在1992年《联合国气候变化结构条约》之后一切缔约方初次同意为完结碳中和做出最大尽力。于2021 年11月在格拉斯哥举办的第26届缔约方首脑会议也进一步强调了赶快停止运用化石动力的紧迫性。

  陆地动力转型趋势现已十分显着,煤炭和石油焚烧发电的办法正在被太阳能和风电等环保办法代替,而电动汽车正以从前无法幻想的速度扩张。

  与陆地动力转型比较,海上动力转型引起的重视度相对较小,但却与之相同火急。海运业的温室气体排放量巨大,因而海上动力转型将会有助于削减全球碳排放量。因而,在国际海事安排(IMO)的引导下,船东、船只运营商、船厂和海洋设备制造商现已开端施行他们自己的应对方案。(国际海事安排是国际航运安全、安保和环境绩效的全球论坛和监管安排,涵盖了一切航运业利益相关者。)2018年头,国际海事安排拟定了关于脱碳的开端战略,要求国际航运业的年度温室气体排放总量尽早完结达峰,到2050年,温室气体排放量降至2008年水平的50%。

  为到达海事安排所拟定的方针,相关办法现已拟定完结并开端逐渐施行,这也是“海洋动力转型”路途上的第一步。MAN Energy Solutions(MAN)是全球抢先的船只发动机制造商之一,从2016年开端MAN Energy Solution 开端为客户供给全方位的动力处理方案。50%的海洋船只均以MAN在德国奥格斯堡和丹麦哥本哈根研制的发动机为动力。因而,MAN Energy Solution也更有时机经过在海上动力转型方面的尽力,更大程度地上削减温室气体的排放。久远来看,海上动力转型是时机也是应战,因而,MAN Energy Solution也呼吁供给链各方携手面临这一海运业脱碳的应战。

  依据国际航运协会的统计数据,每年约有110亿吨货品经过船只运送,相当于国际人口的人均运送1.5吨货品。这说明了制成品和原材料的海上运送在多大程度上支撑了现代生活。例如,就欧盟买卖而言,80%的进出口量——价值约为50%——在某个阶段是经过船只运送的。

  此外,到2050年,全球航运量估计将添加250%。因而,该职业面临着一个两难地步:如安在坚持货运量继续稳步添加的一起削减温室气体排放?

  比较于其他运送办法,航运业在减排方面潜力巨大,海运运送的货品量大,但航运部分发生的二氧化碳排放量仅占全球温室气体(CO2)总排放量的2.5%。这使航运成为迄今为止二氧化碳排放量(每吨和每公里)最低的运送办法——但假如航运脱碳不与其他运送办法脱碳同步,这一份额将显着上升。

  MAN Energy Solution在船用发动机商场的份额高达50%,因而,也更有才能采纳决断举动,助力航运脱碳作业,自2016年以来,MAN Energy Solution一向致力于开发航运可继续发展相关的技能。可是,MAN也认识到,海洋动力转型需求整个航运部分的支撑,寻求一起、协商一致的办法,树立一整套技能、监管和政策行动。

  在技能方面,探究燃料代替方案至关重要。例如,在汽车职业,由内燃机驱意向电池驱动(配套相应技能和处理方案)的趋势清楚明了,另一方面,在海运业,运用电池作为储能系统直接充电的技能仅适用于某些特定范畴,例如,部分滨海航运或短程渡轮。因为远洋航运的操作和安全要求,电池供电系统无法满意集装箱船、油轮和散货船等大型船只的需求。

  依据“经历规律”,在现在的技能状态下,船只越大,运用电池电力推动系统的或许性就越低。在现在的技能状态下,电池和燃料电池都无法供给满意远洋船只所需航程和续航力的功率输出或能量密度,耐用性和巩固性更无从谈起。

  因而,现在,大型二冲程和四冲程发动机在大多数传统船只推动和船上发电运用中不行代替。海上动力转型需求落脚于寻觅削减或消除传统海上原动机温室气体排放的办法。

  相应的,MAN Energy Solution将现有的低碳燃料和新脱碳燃料——而不是彻底不同方法的推动力——视为海上温室气体问题的处理方案,对此方案的阐释也是MAN创造本文的目的。

  事实上,向低碳燃料的过渡现已开端——现在,MAN Energy Solution新订单中30%的发动机是双燃料发动机,焚烧液化天然气作为动力(LNG),每千瓦时发生的二氧化碳比传统柴油发动机少20%。因而,航运业能够在继续产品开发、拟定战略并运用液化天然气的一起,完结减排,开端向削减温室气体排放的方针跨进。

  焚烧液化天然气作为动力是海洋动力转型的开端,在此之后,MAN Energy Solution开端留意寻觅其他代替燃料以继续船用发动机的脱碳进程。MAN Energy Solution的海洋动力转型战略提出要运用适配于可再生动力出产气候

  中立的组成燃料的发动机,以逐渐削减温室气体排放。未来的发动机处理方案将在很大程度上由组成燃料供给动力,这种燃料由绿氢制成,来历于可再生电能的电解水制氢(也称之为电力多元转化)。

  转向液化天然气燃料的优势的发生是依据甲烷的性质和特性,甲烷是天然气的首要易燃成分(约85%)。甲烷的化学式为CH4,是碳氢化合物(烷烃)中,氢和碳的最简略组合,因而焚烧时发生的二氧化碳量最低:与重质和馏分液体燃料比较,优势高出20%。

  值得幸亏的是,在曩昔20年的发动机发展中,趋势一向是运用液化天然气代替自20世纪50年代以来一向在船只上运用的重油和馏分液体燃料。作为船用发动机技能的领导者,MAN Energy Solution一向是推动液化天然气燃料遍及运用的前驱。要点包含改装二冲程和四冲程柴油发动机,使船只能够运用液化天然气,并推出首款商用二冲程双燃料(DF)发动机:具有高压燃气喷发和柴油焚烧的ME-GI发动机。

  –规划用于焚烧液化天然气的大型二冲程和四冲程活塞发动机已得到充沛查验,并在各种船只中逐渐盛行。

  –作为大型发动机的燃料,液化天然气契合有关有害排放物(即NOx、SOx和微粒)的现行法规,满意IMOTier III规范。

  可是,在确认了液化天然气的适用性和可行性后,有必要处理甲烷逃逸问题。无论是天然存在于化石液化天然气中,仍是在绿色工艺中组成的甲烷,其在100年的时间跨度内的温室效应都是二氧化碳的28倍。因而,MAN Energy Solution现已优先考虑了这个问题的处理方案:

  –在二冲程方面,MAN双燃料ME-GI发动机的作业原理在很大程度上避免了甲烷逃逸。其狄塞尔循环焚烧原理在保证节约燃料的一起,最大极限地开释热量。因而,MAN Energy Solution能够保证其ME-GI双燃料发动机的甲烷逃逸水平低至0.2克/千瓦时,公役为+/-0.1克/千瓦小时。

  –关于二冲程奥托循环发动机,与不带EGR的二冲程奥托循环发动机比较,带EGR(废气再循环)的ME-GA发动机可将甲烷逃逸削减50%。

  –在四冲程方面,自2000年代中期推出四冲程双燃料发动机以来,MAN Energy Solution在削减甲烷逃逸方面取得了杰出的发展。与曾经的类型比较,现在商场上的发动机发生的甲烷逃逸于之前比较削减了50%,而且,在短期内,MAN Energy Solution将选用发动机内部办法将这一份额削减20%。到2025年,MAN估计将运用氧化催化剂完结进一步60%的减排。

  得知液化天然气的特性将使其船用发动机的二氧化碳排放量削减20%后,MAN Energy Solution也对其他燃料进行了评价,这些燃料能够在海上动力转型中逐渐代替液化天然气。

  为了得出这一定论,MAN Energy Solution依据燃料运用的一些重要特性和约束条件,将船只脱碳的候选燃料与重油(HFO——原油蒸馏和裂解的残渣油)和轻油(MGO——由混合馏分组成的船用馏分油)进行了比照。从本质上讲,这些要素将决议海上动力转型的可行性以及运营本钱(Opex)和本钱开销(Capex)。它们包含:

  –发动机和设备在船上的初始本钱,用于调整发动机以适用于焚烧燃料,以及贮存和调理燃料以供焚烧。

  因而,抱负的燃料将是这些要素之间的可行折衷,最佳低碳或零碳燃料有期望投入运用,这详细需求取决于船只类型、运行状况、买卖方案以及区域——航运或许需求各种燃料的焚烧。

  该评价从高度易燃的氢(H2)开端,其焚烧的巨大优势在于其在焚烧进程中仅会发生(H2O),意味着其能到达零碳和零温室气体的排放。可是,氢的许多特性使它难以用作燃料。其间最首要的是氢的低体积能量密度及其极高的可燃性。

  即便加工成为液态氢,氢的能量密度也比HFO或MGO低4.5倍。此外,要液化氢气,需求将其冷却至-253℃,即便如此,氢气的体积也是LNG的几倍。别的,将氢坚持在液态所需的设备体积大且杂乱。因而,在实践中,与液体燃料设备比较,完好的氢燃料系统的总装置空间系数为6–7。

  因而,虽然有人主张在一些船只(如滨海船只和轮渡)上运用氢气作为发动机燃料,氢载体明显不适协作为大型商船活塞发动机直接焚烧的规范燃料。另一方面,MAN Energy Solution估计,运用从水中电解出的绿色、可再生的氢气,将在组成气体燃料出产方面发挥关键效果,这将促进航运业脱碳的继续发展,此前运用化石液化天然气。由绿色氢气出产的最值得留意的燃料将是组成天然气(甲烷)、氨和甲醇。

  关于运用从大气或其他碳源捕获的绿氢和碳,出产碳中性组成烃气(如甲烷)的提议现已提出。在出产方面,技能流程现已得到了很好的验证。例如,2013年,MAN Energy Solutions为坐落德国维尔特的奥迪工厂的欧洲最大的燃气发电厂供给了甲烷反应器。

  值得留意的是,组成天然气(SNG)是甲烷(CH4),因而在化学成分方面与LNG的首要可燃成分相同。但因为它是由绿氢出产的,所以它是碳中性的。其化学结构使SNG十分适合于在MAN Energy Solution现有的两冲程和四冲程双燃料发动机中焚烧,其次,与LNG逐渐混合将作为海洋动力转型进程中的拟议进程。此外,能够继续运用现有的天然气供给基础设施运送和贮存组成天然气。

  将燃料运用于船运的进程相对简略,但其含义却至关重要——比方,液化天然气的运用。新的气体燃料有必要在加注前坚持在低温状态下(关于LNG和SNG,温度需求坚持在 -162°C)。一起,现已树立的船上液化天然气基础设施也适用于SNG燃料。

  2021年9月,1036箱集装箱船ElbBLUE号成为全球第一艘在商业飞行中运用气候中性组成天然气的集装箱船。她于2017年被改装为运用四冲程MAN 51/60双燃料发动机。MAN Energy Solutions及其协作同伴经过其试点项目证明,任何经过LNG改装的船只都能够运用PTX(电力多元转化)技能发生的燃料,乃至能够依据燃料可用性运用混合燃料。

  氨作为燃料的首要长处是其化学成分NH3不含碳,因而在焚烧进程中不会发生二氧化碳。另一个优势是:与甲醇(见下文)相同,氨现已能够经过工业到达量产,并在全球大规模买卖,例如作为肥料质料。氨的安全处理系统现已树立。可是,与甲醇相同,氨的出产在现阶段还不是绿色的,但运用来自于可再生动力的绿色氢气对其进行出产是有期望的。绿色氨出产将相同以可再生动力为动力,并运用来自空气的氮气。

  就其作为发动机燃料的适用性而言,NH3焚烧缓慢,因而,现在比较适用于二冲程柴油机进行焚烧。依据这种状况,MAN Energy Solution现已依据本身资源在研制一种能够进行氨焚烧的二冲程发动机,并方案于2024年上市。在四冲程方面,为了确认研制以氨为燃料的双燃料中速机的必要进程,MAN Energy Solution与工业和研讨同伴协作发动了在四冲程内燃机中测验氨的运用状况的项目。

  别的一个长处是,因为氨在-33°C下就能够液化,而与液体柴油比较,能量密度为2.9,体积紧凑,这使其在船上的贮存和运送都会相对简略。可是,焚烧进程中或许构成的一氧化二氮(N2O,“笑气”)依然是需求处理的问题之一。与CO2(1)比较,N2O的温室气体效应指数是CO2的270倍。可是,就像处理甲烷逃逸相同,MAN相同有决心处理这个问题。

  众所周知,氨也是一种毒性较大的物质,但它在一切浓度下都不像氢那样易燃或易爆。此外,氨的冲鼻气味使得人们即便在低ppm水平下也能及时洞悉走漏状况,而MAN Energy Solution氨焚烧驱动的二冲程发动机的规划将会答应它在极低氨逃逸水平下作业。

  与液化天然气相同,液化石油气(LPG)是一种化石燃料,与重燃油和船用轻油比较,具有相对较高的能量密度以及减排方面的优势。因为二氧化碳排放量或许削减18%,液化石油气在船只发动机脱碳的第一阶段越来越受欢迎。它也相对简单贮存和处理。

  MAN Energy Solution现已供给了双燃料二冲程发动机,可运用液化石油气为动力,并为现有柴油发动机供给了改装晋级服务。如今,MAN Energy Solution B&W ME-LGIP是全球LPG运送船供给动力的职业规范。可是,因为液化石油气依然是一种化石燃料,类似于液化天然气,并不是一种长时间远景,而是一种发动海洋动力转型的助推器,直到无碳代替品占有中心位置。

  MAN Energy Solution的客户近期对生物燃料越来越感兴趣,这种燃料能够在对发动机进行小规模改装的状况下,在二冲程和四冲程发动机中焚烧。因而,在有满意可用量的前提下,生物燃料有期望为脱碳作业做出巨大贡献,既能够作为首要燃料,也能够作为引燃油,保证双燃料发动机的彻底碳中和。可是,关于这些燃料能否满意日益添加的需求依然存疑。

  考虑到国际人口的日益添加,农业用地很或许需求专用于粮食作物。此外,对生物燃料能否真实完结可继续出产的问题仍在审阅傍边,例如,在不损坏雨林和要挟野生动物的天然栖息地的状况下是否或许坚持生物燃料的量产。与此一起,从有机废物中提取的生物燃料的办法很有潜力,这将会在船用发动机碳中性燃料的供给中发挥很重要的效果。

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