海运用电子燃料的定量可持续性评估

《Sustainable Energy & Fuels》：Quantitative sustainability assessment of e-fuels for maritime transport

本研究提出一种定量可持续性评估框架，用于比较船用替代燃料（如电甲醇、电柴油、氢和氨）的综合可持续性。该框架整合了技术可行性、经济成本、环境影响和安全风险四个维度的关键绩效指标，并通过多准则决策分析得出整体排名。案例分析表明，电甲醇和电柴油在所有决策视角下均优于传统船用柴油，而氢和氨因安全问题排名较低。敏感性分析证实了排名的稳健性，强调安全与环境需平衡考虑。该框架为海事零碳政策和技术发展提供决策支持。

　　减少海运行业的碳强度是实现全球减排目标的关键一步。目前，海运占全球二氧化碳排放量的约3%，且这一趋势预计在未来十年内将持续上升，年均增长近1.5%。为了应对这一挑战，国际海事组织（IMO）在2018年提出了一个气候战略，目标是在2050年将与航运相关的温室气体（GHG）排放量较2008年水平减少50%。这一目标在2023年得到了进一步强化，承诺到2050年实现航运的净零排放，同时设定了2030年和2040年的强制性减排检查点。尽管已有许多努力集中在提升船舶设计和运营效率上，但仅靠这些措施不足以实现2050年的净零目标。因此，广泛采用清洁的海运燃料以补充这些效率提升措施，成为向碳中和航运行业转型的关键。

与传统海运燃料相比，绿色甲醇和绿色氨等合成电燃料（e-fuels）显示出巨大的潜力。这些燃料通过可再生能源电力和低碳原料合成，可以在生命周期内显著减少温室气体排放。然而，目前关于这些燃料的综合可持续性评估仍较为有限，尤其是在技术、经济、环境和安全等多个维度的整合方面。因此，本研究提出了一种定量框架，用于评估海运燃料系统的可持续性，涵盖这四个关键领域。通过一个案例研究，我们比较了基于碳的e-fuels（如绿色甲醇和绿色柴油）和基于碳的e-fuels（如氢和氨）与传统船用柴油（MDO）的可持续性表现。此外，通过敏感性分析，我们验证了该框架在不同KPI不确定性下的稳健性。

在环境和安全因素方面，这些评估被发现是衡量不同燃料可持续性的重要指标。研究结果显示，无论是基于碳的还是无碳的e-fuels，绿色甲醇和绿色柴油在所有决策视角下都比MDO表现出更高的整体可持续性。相比之下，氢和氨在短期内受到安全问题的限制，尽管在适当的风险管理和更安全的设计措施下，它们在长期中仍具有可持续发展的潜力。总体而言，本研究提出的框架为清洁航运的燃料系统提供了一个全面的评估工具，有助于指导未来以可持续性为导向的政策和技术发展。

在评估不同燃料的可持续性时，环境和安全因素的重要性不容忽视。传统燃料如MDO虽然在某些方面具有较高的经济性，但其在环境和安全方面的表现却相对较差。因此，将这些因素纳入评估体系，有助于更全面地理解清洁燃料的潜在优势和挑战。例如，氢和氨虽然在生命周期中能显著减少温室气体排放，但其安全性能较差，主要由于其易燃性和毒性。这种风险在船上尤其突出，因为储存和处理这些燃料的设备必须在有限的空间内运行，而应急响应能力也受到限制。因此，虽然氢和氨在长期中可能成为可持续航运的重要组成部分，但目前仍面临较大的安全挑战。

与此同时，基于碳的e-fuels如绿色甲醇和绿色柴油在技术可行性和经济性方面表现出更高的稳定性。绿色甲醇可以无缝地集成到现有的船舶和燃料供应基础设施中，且在目前的评估中显示出较高的可持续性。然而，其在环境方面的表现仍不如氢和氨，主要由于颗粒物（PM）排放对其整体可持续性指数（EnvI）的影响较大。绿色柴油则由于较高的生产成本和能源密集型合成过程，在经济性方面表现不佳，尽管其在环境和安全方面有相对的优势。这些发现表明，不同燃料在可持续性方面存在明显的权衡，需要综合考虑多种因素。

在进行整体可持续性评估时，采用了多标准决策分析（MCDA）方法，特别是技术对于秩序偏好相似性到理想解（TOPSIS）方法。该方法通过将不同维度的KPI标准化、加权，并与理想解进行比较，得出一个综合的可持续性指数（OSI）。这种方法不仅考虑了技术、经济、环境和安全等多个方面，还确保了评估的透明性和可比性。此外，敏感性分析进一步验证了该框架在面对输入数据不确定性时的稳健性。结果显示，尽管氢和氨在某些决策视角下具有较高的可持续性，但它们的安全性能仍然显著低于其他选项。因此，只有在有效解决安全问题的前提下，这些燃料才有可能在未来的航运中得到广泛应用。

本研究的创新之处在于其对e-fuels系统的全面评估框架。该框架通过引入互补的KPI，量化了四个可持续性支柱的表现，并结合了环境影响评估方法，以更全面的方式评估e-fuels的碳足迹。此外，安全因素被整合到社会可持续性维度中，通过内生安全指标进行量化。这种方法不仅有助于识别不同燃料之间的权衡，还为决策者提供了更清晰的评估依据。最终，通过将这些KPI整合为一个统一的可持续性指数，研究得出了不同燃料系统的排名，并验证了其在不同决策视角下的稳定性。

研究结果表明，绿色甲醇在所有决策视角下均表现出最佳的可持续性，而氢和氨则因安全问题在短期内受到限制。这一结论对于航运行业具有重要的指导意义，特别是在制定政策和技术发展路径时。绿色甲醇因其较高的技术成熟度和与现有基础设施的兼容性，被认为是短期过渡的首选。然而，氢和氨的长期潜力仍然值得期待，尤其是在技术、基础设施和风险管理方面取得进一步进展的情况下。此外，研究还强调了将环境和安全因素纳入传统技术经济评估的重要性，以确保航运燃料的可持续性不仅关注排放减少，还考虑了社会接受度和潜在风险。

综上所述，本研究为海运燃料的可持续性评估提供了一个全面且实用的框架，有助于推动清洁航运技术的发展。同时，研究结果也为行业参与者、政策制定者和学术界提供了有价值的见解，使他们能够更有效地进行决策和规划。未来，随着技术的成熟和数据的完善，这一框架可以进一步扩展，以更全面地评估燃料生命周期的各个阶段，从而为航运行业的绿色转型提供更坚实的理论和实践基础。