2050年前氢基燃料在内燃机集装箱船应用的生命周期评估：减排潜力与环境权衡分析

《Resources, Conservation & Recycling Advances》：Life cycle assessment of hydrogen-based fuels use in internal combustion engines of container ships until 2050

本文针对国际航运业实现2050年净零温室气体排放目标，系统评估了液氢(LH2)、液氨(NH3)和甲醇(MeOH)三种氢基燃料在Post-Panamax集装箱船应用的全生命周期环境影响。研究创新性地整合船舶设计参数、运营场景与全球氢能市场演变模型，揭示氢基燃料可降低48%-65%的温室气体排放，但会引发货物载重能力下降(0.3%-25%)及淡水富营养化等环境权衡效应，为航运业低碳转型路径选择提供科学依据。

　　

随着全球贸易80%-90%依赖海运，航运业贡献了交通领域85%的温室气体排放，国际海事组织(IMO)明确提出2050年实现净零排放的雄心目标。传统重燃料油(HFO)船舶虽成本低廉，但碳排放强度高，而氢基燃料(氢/H₂、氨/NH₃、甲醇/MeOH)因其零碳特性被视为最具潜力的替代方案。然而，这些燃料的低温储存特性、低能量密度及配套基础设施缺失，导致其在船舶应用中存在货物载重损失、系统改造复杂等挑战。更关键的是，现有研究多假设氢基燃料完全来自可再生能源，忽略了全球氢能市场技术路线演变的现实约束，可能过度乐观估计其减排效益。为此，莱顿大学环境科学研究所团队在《Resources, Conservation & Recycling》发表论文，首次将船舶工程设计与能源系统模型耦合，构建了覆盖2020-205年的动态生命周期评估框架。

研究采用超结构建模方法，整合了三大关键技术体系：一是基于船舶轻量化质量(LWT)公式的物料流分析，量化不同燃料系统对货物空间/重量的占用效应；二是耦合国际能源署(IEA)的既定政策情景(STEPS)和净零排放情景(NZE)的全球氢能供应模型，涵盖九大制氢技术路线；三是基于REMIND模型的前瞻性背景数据库，动态反映电力脱碳与材料效率提升的影响。研究以8749TEU的Post-Panamax集装箱船为案例，设置6种运营场景（航程5500-22000海里、航速16-20节、中途加油0-1次），系统比较四种推进系统（HFO内燃机/ICE、双燃料内燃机燃用LH₂/NH₃/MeOH）的全生命周期影响。

船舶运营性能分析表明，氢基燃料系统会显著改变船舶载荷特性。由于液氢容积能量密度仅2.36kWh/L（约为HFO的1/4），在22000海里不间断航行场景下，液氢船舶货物空间损失达23%。而液氨和甲醇因能量密度较高，在5500海里中途加油场景中可实现货物空间净增益（1%-2%）。重量约束方面，液氢系统因储罐轻量化优势，载重损失最小（0.3%-14%），而液氨和甲醇船舶载重损失达3%-25%。降低航速可缓解损失效应，如16节航速比20节减少载重损失4%-6%。

温室气体排放结果显示，氢基燃料的减排效益高度依赖能源结构。在STEPS情景下，2050年氢基船舶排放反而比HFO基准高2-3倍，因氢源仍以化石燃料为主。而在NZE情景中，随着电解水制氢占比提升，液氢/液氨/甲醇船舶的碳排放分别降至6-10g CO₂-eq/t-nm，较HFO下降48%-65%。若采用100%风电制氢，减排幅度可进一步扩大至75%-82%。值得注意的是，即使使用全可再生能源，仍有18%-31%的残余排放主要来自船舶制造材料的生产过程。

多指标环境权衡分析揭示复杂影响机制。在酸化和臭氧消耗类别，液氢和甲醇船舶表现优于HFO基准，但液氨船舶因NH₃逃逸和制氨过程NO_x排放，酸化潜力反而增加。淡水和海洋富营养化影响主要来自可再生能源设备（光伏板、风机）生产中的磷酸盐排放，导致氢基船舶比HFO船舶高1.2-2.3倍。特别在人体毒性（癌症效应）方面，甲醇船舶因运行中甲醛排放位居首位，而液氢/液氨船舶的不锈钢储罐制造过程产生的铬排放同样推高毒性影响。

研究结论强调，氢基燃料要实现航运深度脱碳需满足三重条件：一是优先发展电解水制氢技术路线，而非化石燃料加CCS；二是优化船舶运营模式，通过降低航速、增设中途补给站减少载重损失；三需协同推进材料技术创新，降低可再生能源设备生产中的重金属排放。该研究为IMO制定2050航运脱碳路线图提供了量化依据，指出单纯燃料替代不足以实现净零目标，必须构建覆盖能源供应-船舶设计-材料循环的全系统解决方案。