基于化学吸收法的船载碳捕集与封存的技术经济与环境影响评估

《Ocean Engineering》：Techno-economic and environmental impact assessment of chemical absorption based shipboard carbon capture and storage

　　

船载碳捕集与封存（SCCS）作为海事脱碳的可行改造方案，其环境和技术经济性能尚待充分量化。本研究将生命周期评价（LCA）与生命周期成本（LCC）相结合，评估了SCCS在四种燃料配置下的表现，包括超低硫燃料油（VLSFO）、船用柴油（MGO）、液化天然气（LNG）和甲醇（MeOH），分别分析有无碳捕集的情况。燃料系统边界遵循国际海事组织（IMO）指南。SCCS边界涵盖燃烧后单乙醇胺（MEA）吸收、压缩/液化和船上液态CO₂储存；包含一次性制造/运输/安装和定期维护，不包括港口卸载以及下游运输、储存或利用。为增强普适性，研究采用保守设定，假设燃烧后单乙醇胺用量为1.5 kg/t CO₂，捕集效率58%，能耗3.7 GJ/t CO₂，使用寿命30年，维护周期5年。在此设定下，安装SCCS后，考虑SCCS自身排放8.5–9.2%的影响，所有燃料的井到桨（WtP）温室气体排放降低48.8–49.5%。这些净减排量通过政策一致性支持技术可行性，代表性集装箱船、散货船和油轮的能效现有船舶指数（EEXI）降低，碳强度指标（CII）改善最多两个等级。MGO配SCCS可达到与甲醇相当的脱碳效果，因此经济比较聚焦于这两种路径。30年内，MGO配SCCS成本低7.1%，燃料价格是主要驱动因素。概率分析表明，MGO配SCCS在69.8%的情况下为更低成本选项。总体而言，在所述边界内，研究结果证明了SCCS对船舶脱碳的重要意义和有效性。

本研究发表于《Ocean Engineering》，旨在通过整合生命周期评价（LCA）与生命周期成本（LCC）方法，系统评估基于化学吸收法的船载碳捕集与封存（SCCS）技术在海事脱碳中的环境、技术及经济可行性。

研究背景与问题：随着全球贸易扩张，海运业温室气体排放持续增长，气候变化压力加剧。国际海事组织（IMO）设定了到2030年较2008年减排至少20%、力争30%的目标。实现该目标需综合采用替代燃料转换、运营优化及碳捕集技术等策略。SCCS作为可直接安装于现有船舶的改造技术，能在不改变船舶运营的情况下直接降低排放，相比需要大规模改造燃料储存、供给系统及发动机配置的替代燃料策略，以及可能影响运营效率和准班率的航速优化措施，具有独特优势。然而，SCCS的环境影响和技术经济性能尚缺乏充分量化，且现有研究多从单一维度评估，缺乏将监管合规性、环境生命周期影响和长期成本整合于统一边界和报告基础上的系统研究。此外，SCCS与燃料转换路径之间的对比研究在一致基础上仍较匮乏。为此，研究人员开展了此项研究。

关键技术方法：研究采用四种代表性船用燃料（VLSFO、MGO、LNG、MeOH）和三种典型船型（集装箱船、散货船、油轮）作为案例。环境评估方面，采用全球变暖潜势（GWP₂₀和GWP₁₀₀）指标，遵循IMO指南的井到桨（WtP）边界进行LCA分析。SCCS系统边界限定于设备制造运输安装、船上CO₂捕集和储存，排除下游卸载、运输和地质封存等环节。技术可行性评估通过计算EEXI和CII实现，以2024–2030年为评估窗口、2030年为决策年份。经济可行性评估采用LCC框架，将SCCS改造与替代燃料转换路径进行对比，并通过概率敏感性分析处理不确定性。所有结果均以单位推进功（USD/kWh）为功能单位报告，确保跨方法可比性。

研究结果：

温室气体排放分析：集装箱船案例的LCA结果显示，安装SCCS后所有燃料的温室气体排放均显著降低。在GWP₁₀₀基准下，MGO从537.6降至275.2 g CO_2eq/kWh，VLSFO从537.6降至274.3 g CO_2eq/kWh，LNG从425.6降至218.0 g CO_2eq/kWh，天然气基MeOH从551.2降至283.1 g CO_2eq/kWh。SCCS系统自身排放仅占捕集后总量的8.5–9.2%，其中运营能耗贡献超过90%，而钢材制造（0.02 g CO_2eq/kWh）和维护涂层（0.01 g CO_2eq/kWh）影响甚微。在保守设定（58%捕集效率、3.7 GJ/t CO₂能耗）下，SCCS仍可实现48.8–49.5%的WtP温室气体减排。

技术可行性—EEXI分析：SCCS对所有考察船型的EEXI合规均产生显著改善。集装箱船使用VLSFO时，EEXI从14.05降至10.81（要求值12.86）；使用MGO时从13.88降至10.53。散货船使用VLSFO时，EEXI从9.50降至6.59（要求值8.23）；使用MGO时从9.21降至6.15。油轮使用VLSFO时，EEXI从8.53降至6.27（要求值7.29）；使用MGO时从8.17降至6.03。LNG和MeOH配SCCS后同样达到或超过合规要求，SCCS将传统燃料案例从临近不合规状态转变为明确合规，并创造合规裕度。

技术可行性—CII分析：SCCS在CII评级中同样表现出显著改善效果，且能提供随要求收紧而持续的合规缓冲。集装箱船使用VLSFO和MGO时，无SCCS为C或D评级，安装后改善至B评级，并在后续年份维持C级或以上。散货船和油轮使用VLSFO和MGO时，无SCCS接近或处于D评级边界，安装后提升至B评级并至少维持至C级直到2030年。LNG配SCCS可达A评级，MeOH配SCCS同样从C级升至A级。SCCS使传统燃料案例在逐步严格的CII要求下保持可接受的评级表现。

经济可行性：研究对比了MGO配SCCS与MeOH改装两种路径的LCC。MGO配SCCS的平均平准化成本为0.078 USD/kWh，MeOH改装为0.084 USD/kWh，前者低7.1%。SCCS的额外成本中，与能耗惩罚相关的燃料成本占84.4%，资本支出摊销仅占3.6%，溶剂补充占6.3%，维护占0.1%。MeOH路径中燃料支出占LCC的98.6%，改装成本占1.4%。敏感性分析显示，燃料价格对ΔLCC影响最大：MGO价格±20%变化使ΔLCC变动约±0.015 USD/kWh，MeOH价格±20%变化使ΔLCC反向变动约±0.017 USD/kWh；资本项目影响较小，运营参数影响可忽略。概率分析中，ΔLCC均值为?0.0058 USD/kWh，标准差0.0114 USD/kWh，MGO配SCCS在69.8%的情景中为更低成本选项。

讨论与局限：研究明确指出边界设定的重要性。SCCS系统排放由运营能量主导，一次性制造和定期维护影响较小。EEXI和CII反映船侧碳强度而非上游生产排放，其解读与生命周期结果存在差异。经济比较中，能源标准化燃料价格是主要驱动因素。研究局限性包括：边界止于船上储存，未含下游处理；布置层面影响未针对特定船型优化；替代燃料改装成本采用文献报告的通用系数而非船厂特定报价；运营可变性以年度能耗表示而非时间解析剖面。这些选择使结论聚焦于保守输入下捕集、压缩/液化和船上储存的环境影响、技术可行性和经济可行性。

研究结论：本研究整合LCA、EEXI、CII和LCC评估SCCS作为船舶脱碳技术的性能。环境分析表明，安装SCCS使WtP温室气体排放降低48.8–49.5%，SCCS自身排放占8.5–9.2%。技术可行性分析显示EEXI降低、CII评级改善，表明监管合规性增强，传统燃料案例安装后合规裕度可持续至2030年。经济可行性比较中，MGO配SCCS的平均平准化成本（0.078 USD/kWh）低于MeOH改装（0.084 USD/kWh），概率优势为69.8%。研究为船载脱碳技术评估提供了可复制的综合框架，支持基于证据的投资和政策决策。长期价值在于为SCCS改造与燃料转换策略之间的一致比较提供基础，并可通过更新燃料路径、捕集技术进步和监管目标收紧进行迭代评估。