综述：海运脱碳燃料的技术瓶颈

《Journal of Marine Science and Engineering》：Technological Bottlenecks in Fuels for Maritime Decarbonization Renata Costa

　　

海运脱碳已从长期愿景转变为面临近期合规压力的工程和系统集成问题。国际监管机构、政府和广泛的私营部门联盟将从2028年起收紧温室气体燃料排放标准，将气候目标转化为可执行的代价信号，并加速了对替代燃料和改装路径的关注。本综述通过绘制主要候选路径（生物燃料、LNG/生物LNG、氢气、氨、电制甲醇和电气化）的井到尾（WtW）价值链中技术瓶颈集中的位置，综合了海运脱碳的最新技术水平（SoA），并使用统一框架对这些路径进行基准比较，旨在比较其在海运操作约束下的可实现井到尾温室气体减排潜力。基于该比较视角，本研究旨在将路径成熟度与近期市场和监管现实联系起来，同时替代燃料适用船队预计将迅速扩大，造成结构性能力与供应缺口，例如船舶准备程度可能超过低温室气体燃料可用性和加注推广速度。合并的证据表明，近期减排将以可扩展的即用型生物燃料为主，而深海选项（氨/氢气和电制燃料）仍受上游低温室气体生产、港口基础设施和安全/监管成熟度的限制。然而，中期部署低温室气体燃料可作为系统“安全阀”，在零碳燃料供应链扩大规模的同时减少基础设施锁定并加速减排。

1. 1.
   引言
   海运脱碳挑战已不再是是否超越石油，而是该行业能在不损害安全性、可靠性和全球贸易的前提下，以多快的速度部署技术和商业上可行的替代品。国际海事组织（IMO）2023年温室气体战略收紧了轨迹，要求到2030年至少减少20%（力争30%）的总温室气体排放，到2040年至少减少70%（力争80%），以期在2050年左右实现净零排放。在此背景下，低温室气体燃料的开发、大规模生产和安全部署已成为实现严格减排里程碑的核心杠杆。文献广泛聚焦于四个约束集：能源载体和船上转换、系统安全和操作性、真实气候性能以及桥梁和残余排放选项。本综述旨在审视过去五年的最新技术水平，重点关注液体生物燃料、LNG/生物LNG、氢气、氨、电制甲醇以及电气化和能源存储等路径，探讨每种选项遇到的能量密度和存储惩罚、转换和合成损失、安全和排放控制、加注与港口电力限制、生命周期温室气体变异性以及改装可行性等技术瓶颈。
2. 2.
   方法论
   本综述采用结构化叙述设计，识别并比较领先可持续能源路径在井到尾价值链中的技术瓶颈。方法学工作流包括定义范围和问题、针对性文献检索和筛选、标准化数据提取和分类，以及使用统一跨路径框架进行比较综合。综述针对远洋和短途海运，评估液体生物燃料、LNG/生物LNG、氢气、氨、电制甲醇和电气化。研究问题（RQ）聚焦于：RQ1沿每个路径的WtW价值链哪里集中了技术瓶颈；RQ2路径在生命周期气候性能、成熟度、安全/排放控制、基础设施需求和可扩展性方面如何比较；RQ3并排评估时出现的跨领域促成因素和研究空白。检索策略结合学术数据库和灰色文献，提取关键性能指标并分组为常见瓶颈类别。综合框架从特定路径合成开始，然后应用六维决策维度基准比较，包括指示性WtW温室气体性能、本地污染物和未规范排放、技术成熟度和耐久性、安全性和监管成熟度、港口和基础设施要求以及在原料和可再生电力约束下的可扩展性。
3. 3.
   结果
   3.1. 生物燃料
   近年来，海运脱碳最相关的生物燃料集中在FAME生物柴油、氢化植物油（HVO）和作为醇类路径的生物甲醇。这些选项被反复定位为近期温室气体强度降低的最快部署杠杆，因为它们可利用现有液体燃料物流和许多现有发动机，但最终贡献受限于原料可持续性、可追溯性和生命周期核算不确定性。生物LNG虽属生物基，但因其进入甲烷燃料链并与LNG共享主要瓶颈，将在第3.2节单独讨论。
   3.1.1. FAME生物柴油
   FAME在海洋压缩点火应用中作为舱内混合成分，其可行性取决于管理兼容性、稳定性和船上燃料处理约束。文献对操作上有吸引力的混合窗口（通常B5-B30）、最关键故障模式（沉淀、氧化稳定性、水亲和力和微生物风险）以及决定混合表现的系统敏感性进行了具体说明。发动机研究从通用声明转向海洋相关架构和负载循环，表明FAME不是单一生命周期气候结果，其环境结论高度依赖于原料路径。废物或残渣衍生FAME可提供有意义的近期温室气体减排，而作物基FAME因土地使用效应可能抵消优势。
   3.1.2. 可再生柴油氢化植物油（HVO）
   HVO被定位为海洋柴油用途最高质量的即用型生物液体，在技术层面简单，但在环境和经济层面取决于供应链。从生命周期角度看，HVO不应视为单一气候性能值，其表现对脂质原料来源、加氢处理所用能源和氢气来源以及土地用途和分配效应高度敏感。HVO的高十六烷值和低芳烃含量促进更完全燃烧，抑制烟尘和黑碳形成。然而，真正的瓶颈在上游，即可持续原料可用性、可审计性和升级过程中氢气及工艺能源的碳强度。
   3.1.3. 生物甲醇
   生物甲醇作为过渡兼容液体生物燃料，在存储和加注中表现如常规液体，与快速发展的甲醇发动机生态系统一致，其气候价值在 upstream 碳为真正生物基且可持续采购时可非常高。技术文献强调甲醇可减少SO_x和PM/烟尘，但引入未规范物种如未燃甲醇和甲醛，需要氧化催化剂和校准策略缓解。长期作用受限于可持续原料可用性和治理，除非认证和生命周期核算足够稳健以避免纸面脱碳。

3.2. 甲烷基液化燃料：LNG和生物LNG

生物LNG在原料来源上为生物基，但从海运技术角度与LNG共享决定性瓶颈：低温存储、BOG管理、加注物流、发动机平台依赖、甲烷逃逸和甲烷氧化控制。天然气路径始于开采和气体处理，生物路径始于生物质厌氧消化产生沼气后升级。一旦升级和液化，两者成为化学上可互换的甲烷分子，差异仅在于痕量杂质和上游碳核算。低温热力学支配存储和转移，BOG是热力学必然。发动机研究显示低压双燃料概念甲烷逃逸较高，高压直喷架构则大幅降低。后处理突破包括专为贫燃、潮湿海洋排气设计的甲烷氧化催化剂，转化率超90%。生物LNG的生命周期效益取决于可持续生产的沼气并严格控制上游排放。

3.3. 氢气作为能源载体

氢气作为多功能能源载体，其可行性由从一次能源输入到船上使用的紧密耦合链塑造。上游生产、调节、运输、存储和最终使用性能共同决定成本和气候价值。电解槽利用率、电力碳强度和水的纯度主导绿色氢成本。船上存储面临体积密度瓶颈：压缩H₂严重惩罚罐体积，液氢（LH₂）改善密度但带来低温复杂性、BOG管理和绝缘质量/空间惩罚。比较显示LH₂体积密度约70.8–71.0 kg/m³，高于700 bar压缩氢的39–40 kg/m³，但液化能耗达11.9–15 kWh/kg。转换路径中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）因高功率密度和快速瞬态主导早期部署，但耐久性受海洋循环影响；固体氧化物燃料电池（SOFC）提供高效率但热循环限制。氢气内燃机（H₂-ICE）利用现有平台，但制动热效率和后处理鲁棒性需验证。港口基础设施面临材料兼容性、危险区域分类和标准协调等障碍。

3.4. 氨

绿氨由可再生电力生产，是无碳燃料和氢载体，但船上安全、燃烧/排放控制和港口集成是决定性的瓶颈。上游生产包括Haber-Bosch工艺与电解氢结合，以及电化学氮还原（e-NRR）、等离子体辅助合成等多种新兴路径。燃烧研究一致发现氨自燃性差，需点火增强或混合燃料，否则易升高NO_x和形成N₂O。部分H₂富集和预燃室点火可稳定燃烧。船上存储因毒性、腐蚀性和材料兼容性要求严格隔离和通风。动力转换中，PEMFC不能直接耐受纯氨，需裂解过程；SOFC可直接利用氨衍生氢。生命周期评估表明氨的气候效益取决于可再生电力合成和严格的NO_x/N₂O/NH₃控制。加注和港口接口需要分层屏障方法，包括泄漏预防、检测、通风和紧急程序，因为氨安全由急性毒性和潜在释放主导。

3.5. 电制甲醇

电制甲醇由捕获CO₂和可再生电力电解氢合成。其吸引力在于常温液态、兼容常规燃料系统且支持成熟双燃料发动机平台。主要船上惩罚是较低体积能量密度，需增加罐体积，以及材料兼容性要求（如不锈钢或合适碳钢）。发动机测试显示SO_x和颗粒物大幅减少，但需注意未燃甲醇和甲醛等未规范排放，需后处理。从井到尾角度看，其气候效益依赖于电解/合成电力的碳强度和CO₂来源（生物基或直接空气捕获）。港口接口相对容易，但安全案例必须解决易燃性和密封材料兼容性。近期研究聚焦改进催化路线、反应器设计和甲醛监测制度，以推动电制甲醇在深海领域主流化。

3.6. 电气化和能源存储

电池在短途海运中已具竞争力，其成功取决于路线能量学、船舶集成和港口/电网耦合。对于电池电动船舶，往返能量预算决定可行性，而港口高功率充电可用性常成为限制。船舶集成强调电池作为综合电力系统一部分，通过削峰填谷、旋转储备和优化发电机组负载提供价值。安全方面，锂离子电池热失控及其气体释放构成主要风险，需要故障容忍布局和专门通风。案例研究（如赫尔辛基-塔林RoPax渡轮概念）表明，即使电池技术成熟，可行性仍取决于兆瓦级充电和电网容量。电池混合架构在许多船型中作为近期的跨领域促成因素，改善发动机/燃料电池运行状况并吸收瞬态。

1. 4.
   跨路径比较和批判性讨论
   本节通过结构化比较表综合六种路径组，揭示实际可实现温室气体减排而非理论潜力。近期最可信减排来自废物衍生生物燃料和短途电气化；LNG/生物LNG处于过渡位置，气候性能对甲烷逃逸极度敏感；氢、氨和电制甲醇具高长期潜力但受上游电力和基础设施限制。关键结论是燃料路径排名应基于理论减排与可实现减排之间的差距。分析揭示三个跨领域瓶颈：所有路径气候性能对上游电力的敏感性、非CO₂物种的安全和排放控制未充分纳入法规、港口和电网基础设施滞后于船上技术。证据支持投资组合和时间序列过渡：近期优先即用型生物燃料和短途电气化，中期甲醇和LNG/生物LNG作为过渡，长期氢和氨用于深海脱碳，前提是获得充足低温室气体电力和专用加注系统。此外，低速二冲程推进发动机正转向高压直喷和混合控制燃烧，避免了预混燃料瓶颈，将挑战转移到燃料系统架构和NO_x管理。
2. 5.
   试点项目
   MF Hydra项目作为首个使用LH₂的渡轮，展示了基础设施作为瓶颈：绿色LH₂从德国生产并通过卡车交付，加注频率约三周一次，凸显早期氢能航运依赖临时分配方案。HySeas III项目在奥克尼群岛示范岛屿级氢供应链，将可再生电力、电解、存储、加注和船舶操作整合为系统，表明基础设施规模决定部署步伐。氨加注试点则集中于风险量化框架、安全区和定量风险评估，为港口运营规则奠定基石。电池电动渡轮案例同样证明，兆瓦级充电和电网连接是比电池本身更关键的制约因素。
3. 6.
   结论
   海运脱碳已从燃料选择辩论明确转向整个WtW价值链的瓶颈映射问题。文献支持投资组合逻辑而非单一主导路径。近期可实现减排以可扩展即用型生物燃料和路线受限的电气化为首；长期深度减排潜力在于氢、氨和电制燃料，但受上游低温室气体生产规模和港口基础设施限制。船舶准备程度可能超过燃料和基础设施准备程度，造成结构性能力-供应缺口。跨领域瓶颈包括上游假设对气候性能的强烈影响、非CO₂排放和安全监管不完善、港口和电网作为实际限速步骤。解决方案在于跨燃料促成措施：测量/核查和后处理架构、综合船-港-电网规划以及燃料不可知的风险知情方法。