综述：海事去化石燃料化综述：关于法规、能源效率、替代燃料和技术

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Review of maritime defossilisation regarding regulation, energy efficiency, alternative fuels, and technologies

　　

国际海事组织（IMO）已制定了一项战略，旨在使航运部门到2050年实现净零温室气体（net-zero GHG）排放。随着持续研究不断评估新技术和能源，它们的潜力、有效性、成本和挑战逐年演变。研究人员对现有研究和过往努力进行全面综述，可为海事部门的未来研究提供坚实基础。本综述更新了海事去化石燃料化（maritime defossilisation）的研究现状，重点关注有前景的替代燃料、推进系统及其相关挑战和成本范围，以及监管框架、能源效率和减排措施。它还识别了现有技术经济（techno-economic）文献中的空白，特别是在尚未充分解决的成本要素方面。研究人员从系统角度分析了海事部门的能源转型，并评估了克服瓶颈的潜在解决方案。研究结果表明，长期来看，电制氨（e-ammonia）被普遍认为是最有前景的替代燃料，液化天然气（LNG）可能发挥过渡作用，而生物燃料由于供应潜力有限，角色较为有限。过去十年间，对船用燃料的研究兴趣已从化石燃料转向氨、氢和甲醇等替代燃料。这些燃料在2020-2024年间共占所有以燃料为重点研究的约40%。该综述强调，扩大新能源和技术规模仍是海事能源转型的主要瓶颈，碳定价和税收可以促进向去化石燃料化航运部门的转变。

1. Introduction
本部分阐述了海事部门在全球贸易中的关键作用，以及其温室气体（GHG）排放占总排放2-3%的现状。国际海事组织（IMO）设定了到2050年实现净零排放的目标，但若不干预，排放可能增加150-250%。研究指出，航运作为难以减排的行业，需要绿色、高能量密度的替代燃料，如电制氨（e-ammonia）、电制甲醇（e-methanol）等。此外，现有技术经济文献常忽略空气污染成本和有效载荷损失成本，本研究旨在提供关于法规、替代燃料、推进系统和能效措施的全面综述。

2. Method
研究采用结构化文献检索策略，利用Scopus、Web of Science和Google Scholar数据库，结合“去化石燃料化（defossilisation）”、“替代燃料”等关键词。筛选标准包括聚焦全球海运、2010年后发表、英文等，最终纳入190篇文献，其中100篇用于数据提取。进行了定性和定量分析，包括文献计量学趋势分析。

3. Policy instruments
3.1 The role of the IMO and current targets
IMO通过MARPOL公约及其附则VI制定了排放限制历史。NO_x排放通过Tier标准分级，SO_x通过全球和排放控制区（ECA）硫含量上限控制。能效设计指数（EEDI）、船舶能效管理计划（SEEMP）和能效运营指标（EEOI）等技术指标被引入。2023年IMO更新策略，目标2050年净零排放，2030年CO₂强度降低40%，并采用5%零排放燃料。
3.1.2 Market-based mechanisms
讨论了基于市场的机制（MBMs），包括价格控制（碳税）、数量控制（排放交易系统ETS）和补贴。EU ETS于2024年将航运纳入，覆盖所有5000总吨以上船舶的CO₂排放。
3.1.3 Emission control areas
列出了四个主要ECA：北美、加勒比、波罗的海和北海。2024年新增挪威海和加拿大北极水域，地中海将于2025年成为SO_x和PM的ECA。这些区域要求更严格的NO_x和硫排放限制。
3.2 European Union policies for the maritime sector
欧盟通过EU ETS、MRV法规和FuelEU Maritime法规（2023年）推进航运去碳化，目标到2050年减少90%排放。然而，全球法规存在执行挑战，如EEDI漏洞和全球碳定价缺失，区域政策虽补充但导致碎片化。

4. Alternative fuels
4.1 Hydrogen
绿色氢可减少79.9%的WTW排放，但储存困难（低能量密度、高压或低温），主要用于短途航运。质子交换膜燃料电池（PEMFC）效率约55%，但成本高。安全风险包括泄漏和爆炸。
4.2 Ammonia
氨被视为最有前景的长期燃料，可减少83.7-92.1%的GHG排放。它可用于内燃机（ICE）或固体氧化物燃料电池（SOFC），但NO_x和N₂O排放及毒性是挑战。已有运输基础设施，但产量不足。
4.3 Liquefied natural gas (LNG)
LNG是目前最成熟的替代燃料，可减少SO_x和NO_x，但GHG减排仅12-20%，甲烷滑移问题突出。主要用于双燃料发动机，被视为过渡燃料。
4.4 Methanol
甲醇可减少25% CO₂和60% NO_x，存储方便，与现有基础设施兼容。生物甲醇和电制甲醇（e-methanol）是短期中期选项，但GHG减排潜力有限。
4.5 Diesel
电制柴油（e-diesel）和生物柴油可大幅减排，但生产成本高，技术成熟度较低。e-diesel与现有柴油基础设施兼容。
4.6 Comparison of alternative fuels
通过表格比较了电制燃料的技术成熟度、排放、安全性和基础设施。电制氨（e-ammonia）在可扩展性方面最突出，而电制碳氢燃料受CO₂供应限制。
4.7 Analysis of techno-economic studies in finding promising fuels
分析了多项技术经济研究，发现约50%的研究忽略了有效载荷损失成本，仅5%涉及空气污染成本。多数研究指出电制氨和电制甲醇是最低成本选项，但假设差异大，尤其是燃料电池的资本支出（capex）和效率。

5. Power and propulsion systems
5.1 Propulsion systems
5.1.1 Internal combustion engines (ICE)
ICE效率40-50%，二冲程发动机主导大型船舶，双燃料（DF）发动机提供燃料灵活性。甲烷滑移是LNG DF发动机的问题。
5.1.2 Fuel cell propulsion
燃料电池（FC）包括PEMFC（效率45-60%）和SOFC（效率55-80%），后者可回收余热。PEMFC需纯氢，SOFC可用氨或甲醇，但成本高、寿命短。应用受限于功率范围和存储能力。
5.1.3 Battery-electric propulsion
电池电动推进效率高达90%，但能量密度低，仅适合短途渡轮和近海航运。锂离子电池成本影响经济性。
5.1.4 Propulsion systems' maturity
ICE处于技术就绪水平（TRL）9，PEMFC和SOFC为TRL 5-7，电池电动为TRL 8（短途）。
5.2 Power system configurations
机械推进效率高但机动性差，电力推进灵活但损失5-15%效率，混合推进（ICE+FC或电池）提供更高灵活性但成本增加。未来混合系统预计成为主流。

6. Efficiency improvement measures and emission reduction systems
6.1 Energy efficiency improvement measures
技术措施包括废热回收（WHRS）提高效率5-20%、船体优化、空气润滑等。运营措施如慢速航行可减排60%，但影响利润。辅助动力如风帆辅助和冷铁可减少港口排放。
6.2 After-treatment systems
选择性催化还原（SCR）可减少95% NO_x，废气洗涤器（scrubber）可减少90-95% SO_x，碳捕集（CC）可捕集90% CO₂但成本高。这些系统适用于短期减排。

7. Future projections
7.1 Future fuel mix and propulsion system projection
多种情景预测：短期LNG过渡，中期甲醇和生物燃料，长期氨主导。双燃料发动机和混合系统提供灵活性。现有船队寿命长，需考虑改造和兼容燃料。成本不确定性强。
7.2 Analysing the maritime transition from a systemic view
转型分为三个阶段：涌现（已完成，如法规和试点）、扩散（面临基础设施和燃料供应瓶颈）、影响（需要碳定价和补贴加速）。政策支持和行业协作（如ZEMBA）是关键。
7.3 Competing sectors or cooperating sectors
航运与航空、化工竞争可再生燃料，需优先级分配和部门耦合，以优化资源利用。

8. Conclusion
本研究综述表明，没有单一燃料或技术能独立实现去碳化，需结合法规、市场机制、替代燃料和能效措施。电制氨（e-ammonia）是最有前景的长期燃料，液化天然气（LNG）为过渡。未来研究应统一成本模型，纳入空气污染等外部性，并优化船-燃料-航线组合。及时有效的短期措施对实现中期目标至关重要。