基于化学工艺模拟的替代船舶推进系统技术经济性与环境分析（Techno-economic and environmental analysis of alternative marine propulsion systems through chemical process modeling）

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Techno-economic and environmental analysis of alternative marine propulsion systems through chemical process modeling

　　

国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）温室气体（Greenhouse Gas, GHG）及大气污染物法规的快速收紧，加速了对低碳船舶推进系统的需求。然而现有研究通常仅关注替代燃料或单一推进技术，难以在考虑从燃料选取到船上利用全链条Well-to-Wake（WtW，油井到尾流/从油井到螺旋桨）及基于集成仿真的能源—经济—环境（3E, Energy-Economic-Environmental）分析前提下，对多种脱碳路径进行一致、系统的比较。研究人员开发了一种集成方法，结合Aspen Plus–Cantera发动机仿真、固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）系统建模、技术经济分析（Techno-economic Analysis, TEA）及生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA），对柴油、液化天然气（Liquefied Natural Gas, LNG）、甲醇、氨及氢推进系统进行了综合评价。结果表明：柴油发动机CO2当量排放量最高，而氨可减少高达94.2%的排放；TEA结果显示，基于氢的SOFC系统全生命周期成本最高，达1098百万美元（M），主要源于4.32/kg的高氢价，但当氢价降至1 $/kg时，该成本可降低达66.6%；LCA结果显示，灰氨和灰氢系统总GHG排放主要由Well-to-Tank（WtT，油井到储罐）上游天然气制氢过程主导，而绿氨和绿氢路径可使总GHG排放降低87%–91%。上述发现为选择经济可行且环境可持续的燃料—推进装置组合提供了定量指导。

本文解读发表于《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》的研究论文：Soyoung Kang, Jihyeon Son, Myoung-Soo Kim, Sanghun Lee. Techno-economic and environmental analysis of alternative marine propulsion systems through chemical process modeling.

一、研究背景与意义

国际海运约占全球CO₂排放的3%，占交通运输部门排放的11%。IMO制定了2050年净零排放目标，欧盟自2024年起将5000总吨以上船舶纳入EU ETS（欧盟排放交易体系），FuelEU Maritime法规要求到2050年船用燃料温室气体强度逐步降低80%。IMO引入碳强度指标（Carbon Intensity Indicator, CII）及基于全生命周期的GHG强度评估（Well-to-Tank＋Tank-to-Wake＝Well-to-Wake），采用IPCC第五次评估报告GWP值（CO₂＝1，CH₄＝28，N₂O＝265）折算为CO₂当量（CO₂eq）。MARPOL附则VI严格限制NO_x（Tier III要求较早期标准减排约80%）及SO_x（船用柴油全球硫限额0.5 wt%，排放控制区0.1 wt%）。替代燃料如LNG、甲醇、氨、氢被积极探讨，其中氨与氢在燃料电池（聚合物电解质膜燃料电池PEMFC、固体氧化物燃料电池SOFC）中可实现零或近零碳排放，但各燃料物化特性、存储要求及产业链成熟度差异大。

已有文献多孤立分析燃料、发动机或燃料电池技术，或仅做有限组合对比，技术经济分析（TEA）与生命周期评价（LCA）往往分开进行且缺乏基于统一工况仿真的系统性比较。为此，研究人员以统一建模条件对柴油、LNG、甲醇、氨、氢五种燃料匹配内燃机（Internal Combustion Engine, ICE）及SOFC推进系统开展集成3E（能量—经济—环境）评估，填补多路径一致比较的空白。

二、主要关键技术方法

研究人员选用主发动机功率21,320 kW的液化天然气运输船（LNG carrier）为参考船舶，假定稳定航行工况。采用Aspen Plus稳态流程模拟获取系统级质量与能量平衡，结合Cantera化学动力学模拟计算燃烧与排放产物。内燃机系统配套选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction, SCR）及脱硫洗涤器（scrubber）。SOFC系统针对氢及氨进行电化学模型构建。技术经济分析评估资本支出（Capital Expenditure, CAPEX）、运营支出（Operating Expenditure, OPEX）及20年全生命周期成本（Life Cycle Cost, LCC），并进行燃料价格与碳价敏感性及情景分析。生命周期评价采用SimaPro软件及全生命周期清单（Life Cycle Inventory, LCI）数据，量化Well-to-Wake范畴内GHG及其他环境影响类别。模型经实船发动机报告数据校验，绝对百分误差（Absolute Percent Error, APE）均在3%以内。

三、研究结果

System description（系统描述）

以21,320 kW主机的LNG carrier为基准船型，近似稳态海上工况用于不同燃料—推进系统对比分析。

Model validation（模型验证）

发动机输出功率、排气温度及流量与厂家报告对比，APE均<3%，证实Aspen Plus–Cantera耦合模型可靠性。

Exhaust gas after treatment equipment application（尾气后处理装置应用）

柴油、甲醇、氨发动机加装SCR脱除NO_x；柴油船通过使用低硫燃油或洗涤器降低SO_x。经SCR处理后三种发动机尾气组分汇总给出。

Limitations（局限性）

未对LNG发动机甲烷逃逸（methane slip）做高分辨率敏感性分析；氢气运输排放按化学品船载货量比例估算，未完全考虑高压/低温储运能耗。

Conclusions（结论，译自原文）

本研究针对IMO日趋严格的GHG减排法规，对基于柴油、甲醇、LNG、氨及氢的船舶推进系统进行了集成比较与评价。Aspen Plus–Cantera建模结果显示，发动机排放顺序为柴油＞甲醇＞LNG＞氨，SO_x排放与各燃料硫含量成正比。TEA中氢基SOFC系统显示最高LCC（1098 M），主要受氢燃料高价（4.32/kg）驱动，若氢价降至1 $/kg可降本达66.6%。LCA表明灰氨与灰氢系统总GHG排放由WtT阶段天然气制氢上游过程主导，而绿氨与绿氢路径可减排87%–91%。氨内燃机可减CO₂eq排放达94.2%。研究结果为船用低/零碳燃料—推进配置的经济可行与环境可持续选择提供定量依据。

四、讨论总结

研究人员指出，传统柴油ICE排放最高且受NO_x/SO_x法规压力最大；LNG可降碳但存在未量化甲烷逃逸隐患；甲醇液态易储但燃烧仍产CO₂；氨无碳但具毒性与低火焰速度挑战，需SCR处理可能的未燃氨与NO_x；氢SOFC效率高且无TtW排放，当前受限于燃料成本与储供链。WtT排放对电制燃料（绿氨/绿氢）占比小、对化石路线占比大，凸显上游制氢路径对全生命周期脱碳的关键作用。敏感性分析揭示氢价与未来碳价是左右氢SOFC商业化的核心变量。研究局限含LNG甲烷逃逸及氢运输能耗简化假设，建议后续细化。总体而言，该研究通过统一仿真框架实现多燃料多推进形式的3E横向比对，可为航运业燃料选型、船东投资决策及政策制定者制定FuelEU Maritime等法规下的合规路径提供量化支撑。