氨作为船用燃料的技术经济评估：包括双燃料运行及合规成本考量

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Techno-economic assessment of ammonia as a marine fuel: Incorporating dual-fuel operation and regulatory compliance costs

　　郑浩进|崔坤宇|金基珍韩国海事研究院海洋政策研究部，韩国釜山永都区海阳路301街26号，邮编49111摘要氨作为一种零碳替代燃料，在海运领域越来越受到关注；然而，现有研究很少考虑氨发动机的双燃料特性或传统船舶的改造方案。本研究提出了一种新的技术经济框架，将双燃料策略、改造方案以及监管处罚成本纳入总拥有成本和温室气体排放分析中。研究结果表明，在燃料价格较高的情况下，双燃料运行可显著降低氨动力船舶的总拥有成本，而传统柴油动力船舶由于需承担高额监管处罚，其总拥有成本最高。液化天然气在成本上介于柴油和氨之间。与新建氨动力船舶相比，改造方案会使总拥有成本略有上升。从环境角度来看，双燃料运行限制了所有燃料方案的温室气体减排潜力，其中生物柴油和氨的减排效果更为明显。敏感性分析表明，能效和柴油价格是所有场景中最具影响力的参数。本研究通过纳入燃料混合策略、改造方案及监管处罚框架，提升了传统的总拥有成本分析方法，为评估氨动力船舶的经济可行性提供了可借鉴的方法论。这些研究结果为监管机构和船东提供了量化依据，有助于准确估算船舶运营的真实成本，并为制定有效的海运脱碳气候政策提供参考。引言自国际海事组织于2018年提出首个温室气体减排战略以来，一系列监管措施相继出台，以减少国际航运的碳排放。早期的监管措施主要集中在提高技术和运营效率的短期举措上。但随着2023年修订后的国际海事组织战略的出台，海运行业现在致力于在2050年前实现净零排放。因此，近期实施及即将出台的法规，尤其是FuelEU Maritime和国际海事组织的中期措施，直接针对船用燃料的温室气体强度，从而加速从化石燃料向替代燃料的转型。迄今为止，液化天然气已被广泛用作过渡燃料。截至2025年底，全球范围内使用替代燃料的船舶中约有82%采用液化天然气作为燃料，而正在建造的船舶中也有约62%预计将使用液化天然气作为燃料。不过，液化天然气的碳减排潜力仍然有限，相比传统船用燃料，其仅能减少约23%的二氧化碳排放量。此外，液化天然气推进系统容易发生甲烷泄漏，这大大降低了其整体环境效益。最新的全球气候政策不仅管控二氧化碳，还涵盖其他主要温室气体，包括甲烷和一氧化二氮。FuelEU Maritime和国际海事组织的中期措施均考虑了这些气体的排放问题，欧盟排放交易体系也将于2026年起将甲烷和一氧化二氮纳入管控范围。因此，海运行业需要更清洁的替代燃料来实现深度脱碳。在此背景下，氨和氢作为实现2050年净零排放的长期零排放燃料选项，越来越受到重视。氢通常被视为最理想的清洁船用燃料，但目前其在海运领域的应用仍存在技术和操作上的挑战。相比之下，氨已在化工和化肥行业中得到广泛应用，且具备完善的储存和运输基础设施。此外，鉴于氨在未来能源体系中可能作为氢的载体，其大规模生产有望大幅增加。基于此背景，自2022年起，船东们开始订购氨动力船舶。目前已有许多在实际运行条件下对氨双燃料发动机进行的测试，而且关于氨燃料加注的试验也在不断有报道。首艘商用氨动力船舶预计将于2026年交付。截至2025年12月，共有45艘氨动力船舶正在建造中，其中包括11艘散货船、4艘油轮和4艘汽车运输船。为推动氨作为船用燃料的广泛应用，已有许多相关研究开展。由于氨动力技术仍处于商业化应用的早期阶段，大多数现有研究主要聚焦于其技术发展及环境影响。还有一些研究从发动机技术、安全性、储存及成本等多个方面探讨了氨作为船用燃料的适用性，旨在评估其商业化部署的可行性。例如，Doosti等人认为，氨的燃烧特性较差，无法单独用于内燃机，必须与氢或柴油混合使用，这凸显出进一步研究的必要性。Zhang等人则评估了多种替代燃料，指出氨具有零碳燃烧潜力且生产基础设施完善，但其高毒性、不完善的加注设施以及有限的船舶采用率是短期内难以推广的主要障碍。在诸多障碍中，高昂的氨成本仍是其广泛应用的最大阻碍，这一点在行业报告和学术研究中都有所体现。尽管已有不少研究探讨绿色氨生产的经济可行性，但针对氨动力船舶，尤其是大型商业船舶的经济性研究仍然较少。例如，Sontakke等人评估了包括生物燃料、液化天然气、甲醇、氨和氢在内的多种替代燃料以及节能技术在欧盟排放交易体系和FuelEU Maritime合规成本背景下的技术经济可行性，认为氨可能是最具成本效益的燃料选项之一。Schreuder等人从发动机效率和燃料价格角度分析了氨动力系统的经济可行性，指出了氨存在的显著经济劣势，并认为需要较低的燃料价格或更为严格的碳定价才能使其具有竞争力。Tripathi等人则从生命周期成本和排放角度，重点研究了氨的生产路径，发现虽然基于可再生能源的氨能够实现大幅度的温室气体减排，但由于生产成本过高，其在经济上仍不具备竞争力。尽管关于氨动力船舶的技术、环境和经济研究日益增多，但许多现有研究仍将氨视为几种可能的燃料选项之一。此外，现有分析大多未明确考虑氨双燃料发动机的运行特性。实际上，船东会出于多种考虑来选择燃料组合，包括优化发动机性能、节省成本、满足监管要求以及应对燃料供应限制。然而，大多数研究假设100%使用氨作为燃料，这往往会导致总成本被高估，进而削弱氨的经济可行性。此外，全球范围内约有20%的正在建造的船舶被设计为可适配替代燃料推进系统，以便未来更换为首选燃料。虽然在燃料供应条件有利且气候政策更为严格的背景下，这类船舶的改造为替代燃料推进系统提供的可能性会增加，但其经济可行性在相关研究中却鲜有涉及。本研究的目的是评估氨作为船用燃料的经济可行性和环境性能。为此，研究人员开发了一种改进的总拥有成本模型，该模型考虑了燃料混合策略、监管处罚成本以及改造方案。具体而言，本研究以一艘在沙特阿拉伯与荷兰之间航行的Aframax型产品油轮为案例，比较了新建和改造后的氨动力船舶与柴油动力、生物柴油动力及液化天然气动力船舶的性能。该分析涵盖了总拥有成本和温室气体排放的全面评估，共设置了五种基于燃料类型和改造方案的情景。为评估关键参数的影响，还进行了敏感性分析，考察了燃料价格、排放许可价格、引航燃料比例以及能效等方面的变化。本研究的主要贡献在于采用了跨学科的研究方法，综合考虑了替代船用燃料的技术环境特性、经济建模以及海运领域的专业知识。首先，据作者所知，这是首批将双燃料运行和改造方案明确纳入氨动力经济评估的研究之一，解决了以往研究忽视战略性柴油替代及引航燃料排放影响的缺陷。其次，所开发的总拥有成本框架通过量化欧盟排放交易体系和FuelEU Maritime违规带来的监管处罚成本，提升了传统经济评估的准确性，有助于更准确地估算在现行及未来气候法规下的船舶运营真实成本。第三，研究结果为监管机构、船东和金融机构提供了量化依据，有助于他们预测市场反应、评估替代燃料转型的成本效益，并制定有效的气候政策，以实现海运行业规定的温室气体减排目标。本文的其余部分结构如下：第二节阐述了技术经济评估所依据的方法论；第三节介绍了案例研究的关键假设及细节，共包含五种情景；第四节呈现了研究结果与讨论；第五节总结了本研究的主要发现。燃料特性氨在常压下温度高于-33℃时即可液化，或在室温下约10巴的压力下也可液化。因此，与需要在-162℃和-253℃下液化的液化天然气和氢相比，氨在储存和运输方面更为方便。氨的低位热值为18.6 MJ/kg，是在所研究的船用燃料中最低的，这些燃料还包括甲醇、液化天然气和氢。这意味着需要使用更多量的燃料才能达到相同的能量输出。船舶描述本案例研究的船舶为115,000载重的LR2型油轮。LR2型油轮通常执行中东至欧洲以及中东至亚洲等长途航线，运送精炼石油产品。这类油轮是最大的精炼产品运输船，也是巴拿马级及以上尺寸油轮中数量最多的类型。选择这类船舶作为案例研究对象，是因为在现有文献中，中型到大型产品油轮作为案例研究的占比相对较低。总拥有成本结果总拥有成本通过结合资本支出、燃料支出和监管成本，来评估各类燃料的成本竞争力。船舶的燃料使用方式可分为两种战略模式：单燃料模式和双燃料模式。例如，船东可以选择让氨双燃料发动机仅使用氨作为燃料，或同时使用低硫燃油和氨作为燃料，两种情况都需要添加引航燃料。图5展示了单燃料模式和双燃料模式的总拥有成本结果。结论本研究提出了一种新的技术经济建模框架，用于评估替代船用燃料的经济可行性和环境影响，重点研究了氨动力技术。通过将双燃料运行和改造因素纳入总拥有成本模型，并结合气候法规下的全生命周期温室气体排放分析，本研究得出了以下主要结论：1. 单燃料模式和双燃料模式的成本排序相同，但单燃料模式下的成本更高。作者贡献声明郑浩进：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、可视化、验证、软件应用、资源获取、方法设计、研究实施、数据整理、概念构建。崔坤宇：验证、项目管理、概念构建。金基珍：写作——审阅与编辑、验证、概念构建。利益冲突声明作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。