综述：氨燃料船舶发动机：通过全链条技术创新推动全球航运业的深度脱碳

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Ammonia-fueled marine engine: Enabling deep decarbonization of global shipping through full-chain technological innovation

　　**摘要**
氨燃料船用发动机代表着船舶行业深度脱碳的重要技术途径。然而，其大规模应用不仅取决于发动机的燃烧性能，还依赖于燃料供应、储存和加注、排放控制以及监管系统的协同发展。现有的综述通常侧重于技术的单个方面，而整个产业链之间的相互作用及其对商业化的综合影响仍缺乏充分的理解。本文全面评估了氨燃料船用发动机的技术进步和产业发展情况。研究结果表明，该行业正逐步从技术示范区向早期商业化过渡，但仍受到高昂的成本、绿色氨供应有限、点火和燃烧不稳定性、缸套-活塞环系统摩擦可靠性不足、NH3泄漏、NOx和N2O协同控制困难以及国际法规和标准碎片化的制约。这些相互关联的挑战共同影响着减排效益、运行安全性和长期服务性能。分析表明，氨燃料船用发动机可能会从示范应用发展到双燃料发动机的大规模部署，随后逐渐向更高氨替代比例和纯氨推进方向转变。短期内，双燃料发动机仍是一种平衡技术可行性和减排效益的实用方案。因此，应通过包括生命周期减排、经济可行性、运行安全性和长期服务可靠性在内的综合标准来评估其商业成熟度。本文建立的完整产业链框架为氨燃料船用发动机的技术路线选择、关键技术开发及工业化评估提供了参考。

**引言**
全球温室效应持续加剧。根据世界气象组织（WMO）的最新报告，全球平均气温已比工业化前上升了近1.5°C，而化石燃料燃烧产生的碳排放量仍高达10.2 ± 0.5 GtC/年，对全球生态平衡构成严重威胁[1]。作为全球贸易的基础，航运业也是主要的碳排放源和大气污染物来源，约占全球碳排放总量的3%[2]。传统船用燃料（尤其是重油HFO）的燃烧不仅释放大量温室气体（GHG），如二氧化碳（CO2），还产生氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）和颗粒物（PM）等有害污染物，对海洋生态系统、沿海空气质量及人类健康产生负面影响[3,4]。在这种背景下，航运能源系统向更清洁、低碳和零碳替代品的转型变得十分迫切。世界各国政府、国际组织和相关行业已制定政策并增加研发投资，以开发高效可持续的替代燃料及其配套技术。作为国际航运的主要监管机构，国际海事组织（IMO）逐步推出了更为严格的减排政策和法规，包括到2050年实现航运净零温室气体排放的长期目标[5]。在此背景下，甲醇、二甲醚（DME）和氨等清洁替代燃料被视为解决航运能源和排放挑战的重要选择，并成为技术研发和产业应用的主要方向[[6], [7], [8], [9]]。

甲醇具有相对丰富的原料来源、良好的燃烧特性以及较少的改造需求。现有船用发动机可以通过简单的改装适应甲醇[10]。用甲醇替代HFO可将CO2排放量减少约30%，使其成为有效减排的选择[[11], [12], [13]]。然而，甲醇作为船用燃料也存在一些显著局限：其较低的能量密度要求船舶配备更大的燃料箱，占用更多船内空间并增加建造和运营成本[14]。此外，甲醇的毒性和腐蚀性对储存和运输过程中的材料兼容性和密封性能提出了苛刻要求，可能限制其在大型远洋船舶中的应用[15]。

另一种重要的清洁船用替代燃料DME具有清洁燃烧特性、高十六烷值和优异的点火性能。其燃烧过程中几乎不产生SOx或PM排放，同时可以有效控制NOx排放。DME也显示出强大的适应船用发动机的潜力，其燃烧效率与传统柴油相当，且无需进行大规模发动机改造[[16], [17], [18]]。尽管如此，DME在船用领域的应用仍面临生产成本高和配套基础设施有限的障碍，因此目前主要仍处于小规模试点阶段，尚未实现工业化部署。

与甲醇和DME相比，氨具有富含氢的成分和无碳的分子结构，具有独特的技术优势和应用潜力。氨的液化温度为-33°C，所需的液化能耗相对较低，液态氨的体积能量密度高于液态氢，适合大型远洋船舶的长距离航行[19]。氨燃烧过程中几乎不产生CO2、SOx或PM排放，但可能需要通过优化燃烧和排放控制技术来控制NOx[6],[20],[21],[22]]。绿色氨的生命周期碳排放量接近于零，使其成为航运行业的极具前景的低碳燃料[[23],[24],[25]]。随着可再生电力成本的持续下降，绿色氨的经济可行性预计将逐步提高，为其更广泛的船用应用创造有利条件。在航运业持续低碳转型的背景下，氨燃料发动机已成为支持向零碳船用推进过渡的重要动力系统选项。

然而，氨作为燃料的优势并不自动转化为具有商业可行性的船用推进系统。氨燃料发动机的实际应用取决于多个相互依赖组件的协同发展；任何阶段的技术或产业瓶颈都可能影响整个系统的减排性能、运行安全性和经济可行性。因此，应从整体产业链的角度来审视氨燃料船用推进系统，而不仅仅是将其视为某种孤立的燃料或发动机技术。

**氨燃料船用发动机的产业发展框架**
如图1所示，虽然氨发动机在全球范围内的研发取得了显著进展，但产业仍处于发展初期。技术创新正在整个氨产业链中推进。然而，对产业链作为一个整体系统进行综合分析并厘清各环节之间相互作用的研究仍相对有限。现有综述主要集中在个别阶段或特定技术主题上。Rahimpour等人研究了可持续的氨生产路线及相关障碍，特别是可再生原料、绿色氢气生产和替代合成技术[26]；Sun等人总结了氨及其混合物的基本燃烧特性、化学动力学和能源应用[27]；Duoong和Kang关注船用双燃料系统，包括燃料供应、燃烧策略、发动机性能和排放[28]；Wen等人则从更广阔的视角探讨了氨的合成、分解和能源利用，特别强调了氨作为可再生能源载体的潜力[29]。这些研究为理解氨燃料路径的关键阶段提供了宝贵基础。不过，仍需开展更加综合的评估，将生产、储存和分配、船用发动机技术、加注基础设施和市场发展结合起来。这种综合方法对于明确不同阶段出现的限制及其对氨燃料船用发动机商业准备度的影响至关重要。

为填补这一研究空白，本文系统地研究了氨燃料船用发动机的整个产业链，涵盖了氨的生产、储存和加注、关键发动机技术、船舶应用、市场发展以及监管支持。本文指出了主要的跨链技术和产业瓶颈，比较了主流技术路线的优势、局限性和应用范围，并评估了技术发展、基础设施准备度、市场需求和政策框架之间的相互作用。通过这种综合视角，本文为技术路线选择、产业准备度评估和氨燃料船用推进的可持续发展提供了系统依据，为全球航运业的脱碳提供了独特的全产业链视角。

**方法论**
以氨燃料船用发动机的完整产业链作为分析框架，本文将相关技术和产业活动分为五个相互关联的环节：上游、上中游、中游、下游和支持服务。上游环节关注氨的生产和提纯，作为燃料供应的基础；上中游环节涵盖氨的储存、运输和加注。

**NH3燃料的发展历史**
NH3具有悠久的研究历史，如图3所示。从对其化学组成和反应特性的基础理论研究到在清洁能源领域的现代应用，NH3的研究展现了极高的不可替代价值和广泛的应用潜力。NH3的历史可追溯至公元前5世纪，在罗马帝国时期，它被记录为“Hammoniacus盐”[30]。1774年，Joseph Priestley首次……

**储存和运输技术**
船用NH3燃料储存和运输的核心在于保持NH3的液态稳定性，以降低运营成本和安全风险。图5展示了NH3的主要储存和运输方法。高压储存和运输是一种常见方式。在储存过程中，NH3在常温下被压缩至15–18巴，设计压力根据船舶几何形状和储存容量可达16–25巴……

**注入、点火和燃烧技术**
氨的燃烧特性与传统船用燃料有显著差异，给实际发动机操作带来了特定挑战。如上所述，氨的自燃温度为651°C[58]，远高于柴油（230°C）和汽油（300°C），其最小点火能量（MIE）约为氢的400倍[120,121]。这些特性使得使用传统点火方法难以实现稳定点火。

**氨发动机的发展现状和工业趋势**
目前，氨燃料船用发动机的发展正从技术示范区向早期商业化过渡。主要工业目标已不再局限于证明氨可以在内燃机中燃烧，而是越来越关注整个推进系统是否能在宽负载范围内稳定运行，同时满足燃料供应、船上安全性和尾气排放控制的要求……

**结论**
受IMO 2050年净零温室气体排放目标的推动，全球航运业加速向零碳船用燃料转型。氨燃料因其无碳燃烧、成熟的工业生产和运输基础以及比氢更高的体积能量密度，成为可持续船用推进的关键候选者。本文对氨燃料船用发动机的整个产业链进行了全面系统的分析……

**利益声明**
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**致谢**
本项目得到了中国国家自然科学基金（52476124、U2572206、52076134、51676127、51436005和51176118）、国家重点研发计划（2016YFC0205200、2016YFC0208000和2017YFB0103501）、高新船舶研究项目“基于奥托循环的氨燃料船用发动机关键燃烧技术研究”、上海交通大学海洋跨学科计划（SL2022MS006）、以及上海交通大学机械与动力工程学院重点科技项目（Zetong Wang|Bin Guan|Lei Zhu|Tiankui Zhu|Shiying Chang|Jiangli Ma|Rong Wang|Dongxia Yang|Kaiyou Shu|Zhongqi Zhuang|Junyan Chen|Junjie Gao|Yunlong Bai|Hongtao Dang|Luyang Zhang|Yuan Li|Luoxin Xu|Linhui Wang|Zhen Huang）的支持。