利用氨作为船舶燃料
氨闻起来很刺鼻，如果你呼吸的空气中只有0.5%含有它，它就会杀死你。然而，氨正被誉为深海航运的最佳零碳燃料选择之一。在本文中，我们将重点介绍在以氨为燃料的船舶下水之前需要回答的一些核心问题，包括供应、可持续性、发动机技术和必要的安全考虑。今天，全球氨供应的大约80%被用作肥料。运输用氨水从哪里来？这是一个有待解决的问题，必须大幅提高产量才能满足航运和全球农业的未来需求。“在脱碳的背景下，重要的是要理解，当我们谈论氨的巨大航运潜力时，我们指的是绿色氨。燃料的可持续性证书因来源而异”。
燃料可分为“棕色”（由化石资源生产）、“蓝色”（由碳捕获的化石资源生产）或“绿色”（在一个过程中由可再生来源的氢气生产）称为电解）。“虽然蓝色氨的生产比棕色氨的二氧化碳排放量减少85%，但只有绿色氨是一种零碳燃料”。关键是：目前任何地方都没有生产绿色氨。预计这将在未来十年内发生变化。“一些燃料供应商已经在生产绿色氨的必要框架上做了大量工作，包括认证、技术和成本”。虽然绿色氨的供应需要时间，但发动机技术的发展正在快速推进。由于计划于今年春天进行燃烧测试，MAN的二冲程车型预计将于2024年上市。
丹麦技术大学和DNV正致力于开发MANME-LGIa氨燃烧发动机。“作为发动机设计师，我们对不同的燃料类型是不可知的，”MANEnergySolutions双燃料发动机首席专家PeterH.Kirkeby说。“氨已经引起了很多兴趣，尤其是在深海船舶领域，它具有很大的潜力——但开发一种由氨驱动的发动机一直是一个挑战。最大的障碍之一是如何有效地燃烧氨气以提取最大功率，同时确保发动机仍然是紧凑型设计。”与柴油不同，氨的火焰传播非常缓慢，这意味着它的燃烧速度要慢得多。它的自燃温度也高得多，约为630°C——柴油在210°C时燃烧。这意味着氨燃烧后的持续燃烧也比其他燃料更困难。“当然，您还需要确保发动机允许加速等通常的性能峰值。我们正在计划最终的燃料混合物，其中包含大约95%的氨和5%的飞行员船用轻油等燃料。在未来，这甚至可能是生物燃料，”柯克比说。
有害排放是另一个重大挑战，即使是使用绿色氨。虽然不含碳，但氨含有大量的氮，燃烧它可能会导致氮氧化物(NOX)和一氧化二氮排放。Kirkeby解释说，NOX排放对发动机制造商来说并不是什么大问题。“它们受到良好监管，NOX减排技术——选择性催化反应——已经在许多船舶上使用，也应该适用于氨。一氧化二氮的排放是更大的挑战。N2O或笑气是一种非常具有侵略性的温室气体，其强度是二氧化碳的283倍。我们的方法是利用燃烧过程本身来减轻这些排放。”“我们必须使它成为一个非常简单的系统，也可以处理氨——这意味着它是足够模块化的，可以轻松进行故障排除，并且即使燃料是有毒物质，工作人员也可以进行简单的维护程序。”这是可以做到的：在燃烧过程中，燃烧氨会在一定的压力和温度窗口内产生一氧化二氮排放。“通过燃烧调整，我们可以避开那个窗口，或者我们可以进入它再次分解的温度和压力范围。在我们使用的柴油循环中，您可以很好地控制这一点，”柯克比说。
最后的挑战是使完善的二冲程发动机系统适应氨，而不改变它的基本优点。“我们必须让它成为一个非常简单的系统，也可以处理氨——这意味着它是足够模块化的，即使燃料是有毒物质，也可以轻松进行故障排除，并让机组人员进行简单的维护程序。”展望未来，第一台发动机可能会安装在氨罐车上。目前大约有200艘油轮可以将氨作为货物运输，其中通常有40艘在任何时间点都部署有氨货物。这些类型的船舶可能是理想的候选者，因为它们已经拥有作为货物的燃料和具有处理氨经验的船员。散货船和集装箱船等其他领域也可以效仿。DNV预计第一艘以氨为燃料的船舶将在本世纪下半叶下水，但预计要到2030年代初才能大规模采用这项技术。氨系统和操作程序的安全性是DNV在这种燃料工作中的首要任务。在AEngine联合开发项目中，DNV负责安全方面的工作，并将针对危险识别(HAZID)、危险和可操作性(HAZOP)以及故障模式和影响分析(FMEA)进行风险评估。
DNV船用燃料氨船级规则于2021年7月发布，为技术开发铺平了道路。它们包括在船上储存、处理和加注氨的规定。这里要考虑的一些方面包括在特定位置使用有毒区域和通风桅杆。发动机技术本身将配备双壁管道，因此含有氨的管道被通风空间包围，从而易于检测泄漏。“这是所有替代燃料的通用标准，”DNV业务发展经理和替代燃料专家ChristosChryssakis解释道。额外的解决方案，如双关断和排放阀，确保系统可以分开进行维护。“我们对氨的分类规则是基于氨作为制冷剂和货物的经验。我们会不断更新这些规则，因为正在进行的研究提供了对必要边际的进一步见解，以确保系统不仅安全而且在处理时也很实用，”Chryssakis说。“对氨燃料船舶的首批设计进行风险评估将是重要的下一步。”除了氨燃料船舶上的操作之外，DNV最近完成了对阿姆斯特丹港和奥斯陆港氨燃料加注作业的研究，研究了港口大量氨泄漏的潜在后果。“我们研究了最坏的情况，包括港口供应基础设施和加油船泄漏的影响。奥斯陆港位于住宅区，因此这里的赌注特别高，”Chryssakis解释道。“我们定义了外部安全区域和降低风险的措施，着眼于会受到氨泄漏影响的半径。对于奥斯陆港，我们发现原则上使用带有冷冻氨的加油船具有可接受的风险水平，因为奥斯陆的居民区不会受到泄漏的影响。但仍有工作要做，以确保船上的安全处理。”位于新加坡的全球海上脱碳中心(GCMD)最近也启动了一项研究，旨在定义一套强有力的安全指南和操作范围，为两个当地站点的氨加注试验建立监管沙箱的基础。DNV将带头开展安全研究，并通过氨需求预测、加油地点建议、卡车到船或船到船等加油模式的概念设计开发、HAZID/HAZOP/QRA研究以及起草技术和操作指南。“这个难题有很多部分，我们必须将它们全部准备好，才能让氨安全地进入船用燃料市场，”HendrikBrinks说。“我们将需要严格的安全程序，将氨纳入国际法规以及控制有害排放并允许直接维护协议的发动机设计。
燃料可分为“棕色”（由化石资源生产）、“蓝色”（由碳捕获的化石资源生产）或“绿色”（在一个过程中由可再生来源的氢气生产）称为电解）。“虽然蓝色氨的生产比棕色氨的二氧化碳排放量减少85%，但只有绿色氨是一种零碳燃料”。关键是：目前任何地方都没有生产绿色氨。预计这将在未来十年内发生变化。“一些燃料供应商已经在生产绿色氨的必要框架上做了大量工作，包括认证、技术和成本”。虽然绿色氨的供应需要时间，但发动机技术的发展正在快速推进。由于计划于今年春天进行燃烧测试，MAN的二冲程车型预计将于2024年上市。
丹麦技术大学和DNV正致力于开发MANME-LGIa氨燃烧发动机。“作为发动机设计师，我们对不同的燃料类型是不可知的，”MANEnergySolutions双燃料发动机首席专家PeterH.Kirkeby说。“氨已经引起了很多兴趣，尤其是在深海船舶领域，它具有很大的潜力——但开发一种由氨驱动的发动机一直是一个挑战。最大的障碍之一是如何有效地燃烧氨气以提取最大功率，同时确保发动机仍然是紧凑型设计。”与柴油不同，氨的火焰传播非常缓慢，这意味着它的燃烧速度要慢得多。它的自燃温度也高得多，约为630°C——柴油在210°C时燃烧。这意味着氨燃烧后的持续燃烧也比其他燃料更困难。“当然，您还需要确保发动机允许加速等通常的性能峰值。我们正在计划最终的燃料混合物，其中包含大约95%的氨和5%的飞行员船用轻油等燃料。在未来，这甚至可能是生物燃料，”柯克比说。
有害排放是另一个重大挑战，即使是使用绿色氨。虽然不含碳，但氨含有大量的氮，燃烧它可能会导致氮氧化物(NOX)和一氧化二氮排放。Kirkeby解释说，NOX排放对发动机制造商来说并不是什么大问题。“它们受到良好监管，NOX减排技术——选择性催化反应——已经在许多船舶上使用，也应该适用于氨。一氧化二氮的排放是更大的挑战。N2O或笑气是一种非常具有侵略性的温室气体，其强度是二氧化碳的283倍。我们的方法是利用燃烧过程本身来减轻这些排放。”“我们必须使它成为一个非常简单的系统，也可以处理氨——这意味着它是足够模块化的，可以轻松进行故障排除，并且即使燃料是有毒物质，工作人员也可以进行简单的维护程序。”这是可以做到的：在燃烧过程中，燃烧氨会在一定的压力和温度窗口内产生一氧化二氮排放。“通过燃烧调整，我们可以避开那个窗口，或者我们可以进入它再次分解的温度和压力范围。在我们使用的柴油循环中，您可以很好地控制这一点，”柯克比说。
最后的挑战是使完善的二冲程发动机系统适应氨，而不改变它的基本优点。“我们必须让它成为一个非常简单的系统，也可以处理氨——这意味着它是足够模块化的，即使燃料是有毒物质，也可以轻松进行故障排除，并让机组人员进行简单的维护程序。”展望未来，第一台发动机可能会安装在氨罐车上。目前大约有200艘油轮可以将氨作为货物运输，其中通常有40艘在任何时间点都部署有氨货物。这些类型的船舶可能是理想的候选者，因为它们已经拥有作为货物的燃料和具有处理氨经验的船员。散货船和集装箱船等其他领域也可以效仿。DNV预计第一艘以氨为燃料的船舶将在本世纪下半叶下水，但预计要到2030年代初才能大规模采用这项技术。氨系统和操作程序的安全性是DNV在这种燃料工作中的首要任务。在AEngine联合开发项目中，DNV负责安全方面的工作，并将针对危险识别(HAZID)、危险和可操作性(HAZOP)以及故障模式和影响分析(FMEA)进行风险评估。
DNV船用燃料氨船级规则于2021年7月发布，为技术开发铺平了道路。它们包括在船上储存、处理和加注氨的规定。这里要考虑的一些方面包括在特定位置使用有毒区域和通风桅杆。发动机技术本身将配备双壁管道，因此含有氨的管道被通风空间包围，从而易于检测泄漏。“这是所有替代燃料的通用标准，”DNV业务发展经理和替代燃料专家ChristosChryssakis解释道。额外的解决方案，如双关断和排放阀，确保系统可以分开进行维护。“我们对氨的分类规则是基于氨作为制冷剂和货物的经验。我们会不断更新这些规则，因为正在进行的研究提供了对必要边际的进一步见解，以确保系统不仅安全而且在处理时也很实用，”Chryssakis说。“对氨燃料船舶的首批设计进行风险评估将是重要的下一步。”除了氨燃料船舶上的操作之外，DNV最近完成了对阿姆斯特丹港和奥斯陆港氨燃料加注作业的研究，研究了港口大量氨泄漏的潜在后果。“我们研究了最坏的情况，包括港口供应基础设施和加油船泄漏的影响。奥斯陆港位于住宅区，因此这里的赌注特别高，”Chryssakis解释道。“我们定义了外部安全区域和降低风险的措施，着眼于会受到氨泄漏影响的半径。对于奥斯陆港，我们发现原则上使用带有冷冻氨的加油船具有可接受的风险水平，因为奥斯陆的居民区不会受到泄漏的影响。但仍有工作要做，以确保船上的安全处理。”位于新加坡的全球海上脱碳中心(GCMD)最近也启动了一项研究，旨在定义一套强有力的安全指南和操作范围，为两个当地站点的氨加注试验建立监管沙箱的基础。DNV将带头开展安全研究，并通过氨需求预测、加油地点建议、卡车到船或船到船等加油模式的概念设计开发、HAZID/HAZOP/QRA研究以及起草技术和操作指南。“这个难题有很多部分，我们必须将它们全部准备好，才能让氨安全地进入船用燃料市场，”HendrikBrinks说。“我们将需要严格的安全程序，将氨纳入国际法规以及控制有害排放并允许直接维护协议的发动机设计。
