世界各国正在制定到2050年零排放的温室气体(GHG)排放目标。全球海运业也在评估是否将国际海事组织(imo)目前商定的2050年减少50%的目标提高到100%。大型国际航运公司，如马士基(Maersk)、MSC和达飞(CMA CGM)，已经承诺在2050年或更早实现碳中和。
用更清洁的替代燃料取代目前船舶使用的化石燃料——如重燃料油——可以为脱碳挑战提供解决方案，而Clear Seas正在进行的减少海洋燃料中温室气体的研究提供了一些有价值的见解。
使燃料通电
为了找到一条零碳海运的道路，需要考虑从燃料生产到燃料消耗的整个系统来推动船舶。幸运的是，多年的创新已经使船舶成为世界上最高效的运输方式，并使最省油的发动机和螺旋桨驱动器的发展成为可能。能源效率措施——比如使用高科技船帆——可以帮助减少船舶所需的燃料量，但船舶所需的剩余能源必须来自其他地方。可再生电力可以用作清洁能源吗?
电气化为减少工业、家庭供暖和汽车等一系列现有化石燃料密集型工序的温室气体排放带来了巨大的希望。这是因为来自风能和太阳能的可再生低碳电力成本下降，使其成为储量丰富、经济可行的替代能源。
但我们如何将这种更清洁的电力从源头输送到船上呢?电池对于短途旅行如渡轮和游船来说是一个很好的选择，但对于大型海洋运输来说，它们太笨重，无法储存所需的能量。这就是替代燃料的用武之地。通过将电力转化为燃料(所谓的电子燃料)，有可能解决如何将电力输送到船只的问题。
氢作为基本元素
科学家和工程师们发现，将电力转化为燃料的最好方法是通过一种称为电解的过程，通过在电解槽中运行电力，将水分解为氢和氧。这个过程需要大量的电力——一个加拿大家庭每天平均消耗的电力只会通过电解产生半公斤的氢，相当于一辆家庭汽车行驶12英里所需的能量。但其结果是产生的氢气不需要任何化石燃料——被称为“绿色”氢气。
不幸的是，氢本身并不是一种很好的船舶燃料。虽然氢气可以在船的发动机中相当有效地燃烧，但在船上加油和储存氢气是一个重大的挑战。氢是一种高度易燃的气体，比空气更轻，即使被压入钢瓶或通过冷却过程液化，它的体积仍然太大，无法取代常规的船用燃料。充氢也很昂贵、笨重，而且需要耗费大量能源。

但替代燃料并非一无是处。通过将电解产生的绿色氢气与大气中的氮气、二氧化碳和氧气等气体相结合，可以制造出氨、甲醇和甲烷等简单化合物，并更容易按所需数量存储在船舶燃油箱中。如果对现有的船舶发动机的设计和构造进行小的修改，这些化合物仍然可以用于燃烧。但要用氢制造这些合成替代燃料，就需要其他化学元素的可持续来源。
氨燃料是领先的，但它是有毒的
在正在考虑的合成替代燃料中，用绿色氢气制造氨可能是最容易的。这一工艺如今被广泛用于化肥的制造，而氨气所需要的另一种元素(化学式NH3)是氮，而氮在我们周围的空气中大量存在。坏消息是，从空气中分离氮是一个能源密集型的过程，氨的制造也是如此。氨的另一个挑战是，如果泄漏，它会变成有毒的蒸汽云，对人类和动物来说是致命的。为什么要考虑氨呢?氨在大规模工业中易于制造，我们在用轮船、火车和卡车安全运输散装化肥方面的经验，是支持氨在替代燃料竞赛中的很好的理由。
在船舶发动机中燃烧氨气已经被证明是可行的，尽管人们担心其尾气中产生的一氧化二氮和产生烟雾的氮氧化物(NOx)会排放温室气体，但这些看起来是可以控制的。通过将氨气冷却到相对适中的-27华氏度，氨气可以转化为液体用于运输和储存。
甲烷燃料借鉴了化石燃料的经验
合成e-甲烷比氨更有优势，因为它的化石前体已经以液化天然气的形式被广泛用作船舶燃料。这意味着我们已经有了使用甲烷作为燃料的船舶的安全设计和操作的流程、标准和法规。然而，合成甲烷的一个主要缺点是，就像化石天然气的主要成分一样，它本身就是一种温室气体。尽管与二氧化碳相比，它的存在时间相对较短，但它的意外释放需要以类似于制冷剂等其他合成温室气体的方式加以警惕。
第二个缺点是与甲醇相同的:制造甲烷(化学式CH4)需要加入公式中以C表示的碳。虽然化石燃料燃烧产生的以二氧化碳形式排放的碳围绕着我们，但捕捉和使用这种碳源不会产生零温室气体燃料，因为碳来自化石来源。
相反，零温室气体甲烷的制造商需要从植物物质的燃烧中捕获二氧化碳(CO2)，例如在纸浆厂或燃木发电厂，或者直接从大气中捕获二氧化碳。
通过自然过程从大气中捕获二氧化碳的生物来源(如木材)的二氧化碳供应是有限的，因此，零温室气体海洋燃料的长期解决方案将需要依赖所谓的直接空气捕获方法，即从大气中化学提取二氧化碳。通过扩大这些工艺的规模，制造含有直接捕获的空气中的二氧化碳的合成燃料，以这种方式捕获碳的成本是否能够降低到足够低的程度，还有待观察。
与其他合成燃料相比，甲烷的主要优势在于，它可以不经改装就用于现有的以液化天然气为燃料的船舶，并且可以利用现有的和不断发展的化石燃料运输基础设施。同样的基础设施和燃料箱也可以用于储存氨，尽管它的储存温度为-27华氏度，远没有液化天然气所需的-260华氏度低。氨的密度比液化甲烷高，因此在设计液化天然气燃料基础设施时也需要考虑到这一点。
甲醇燃料是一种复杂但易于管理的替代燃料
甲醇虽然仍然有毒，但比氨和甲烷更容易管理，因为它在室温下是液体。在全球化学品贸易中，人们有大量的经验安全地将其散装运输到船上，而在发动机中燃烧似乎没有什么问题。
位于不列颠哥伦比亚省温哥华的Methanex公司经营着世界上最大的甲醇油轮船队，其中越来越多的船只配备了甲醇燃烧发动机。不幸的是，这些发动机中燃烧的甲醇是由化石天然气产生的，而Clear Seas的研究表明，这种化石甲醇产生的温室气体比现有的石油化石燃料产生的温室气体排放更多。
但化石甲醇生产基础设施也提供了一个机会。通常，工业甲醇是用蒸汽甲烷重整器将化石天然气裂解而成的氢气来生产的。生产零温室气体甲醇的第一步是用电解生产的绿色氢气替代化石天然气中的氢气。不幸的是，像甲烷一样，甲醇也需要一个碳源，因为它的化学式(CH3OH)含有一个C代表碳。与e-甲烷一样，直接捕捉大气中的二氧化碳也需要再次用于生产e-甲醇。
扩大电解绿色制氢的挑战
氨、甲烷和甲醇依赖于电解产生的充足的绿色氢。这是关键的，也是最薄弱的一环。开发绿色氢气生产设施网络的计划已经开始实施，加拿大通过水力发电提供的低碳电网使其成为一个有吸引力的地方。出逃,,。它将成为世界上最大的绿色氢设施之一。该工厂耗资2亿美元，每年将消耗88兆瓦的电力，生产11000吨氢气。但这只相当于提供一艘纯氢大型集装箱船所需燃料的一半多一点。
显然，每艘船都有两个价值2亿美元的燃料生产设施供应，这在经济上是不可行的。电解技术的进步将需要提高产量，但分解水分子所需的化学能所带来的基本限制使这成为一个挑战——每千瓦小时的电力消耗最多只能产生26克氢气。因此，如果Varennes工厂能100%高效，每天24小时运转，它的产量每年只会增加到2万吨，足够一艘集装箱船使用。用氢气制造合成氨、甲醇或甲烷确实能让它走得更远，但制造足够多的绿色氢气来为全球海运行业脱碳仍然是一个重大挑战。
来自化石天然气的氢能弥合差距吗？

石化工业用的氢气通常是在蒸汽存在的情况下加热化石天然气来生产的，即所谓的蒸汽甲烷重整。在电解技术得到改进之前，它能代替绿色氢吗?Clear Seas的研究表明，通过这种方法生产的氢气比传统的石油生产的海洋燃料排放更多的温室气体。不应认为这是一种替代办法。
人们经常提出碳捕获和封存技术来解决天然气生产氢气时二氧化碳排放过多的问题。加拿大是世界上最大的碳捕获和封存工厂之一。壳牌加拿大公司的Quest工厂位于阿尔伯塔省埃德蒙顿附近，耗资13.5亿美元，每年可以在地下洞穴中捕获和储存超过100万吨的二氧化碳。这听起来像是很多二氧化碳，但实际上，这只相当于5艘大型集装箱船每年的二氧化碳排放量。
尽管壳牌公司计划扩大二氧化碳捕获与封存能力几乎10倍的追求设施,这些项目主要是为了处理排放壳牌天然气处理和炼油厂和无法应对排放船用燃料的大规模生产氢。而且，即使捕获和封存的规模可以扩大，科学界对于地下岩层封存二氧化碳而不随时间流失的能力仍存在不确定性。
位于bc省本纳比的加拿大可再生能源公司Ekona Power Inc.正在试验一种名为热解的替代技术，这种技术将天然气中的甲烷分解成氢和碳尘。这种碳尘比二氧化碳更容易管理和处理，但这项技术仍处于发展的早期阶段。
生物燃料呢?
甲烷和甲醇的生物燃料都可以从任何有机材料中生产出来。植物是大部分有机物质的来源，它们在生长过程中从大气中吸收二氧化碳，所以当它们转化为燃料燃烧时，就被认为是碳中性的。
生物甲醇可以通过加热木屑直到产生气体，然后清洗和净化气体来生产最终产品。木浆厂也生产甲醇，作为制浆过程的副产品，但这通常是由纸浆厂燃烧来发电。理论上，这些生物甲醇来源可以直接用于提供船舶燃料。但是目前全球生物甲醇的产量非常有限，国际可再生能源协会估计每年只有20万吨。这些燃料只能供不到两艘大型集装箱船使用。
生物甲烷比生物甲醇更常见，加拿大生物气体协会计算，目前仅在加拿大的280个地点就生产了6拍焦耳的气体。这些设施包括动物粪便的消化器，以及从堆填区和污水处理厂收集的气体。作为背景，6拍焦耳的气体只够为两到三艘大型集装箱船提供燃料。
这两个例子说明了为海洋航运业提供生物燃料面临的巨大挑战。随着对净零排放燃料需求的增加，对燃料生产有机原材料的竞争只会加剧。专门的有机物来源，如基因工程藻类，已经无法提供燃料，而对新植被种植土地使用变化对当地生态和气候变化的影响的担忧，使这些选择越来越不可行。虽然生物燃料可能在向零温室气体海洋燃料的过渡中发挥作用，但它可能只是一个有限的作用。
需要做更多的工作来实现船用燃料的温室气体零排放

从船舶从燃料生产到能源使用的整个能源系统来看，船舶技术不一定是这个链条中的薄弱环节。可以储存和燃烧零温室气体排放替代燃料的燃料箱和发动机的解决方案现在已经准备好，或者正在进行开发计划。改造大型2-stroke发动机主要用于远洋船只允许他们燃烧的任意组合替代燃料似乎相对容易完成,和船舶设计师应对挑战的模块化燃料存储允许甲烷、氨和甲醇的坦克被安装在现有的船只。
关键的差距似乎是在价值链的燃料生产部分的上游，以及通过电解大规模生产绿色氢。目前的解决方案将需要显著的进步，以扩大所需的产量。如果要使用甲烷或甲醇，那么还需要在直接空气捕获二氧化碳方面取得重大进展，以提供燃料的其他原材料。在此期间，生物燃料可以有所帮助，但只能起到很小的作用，而且它们并不能为海洋航运的全面脱碳提供解决方案。
看来，通过二氧化碳或固体碳的捕获和封存来扩大我们对化石燃料的依赖，可能需要被视为一种最不坏的临时选择，但在追求可能永远无法真正实现的船舶燃料零温室气体排放梦想的过程中，需要格外谨慎，防止无意中将更高碳强度的燃料引入价值链。
尽管合成替代燃料提供了一条到2050年实现海运零温室气体排放的潜在途径，但它仍然是一条狭窄而危险的途径，当然还有创新和更激进的解决方案的空间，以帮助开辟一条真正无化石燃料的未来。
Paul Blomerus是Clear Seas的执行董事，是一位具有国际经验的研究人员和创新领导者，在工业和大学研究管理方面有着良好的记录。他持有英国牛津大学工程科学博士学位，以及南非开普敦大学机械工程一等荣誉学位。

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