CCUS如何改写航运脱碳

环保达人 2023年6月8日浏览：1375 评论：2 收藏：3

当前，全球航运业正在经历一场声势浩大的去碳化转型，为了满足日益严格的环保法规要求，业界也在不断探索各种可行的合规策略。现有的减排方式可以分为几类：通过提升船舶能效来实现减碳，包括技术能效和管理能效，例如采用船舶节能装置和航速优化，但这类措施的减排潜力有限，因此需要考虑从根本上杜绝船舶航行过程中向大气排放二氧化碳，要达到这样的减排效果，除了采用氨、氢等零碳燃料或以生物甲醇为代表的碳中和燃料外，还可以采用二氧化碳捕获、利用与存储技术(CCUS)，这是一种既能延续使用传统化石燃料也能达到减排目标的技术路径。

CCUS技术如何与船舶互融

随着CCUS技术在脱碳方面的重要作用逐渐得到世界各国和各行各业的认可，航运业也在加快挖掘CCUS助力船舶减排的潜力，一系列研究已经证明了CCUS技术在船上应用的可行性，许多实船验证或示范项目也在如火如荼地开展着。但CCUS系统高昂的安装和运营成本依然制约着该技术在船上的大规模应用。中国船级社上海规范研究所法规与绿色技术研究部主任简炎钧表示，CCUS技术的经济性在一定程度上取决于后续的碳排放费用，未来随着航运碳排放市场机制的逐步发展，越来越高的碳排放成本将会提升CCUS技术的市场竞争力，并随着应用增加，进而促进技术进一步成熟发展，降低设备制造成本，带来相关配套设施的完善，进而降低营运成本。

同时，简炎钧也指出，能耗大是当前CCUS运营成本偏高的一个突出原因，因此降低系统能耗至关重要。一是吸收剂的选择。船载CCUS系统适用的是燃烧后捕集技术，主要包括膜分离法、低温蒸馏法、吸附法、物理吸收法和化学吸收法等5大类。船上产生的二氧化碳浓度和压力比较低，适合采用化学吸收法，其原理是利用吸收剂与二氧化碳热化学反应特性，低温吸收、高温再生解析来实现二氧化碳的分离。吸收剂在吸收和解析二氧化碳的循环过程中存在温差，温差越大，加热所需的能耗就越大。吸收剂与二氧化碳的反应效率决定了系统所需的吸收剂流量，反应效率越低，所需的吸收剂就越多，从低温吸收到高温解析过程中，加热所需的能耗就越大。因此选择吸收、解析温差小、反应效率高的吸收剂很关键。二是余热回收利用。吸收剂在低温吸附二氧化碳后，需在分离塔加热到一定温度后才能解析出二氧化碳气体，解析出二氧化碳后的高温吸收液需要重新降温回到吸收塔，分离出的高温二氧化碳气体也需冷却后才能进行压缩液化存储，这些过程都会排出大量的废弃热能，如何尽可能回收这些热能用于分离塔内的吸收剂加热，也是降低系统能耗的关键点。另外，系统设备的紧凑化及在船上的安装布置也是船用CCUS的设计与应用难点之一。CCUS系统包括二氧化碳捕集、提纯液化和存储等多个模块，是一套比较复杂的系统，且捕集模块需布置在排烟管附近，同时捕集的二氧化碳存储也需要比较大的特殊空间，而船上空间有限，CCUS系统设备体积如果太大或位置布置不合理就可能挤占其他空间甚至影响船舶稳性。此外，还有专家认为，二氧化碳属于窒息性危险气体，船载CCUS系统的操作、维护与管理对船员技能水平提出了更高的要求，航运公司或许需要面临更多人力成本支出。

由此可见，应用CCUS系统对于船舶运营也是一种考验，那么目前该技术更适用于哪些船舶呢？对此，简炎钧表示，从成本考虑，采用LNG和LPG等气体燃料动力船相对更适合应用CCUS技术。因为这类燃料汽化过程中会产生大量冷源，可用于捕获二氧化碳的液化，能极大减少二氧化碳压缩液化所需的能耗，降低至少20%的运营成本。此外，LNG和LPG等气体燃料本身相对清洁，颗粒物和硫化物含量低，船上无需加装脱硫装置，部署CCUS技术时系统构成相对简单，而且由于尾气纯度较高，杂质较少，二氧化碳更易分离。从船型上看，简炎钧认为，由于CCUS涉及到二氧化碳的存储，一般采用C型罐，因此对货物舱容要求较高的船型可能会受到更大影响，比如集装箱船若安装CCUS系统就必须占用部分货舱。而甲板空间较大的货船或油船则更为适合。瓦锡兰与挪威船东Solvang合作在一艘乙烯运输船上开展了CCUS系统改装项目，该公司废气处理部门主管SigurdJenssen也表示气体运输船、油轮和散货船是最易于改装这类技术的船型。他还指出，即便集装箱船安装碳捕集系统会占用部分货舱也会比使用氨或氢作为燃料所需占用的空间更小，因此CCUS技术适用于远洋船舶。

CCUS与替代燃料的关系

CCUS技术与清洁替代燃料都是目前公认的能够助力实现航运脱碳目标的可选方案，这两者之间存在着什么样的关系呢？作为一种碳排放很高的能源，化石燃料在能源转型的大势下似乎面临着必然的被淘汰的命运，但是氢、氨等清洁替代燃料的成本以及可获得性在可预见的时间内仍存在着较大的挑战，而常规燃料的动力系统、供应链和船上管理体系都相对更加成熟。在这种情况下，配备CCUS系统可以允许船舶继续使用重油等传统的化石燃料,同时又可避免向空气中排放二氧化碳。这意味着，CCUS技术可以帮助船舶在满足减排法规要求的前提下突破对燃料选择的限制，在合规方面具备更多灵活性。

其次，简炎钧还指出，以绿色甲醇、绿色甲烷和生物燃料等碳中和燃料为动力的船舶，加装CCUS系统后，将实现负碳排放效果，如果二氧化碳捕集成本低于碳排放费用，则可为船舶增加额外收益。 “以绿色甲醇为例，利用空气中捕获的二氧化碳与源自太阳能或风能电解的绿氢合成甲醇，在生产端实现负碳，船上燃烧后又释放出二氧化碳，正常情况下这些二氧化碳会被排放回空气当中，即生产端负碳而使用端排碳，两相结合就形成了净零碳排放的碳中和效果。如果此时在船上安装了CCUS系统，把甲醇燃烧后排放的二氧化碳捕集起来，然后再封存到特定地点，不向空气中释放，那么我们就可以认为产生了负碳排放效果。至于能否产生经济效益，则取决于后续的市场机制。目前国内已经建立了了ETS碳排放交易体系，将覆盖电力、钢铁等行业，航运业暂时不包括在内。但假如未来IMO设立国际航运业碳排放市场机制，每艘船需为其排放的二氧化碳支付费用，那么通过应用CCUS技术产生的负碳指标或许可以用来进行碳抵消或交易，为船舶带来额外的收益。当然了，这种情况下的收益需要能够覆盖CCUS系统设备的建造、维护成本以及捕集过程中的运营成本才有意义，所以会受到后续的碳价影响。 ”

与此同时，CCUS技术还可应用到一些燃料的生产过程当中，降低燃料生产的碳强度。IEA在《清洁能源转型中的CCUS》报告中写道：CCUS是天然气加工产生的二氧化碳排放的唯一解决方案，鉴于未来几十年整个能源系统将继续使用天然气，这一点非常重要。天然气矿床中可能含有大量二氧化碳——甚至高达90%，出于技术原因，必须在出售或加工用于生产液化天然气(LNG)之前将其去除。这类二氧化碳通常会被排放到大气中，但也可以重新注入地质结构或用于强化采油(EOR)。报告还指出，CCUS可以在促进可供整个能源系统使用的低碳氢的生产方面发挥重要作用，通过两种关键方式帮助氢燃料生产脱碳：一是减少现有制氢厂的排放，为现有制氢厂改装CCUS技术，使其能够继续可持续地运行。从制氢中捕获二氧化碳是一种成本相对较低的CCUS应用，现有设施通常集中在沿海工业区，具有与其他工业设施共享二氧化碳运输和储存基础设施的潜力。二是提供一种成本最低的扩大氢气生产的途径：在大多数地区，天然气和煤制氢与CCUS 相结合比使用可再生能源进行水电解制氢成本更低，在二氧化碳储存和化石燃料成本都比较低的地方更是如此。此外，捕集来的二氧化碳还可用于将氢转化为合成碳氢化合物燃料，它们易于储存、运输和使用且生命周期二氧化碳排放相对传统化石燃料更低。这种燃料的生产属于高度能源密集型，在低成本可再生能源和二氧化碳都可用的地区最经济可行。目前运营中的最大设施是位于冰岛的GeorgeOlah工厂，该工厂使用可再生电力制氢，每年可将约5600吨二氧化碳转化为甲醇。

重塑航运脱碳，CCUS大有可为

如上所述，将CCUS技术推广应用到船上具有独特地挑战，但也为减少交通运输领域的碳排放提供了巨大的机会。CCUS系统的制造和运营成本可能是在近期和中期部署该技术的障碍，但是这些挑战并非无法克服，随着技术的改进和运营成本的降低，CCUS有望成为实现航运脱碳的一个有说服力的选择。除了解决技术和成本问题外，船载CCUS系统要实现大规模应用还需要建设相应的配套措施。据简炎钧介绍，传统船舶燃料燃烧后产生的二氧化碳质量远远大于消耗的燃料，吨重油燃烧后产生3吨多的二氧化碳，而船上的存储空间有限，如果捕集的二氧化碳不能及时卸载，船舶载着这样的额外负担反而会增加油耗，因此需要建造与之匹配的二氧化碳转移接收基础设施。另外，船舶减排主要受法规驱动，如果CCUS技术要在船上推广应用，那么它对EEDI的贡献度要如何判定？EEDI相关公式如何修正？CCUS系统设备如何认证？捕集的二氧化碳如何评定？二氧化碳接收单位资质如何认定？船上安全操作与管理要求如何设置？这一整套技术与管理要求、认证认可体系都需要在公约法规层面进行明确完善。

除了船上碳捕集之外，简炎钧还向我们介绍了未来航运业可能应用CCUS技术实现减排的两种设想。一是建设集海上二氧化碳转移、绿色能源生产及船舶燃料供应加注于一体的综合产业集群。简炎钧提出了“深远海绿色能源基地”概念，主要出于两方面的考虑。首先是为了解决国际航运业未来的绿色低碳燃料供给问题。海上风电是零碳或者碳中和燃料生产所需的绿电的一个重要来源，随着海上风电开发逐步走向深远海，电能的储存和输送问题愈加突出。通过海底电缆从深远海向陆地输送电力会产生损耗，而且民用电网承受海上风电这种间歇性的电力也有容量限制，所以最好是能够实现就地化利用。在这种情况下，利用风电与二氧化碳合成甲醇就是一种不错的就地转化，同时满足远洋船舶的绿色甲醇燃料需求。其次可供加装CCUS系统的船舶卸载、转移捕集到的二氧化碳。要想真正实现这个概念，还有一些技术和产业上的问题需要注意，包括深远海风电技术、低成本海上风电制氢技术、大规模二氧化碳催化制甲醇技术等。

二是航运公司通过在陆上投资建立CCUS设施进行碳抵消。这一设想的可能性是基于航运业碳排放市场引入碳信用、碳抵消机制。假设航运公司投资建设陆上CCUS系统，可以通过从陆上燃油生产端或其他方面捕集、封存二氧化碳来抵消船舶的碳排放，形成跨行业的碳转移，从而达到碳中和。例如我国在国家自愿减排交易登记簿进行登记备案的减排量“核证自愿减排量(CCER)”就属于碳信用的一种，一些本身无法实现净零排放的行业如果可以采用CCER或其他类似的碳信用来抵消，也能实现产业链的碳中和，有利于企业实现“双碳”目标。航运业能否通过这种形式来利用CCUS技术主要取决于减排框架和政策体系中是否纳入了碳信用抵消机制。