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航運減碳新規將至,能源界和船運業如何應對

文章來源:西門子能源趙作智2024-12-09 11:59

新建船舶:加速燃料替代

 
燃料替代是航運業實現長期減碳目標的關鍵策略之一,具有更大的減排潛力。為了達到IMO設定的2040年減排目標,至少占全球三分之一噸位的船舶需要使用可替代燃料。與汽車行業的討論主要集中在電動和氫能兩種選擇不同,在海運行業中,尚無明確跡象表明哪種燃料將成為“最終選擇”,因為每種解決方案都有一連串的優缺點清單。
 
即便如此,向輕質燃料過渡技術轉型已在進行當中,廣泛采用的替代燃料是液化天然氣(LNG)、電池/混合動力、LPG、綠色甲醇和綠氨,以及利用這些清潔方案的雙燃料驅動船型。根據DNV船級社的統計,全球新的船舶噸位訂單(ordered tonnage)當中,有一半是可使用LNG、LPG或甲醇的雙燃料發動機,其中LNG和甲醇各占比35.8%和9.7%(數據來源:DNV-Maritime Forecast to 2050)。
 
在近期和中期,預計LNG將成為替代市場的主流,電動船舶在較小的特定船型和場景中具備廣泛前景,甲醇燃料以及綠氨燃料動力船舶則在未來有望占據主導地位。根據國際氣體燃料船協會(SGMF)的統計數據,截至2023年11月,全球已有426艘LNG動力船投入營運,536艘在建。從全生命周期角度看,相比于傳統船用燃油,燃燒化石天然氣可減排25%,生物質天然氣可減排約66%;硫氧化物和氮氧化物的排放也大大降低。
 
LNG作為2030年前的過渡燃料正在廣泛應用,但其長期減碳效果有限;且甲烷本身也是主要的溫室氣體之一,需有效解決運輸和燃放過程中的泄漏問題。在長期減排目標的指引下,天然氣燃料需要從化石能源開采向生物質合成等綠色制備路徑轉型。
 
綠氫和船用綠色甲醇的發展密不可分。綠色氫氣是一種多用途的能源載體,可以應用于多個行業的脫碳。可以直接使用,也可以通過其衍生物,如電制甲醇(e-methanol)、電制氨或電制合成燃料(e-fuel),來替代煤炭和天然氣等化石燃料。
 
通過電解水制氫,再將氫氣與二氧化碳合成電制甲醇,可用于替代傳統的重油和柴油。相比傳統燃料,綠色甲醇的碳排放顯著減少,并具有良好的儲氫性能。甲醇的體積能量密度是700巴壓縮氫氣的四倍,是液態氫的兩倍。因此,無需應對低溫和高壓引起的能量損失或安全隱患,在空間、時間、成本和能量的維度都能實現節省。此外,甲醇在常溫下的物理特性與柴油非常相似,易于處理,運營商可以使用現有的燃料基礎設施。截至2024年初,全球已建/在建甲醇動力船舶數量已達269艘,涵蓋散貨船、集裝箱船和化學品船等多種船型。
 
當前,基于可再生碳源、生物質、可再生電力等的綠色甲醇產能相對匱乏,生產商主要通過煤和天然氣等制備“灰色甲醇”。若全球范圍內規劃的80多個項目全部投產,2027年全球綠色甲醇產能可達800萬噸/年。在全生命周期溫室氣體排放框架下,綠色甲醇可減排63%-99%,能夠實現船舶中長期減排目標,將成為航運業未來深度減排的重要替代燃料之一。
 
在丹麥南部,另外還有一座已建成的一座50兆瓦級電解水制氫工廠,其利用附近建設的300兆瓦太陽能園區將為該項目提供低成本的可再生電力,其生產的氫氣將用于全球大型商業電制甲醇(e-Methanol)生產工廠。西門子能源負責電解水制氫系統的設計、供貨和調試,該系統包括三套大功率質子交換膜(PEM)電解水制氫設備。電制甲醇的最終用戶將是航運公司馬士基和燃料零售商Circle K等,將保障馬士基第一艘電制甲醇動力集裝箱運輸船的燃料供應,為航運業的大規模碳中和奠定基礎。
 
盡管在碳中和的發展趨勢之下,綠色電力將占終端用電需求的絕大多數,但是還有一部分的能源需求無法完全直接使用電能替代,譬如對能源密度的要求更高,或是對于化學能和熱能需求。
 
全球每年約有7000萬-9000萬噸氫氣用量,這些絕大部分都是基于煤炭、天然氣等化石能源生產的灰氫,應用于工業和社會各個領域。未來在能源替代的大背景中,氫氣的用量不僅會進一步增加,還需要綠色的制備供應來源。電網中富余的可再生電力用于制氫,再通過液氫、綠氨和綠色甲醇等方式存儲起來。
 
綠氨和生物燃料也是業界關注度較高的兩個替代能源路線。綠氨是一種無碳燃料,通過可再生能源生產氫氣,再與氮氣合成氨。然而,目前合成氨幾乎全部由化石能源生產,主要原料包括天然氣、煤(或焦炭)和重質油等。根據國際能源署(IEA)的數據,2022年全球氨產量約為1.83億噸/年,其中可再生能源生產的綠氨不足2萬噸/年。在IMO全生命周期溫室氣體排放核算規則的約束下,綠氨生產和供應成為行業關注的重點。
 
生物燃料通過有機物質制成,作為石油基柴油的可再生替代品。以B24船用生物燃料油為例,由24%的生物柴油和76%的低硫燃料油進行物理調和而成,可以減少約20.4%的碳排放。盡管生物燃料具有一定的減排效果,其在燃燒過程中仍有二氧化碳排放,優勢在于不需要對現有船用柴油機改裝也能使用。
 
挑戰與未來
 
在中國,作為綠色零碳燃料的主要來源,可再生能源發展迅速。截至2024年3月,全國可再生能源裝機容量達到15.85億千瓦,約占全國總裝機容量的52.9%。綠色燃料項目規劃亦迎來了爆發式增長。截至2024年6月,已規劃109個綠色甲醇項目,累計產能達5037.36萬噸/年,這為推動“綠色航運”提供了堅實的基礎條件。然而這些項目真正開工、具備商業邏輯且鎖定買家的卻很少。一條在新興領域的賽道是否能夠成立,歸根結底還是要看技術邏輯和商業邏輯;在目前的國際形勢下,還要考慮地緣政治邏輯。而在起步階段如何創造和拉動需求,是行業爆發式增長之前已被反復驗證的關鍵點——正如光伏發電、風電、鋰電池電動車等領域曾經歷過的一樣。
 
盡管過去十幾年全球航運在船舶大型化、技術水平、清潔能源研發、運輸組織效率等方面都得到巨大提升,但從航運業減碳、綠色發展的新要求看,仍存在一些問題與挑戰。
 
首先,基于非化石能源的可持續燃料成本較高。目前,雖然技術進步使氫、氨、甲醇和液化天然氣等替代燃料成為減碳的關注點,但其成本遠高于傳統化石燃料。尤其是氫、氨和甲醇的綠色生產方式(即綠氫、綠氨和綠甲醇)仍處于探索和初期階段,尚未實現規模化,導致無法顯著降低成本。可持續燃料的價格上漲可能使船舶的建造和運營成本增加超過50%,這對整個航運業構成了巨大的經濟壓力。
 
其次,全球航運行業的減排標準尚未統一。各國在減排政策上的差異導致航運公司難以在國際范圍內協調一致的行動。此外,航運業涉及多方利益相關者,如港口、航運公司和供應鏈,因此,船舶排放責任的劃分和管理體系十分復雜。航運公司不僅要面對不同類型和規模的船舶,還需要處理投資周期較長的現實問題。而單一的替代燃料方案難以應對航運業巨大的燃料需求,全球港口和航運樞紐大多缺乏相關燃料的加注設施,尤其是遠洋航運的燃料供應基礎設施尚未形成統一的全球網絡。
 
此外,存量船舶的數量龐大,且迭代周期長、改造成本高。全球現有的船舶使用周期通常可達30年以上,短期內實現大規模的船舶替換或改造所需的投資非常高昂。此外,由于替代燃料和技術路線存在不確定性,船東在投資決策上面臨風險,可能導致投資延遲和進展緩慢。
 
展望未來,航運業減碳的前景將依賴于技術進步、政策協同和國際合作。通過促進可持續燃料生產的規模化和成本下降,以及加快全球燃料基礎設施網絡的建設,航運業有望逐步克服現有的挑戰,實現綠色轉型。
 
應對全球航運行業轉型痛點,為打通綠色航運燃料的上下游產業鏈構建交流與合作的平臺,西門子能源與馬士基將于2024年12月17日至18日在海南聯合舉辦“2024全球綠色航運大會”。大會的支持單位包括海南國際經濟發展局、馬士基·麥克-凱尼·穆勒零碳航運中心、中國能源建設股份有限公司,中國遠洋海運集團有限公司,申能(集團)有限公司,隆基綠能科技股份有限公司,以及畢馬威企業咨詢(中國)有限公司。會議以“邁向零碳未來—創新與合作推動綠色航運”為主題,包括氫、氨、醇等在內的綠色燃料生產商和航運界生態圈同仁共聚探討行業前景。
 
大會的專題研討環節將涵蓋政策法規、綠色燃料廠商和基礎設施、以航運企業為代表的需求端視角、國際綠色認證與碳足跡市場、綠色燃料全產業鏈綠色金融的轉型與機遇、政用產學研協同合作等熱點議題。致力于通過在技術、政策和市場機制等領域的交流與探討,助力提升全球航運企業的綠色競爭力,推動綠色航運產品和服務的市場化。從燃料生產、供應鏈管理到船舶運營的全價值鏈協同發展,促進綠色燃料的廣泛應用和能源效率的提升,從而助力建立中國航運業的生態系統。
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