船用生物燃料白皮书:从FAME到HVO,未来二十年航运脱碳路线图(上)
目录
1.引言
2.生物燃料概述
2.1 什么是生物燃料？
2.2 生物质生产及其影响
2.3 生物燃料与温室气体排放的关系
2.4 使用生物燃料时的操作考量
3.FAME——脂肪酸甲酯
3.1 FAME的一般特性
3.2 混合燃料中的FAME
3.3 船上FAME的储存与处理
3.3.1 水分与微生物滋生
3.3.2 氧化风险
3.3.3 蜡质形成
3.4 FAME的燃烧
4.HVO——加氢处理植物油
4.1 HVO的一般特性
4.2 船上HVO的储存与处理
4.3 HVO的燃烧
5.生物燃料前景展望
6.财务考量
7.总结
CIICarbon Intensity Index碳强度指标EEDIEnergy Efficiency Design Index能效设计指数EEXIEnergy Efficiency Existing Ship Index现有船舶能效指数FAMEFatty acid methyl esters脂肪酸甲酯HSFOHigh-sulphur fuel oil高硫燃料油HVOHydrotreated vegetable oil 加氢处理植物油ILUCIndirect land use change间接土地利用变化IMOInternational Maritime Organization国际海事组织ISOInternational Organization for Standardization 国际标准化组织MEPCMarine Environment Protection Committee 海洋环境保护委员会VLSFO Very-low-sulphur fuel oil极低硫燃料油WATWax appearance temperature 蜡质出现温度WDTWax disappearance temperature 蜡质消失温度WTWWell-to-wake (lifecycle perspective)井到尾流（全生命周期视角）1 引言
国际航运在全球二氧化碳排放及其他温室气体排放中占有相当的比重，这些排放统称为二氧化碳当量（CO2e）。据估计，2018年国际航运行业排放了10.56亿吨二氧化碳，占同年全球温室气体排放量的2.89%。降低碳强度对于可持续的海上运输至关重要，这需要向更清洁、排放更低的能源转型。随着全球贸易需求和航运活动的持续增长，温室气体排放的未来轨迹取决于集体行动。国际海事组织（IMO）致力于应对气候变化，正在协同全球各行业、协议及发展目标保持一致。IMO正在采取紧急行动，通过解决关键问题和实施改革实现温室气体（GHG）减排。近期，IMO修订了其战略。2023年年中举行的IMO海洋环境保护委员会（MEPC）第80届会议期间达成的决定，MEPC 第80届会议的目标是实现航运相关的二氧化碳当量排放的大幅削减。修订后的战略在维持以2008年为基准到2030年减排40%的目标基础上，将2050年的目标更新为温室气体净零排放。为支持这一修订战略，IMO正采取短期、中期和长期措施。要实现IMO的二氧化碳当量减排目标并尽快限制国际航运的温室气体排放，向替代燃料的过渡势在必行。目前正在讨论多种燃料类型作为化石燃料的潜在替代品，包括绿氢和蓝氢、氨、甲醇以及生物沼气。然而，由于替代燃料的供应基础设施和技术成熟度仍有待发展，以上燃料解决方案属于长期措施。在燃料替代品中，生物燃料已确定为一种低碳的选择，对于航运业来说相对容易采用为短期措施。包括脂肪酸甲酯（FAME）和加氢处理植物油（HVO）的几种生物燃料类型已经可用。为适应对可持续燃料日益增长的需求，国际标准化组织（ISO）于2024年修订了船用燃料标准ISO 8217规范，允许在蒸馏油和残渣燃料油等级中以无限浓度使用脂肪酸甲酯进行混合。预计在不久的将来，甚至会有更多类型的生物燃料可用。然而，尽管有助于实现2050年IMO温室气体减排目标，但目前可用的生物燃料数量尚不足以达成这些目标。此外，国际社会正在制定可持续性要求，以考虑生物燃料从生产到使用的完整生命周期。本文重点关注FAME和HVO这两种对海运业有利的可用生物燃料选择。文章探讨了它们在储存、处理和操作方面的优势与挑战，以及相关的生产工艺和可持续性问题。2 生物燃料概述
2.1 什么是生物燃料？
生物燃料主要是利用可再生能源和生物质（如脂肪和植物油）生产的燃料。第一代生物燃料目前最广泛可得，由农业作物、植物油或餐厨垃圾等原料生产而成。第二代生物燃料由非食用生物质和废物流（如森林生物质和农业作物残余物）生产。第三代生物燃料尚在开发中，源自藻类和微生物。当今种类繁多的生物基燃料包括脂肪酸甲酯（FAME）、加氢处理植物油（HVO）、热解油以及醇类（如乙醇和甲醇）。与乙醇一样，FAME和HVO已是汽车行业采用的众多生物燃料之一。基于汽车行业运用的经验，FAME和HVO视为在船用柴油发动机中应用潜力最大。2.2 生物质生产及其影响
生物燃料虽然来自可再生资源，但同样存在环境方面的负面影响。土地使用问题便是一大隐忧，特别是对于第一代生物燃料而言。生物质通常种植在过去用于农业的农田。与粮食生产的竞争限制了生物燃料的可扩展性，但也带来了更广泛的挑战。在生物燃料需求增加的同时，对粮食和动物饲料的需求并未减少。相反，生物质生产正在将农业推向非农耕地地区，包括碳储量高的地区，如森林、湿地和泥炭地。生物质生产导致的土地利用变化称为间接土地利用变化（ILUC）。由于间接土地利用变化可能导致储存在树木和土壤中的二氧化碳当量释放，有可能抵消市场上生物燃料份额增加带来的温室气体减排效果。因此，使生物质生产符合确保最佳环境、社会和经济实践的协议和能源政策非常重要。2.3 生物燃料与温室气体排放的关系
生物燃料减少全生命周期温室气体排放（用海运术语即“井到尾流”（WTW）排放）的潜力，因其碳的生物源性而异。其中一些生物燃料，如源自木质生物质的先进生物燃料，与传统船用燃料油相比可减少90%以上的温室气体排放。若结合碳捕集与封存技术，可持续生产的生物燃料有潜力成为净零排放燃料。然而，原料来源导致间接土地利用变化，或在精炼过程中使用的能源对温室气体排放产生负面影响，那么该生物燃料可能有更高的“井到尾流”温室气体排放。因此，在评估生物燃料的可持续性时，原料来源和生产中使用的能源或许是最重要的考量因素之一。尽管生物燃料前景广阔，并视为是向净零排放过渡的关键，但人们并不认为生物燃料具有作为碳中和燃料的全部潜力。除了已讨论的可持续性因素外，生产成本以及航空和其他行业也需要生物燃料的事实，意味着海运业可获得的生物燃料供应有限。2.4 使用生物燃料时的操作考量
由于生物燃料与当今的石油燃料非常相似，常被称为“即用型”燃料。然而，生物燃料（包括FAME和HVO）的化学和物理特性在某些关键领域与化石燃料不同。因此，在船上的燃料操作与处理方面需要谨慎对待。本文的其余部分将专门研究FAME和HVO，详细阐述它们与传统燃料的主要区别。以下章节重点讨论与燃油管路设备（包括储罐、泵、分油机、燃油调节系统和过滤器）相关的船上问题。此外，还探讨了生物燃料对发动机性能的影响。3 FAME——脂肪酸甲酯
3.1 FAME的一般特性
脂肪酸甲酯（FAME）即为常说的的生物柴油。生物柴油完全来源于脂肪和油，如动物脂肪（如牛脂油）、植物油（如棕榈油、大豆油、菜籽油）和废弃烹饪油。更具体地说，FAME包含通过酯交换反应生产的单烷基酯。原料中的甘油三酯在催化剂存在下与甲醇反应，形成FAME和甘油的混合物。FAME的物理和化学特性取决于脂肪酸分子的长度（碳原子数）和不饱和度。FAME燃料的确切化学成分取决于原料以及原料的加工方式。FAME的生产是一个微妙、动态的过程，必须仔细控制，因为错误会导致成分变化，例如酸或乙二醇残留在FAME中。FAME分子的不饱和度影响燃料的行为，例如其氧化稳定性和冷流特性。例如，当原料的分子链具有较高不饱和度时，氧化更可能发生。同时，不饱和FAME的冷流特性通常优于高度饱和的FAME。另一方面，由含有更多饱和脂肪酸的原料生产的FAME与其他物质反应的趋势较低。作为一种生物柴油，FAME可以替代中低速柴油机中的船用柴油（MDO）和船用轻柴油（MGO）。然而，它更常用作混合组分。根据其化学成分，纯净形式的FAME可能会受到寒冷天气的影响，从而在较旧的发动机系统中引起问题。3.3 船上FAME的储存与处理
FAME具有一些特性，当用作船用燃料时需要谨慎注意。必须调整储存和处理程序以减轻可能的风险。3.3.1 水分与微生物滋生
燃料中的水含量可分为游离水、乳化水和溶解水。FAME的化学成分和溶解特性使其与石油衍生燃料相比对水有更强的亲和力，这意味着FAME更容易吸水。甲酯吸收水分并将其保持在燃料中的悬浮状态，而化石燃料则不会同等程度地吸收或保持水分。化石燃料往往会析出水分，在储罐中形成底层水。燃料中的水分通常来自水污染。例如，水可能通过通风不足或盘管泄漏进入燃料舱。FAME还能吸收空气中的水分（将其溶解至1000–1500 ppm的水平）并形成稳定的乳状液，使其容易受到微生物污染。细菌和真菌需要水分才能生长和繁殖。储罐内的水囊为失控的微生物滋生创造了理想条件，这可能对生物燃料造成毁灭性影响。例如，ECHA Microbiology Ltd.、Guardian Marine Testing和劳氏船级社在2014年进行的一项调查研究了含有一定量FAME的DMA级船用轻柴油样品。在测试的2346个样品中，约45%显示出微生物滋生的证据。微生物滋生是FAME操作的关键挑战之一，因为微生物会带来系统内堵塞的风险。因此，微生物污染能够也应该通过最小化水含量来控制。应积极、持续地从储存系统中除去水，并建议频繁检查水位。由于冷凝水也会导致水含量升高，储罐应尽可能保持满载。需要注意的是，微生物生长也需要时间。因此，尽快将燃料用完对FAME的重要性远超化石燃料。出于环境和健康方面的考虑，通常不建议使用杀菌剂来减少微生物滋生。相反，彻底维护燃油系统才是关键。做到油舱清洁、持续脱水以及分离过程可控，FAME就能像普通石油燃料一样使用。3.3.2 氧化风险
FAME的氧化稳定性也必须加以管理。FAME对氧化的抵抗能力低于石油衍生燃料，也就是说FAME更容易随时间降解，形成氢过氧化物、醛、羧酸、醇和不溶物。这些降解产物可能导致冷流特性、微生物滋生、储存过程中的分离以及燃烧时排放等问题。此外，酸基团的形成会影响燃料与金属和聚合物的相容性。水含量增加会加速酸产物的形成，因为在酸（低pH值）或碱（高pH值）存在下，水会促进酯水解成羧酸。此外，向FAME中加水可能导致皂状淤渣形成。当来自生产过程中不完全反应或FAME降解产生的游离脂肪酸与水、盐和金属（取决于总酸值（TAN）和总碱值（TBN）之间的关系）反应时，就会发生皂化反应。这些相互作用进一步凸显了良好燃油系统维护、脱水和及时使用燃料的重要性。FAME的高溶解性可能导致燃料舱和处理系统内的沉积物脱落，造成整个燃油管路堵塞的风险。此外，它会降解橡胶部件或与某些金属发生反应。燃油系统中的某些材料可能不相容，其严重程度取决于燃料的FAME浓度和接触量。为了限制FAME的降解，国际标准化组织（ISO）和欧洲标准化委员会（CEN）分别在ISO 8217和EN 14214中规定了氧化稳定性。然而，FAME的降解和由此形成酸产物不可避免。为避免对燃油系统部件造成不可逆的损坏，必须持续监测腐蚀情况，最好频繁进行目视检查。鉴于以上担忧，建议首次使用FAME操作时保持高度谨慎和注意。船舶运营者应采用低燃油流量、谨慎的温度管理和其他分油机优化策略，以促进有效的固体去除。3.3.3 蜡质形成
FAME粘度低，与柴油相当。但鉴于其成分是石蜡而不是甘油，蜡质形成和析出更为显著，且出现温度更高。柴油混合物的浊点、残渣混合物的蜡质出现温度（WAT）和蜡质消失温度（WDT）取决于具体的燃料混合物，不同混合物之间可能有很大差异。储存和分离的温度都应始终超过FAME的浊点或蜡质出现温度。如果出现蜡晶体，必须将FAME加热到其蜡熔点以上以恢复液态特性。通常，船上的轻柴油系统加热能力有限，在选择合适燃料时必须考虑系统设计和航行期间的环境温度。若系统加热能力不足，所形成的蜡质可能会阻碍生物燃料的正常使用，使其无法按预期送达发动机进油口。蜡质既可局部生成，也可大面积生成。燃料储存在双层底舱时，寒冷的海水条件（尤其是船舶从夏季航区驶入冬季航区时）会使其冷却。这些局部蜡质待日后使用该油舱时便会暴露出来，引发前述同样的问题。油舱加热设施虽能缓解风险，但局部蜡质形成始终难以避免。最佳对策是将FAME存放在船上环境温度远低于其浊点的区域。虽然需要足够高的储存温度，但请注意温度过高可能导致燃料中的物质反应并沉淀，形成胶状物质。因此，避免局部高温点（即热点）十分重要。为生物燃料设计的船舶，其燃料和油舱装置的设计方式应能实现再循环和加热。同样，船舶将具有适当的油舱涂层和适当的油舱排水系统。燃油系统设计者和造船厂应预期到这些需求，并为适当的生物燃料处理提供便利。为了进一步帮助避免蜡质问题，船舶运营者应养成从每批次加注燃料中取样的习惯。样品应送交实验室进行分析，务必注明其冷流特性，并且在收到实验室报告之前，不应使用新加注的燃料。燃料污染调查表明，即使是具有相同标注的混合燃料，其成分也有所不同，而适当的质量监控计划有助于防止意外事件的发生。3.4 FAME的燃烧
使用FAME时，可以通过降低喷射压力和延迟喷射时间来降低影响氮氧化物（NOx）生成的峰值燃烧温度。具体的操作方法应与发动机厂家确认。因为FAME几乎不含硫，所以大幅减少了硫氧化物（SOx）和颗粒物（PM）的排放。Source: Marine biofuels-What to expect in the coming decades, Alfa Laval
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