绿氢在减少温室气体排放方面效果显著，但如何获得足量且经济的绿氢目前仍然是艰巨挑战。
——零碳君
温馨提示：阅读本文大约需要12分钟本文来自“清澈海洋负责任航运中心”（ClearSeasCentreforResponsibleMarineShipping），原文标题：IsaFossil-FreeFutureforShippingaRealisticGoal?零碳君编译。▲世界上第一艘以氢气为燃料的油轮，为日本-澳大利亚HESC项目装载了第一批煤基H2货物世界各国都在采用到年实现零排放的温室气体（GHG）排放目标。全球海洋航运业也在评估是否将目前国际海事组织商定的到年减少50%的温室气体排放的目标提高到%。大型国际航运公司，如马士基、地中海航运和达飞海运，已经承诺到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如重油之类的化石燃料，可以为去碳化的挑战提供解决方案，ClearSeas公司为关于减少船舶燃料温室气体的研究提供了一些有价值的见解。燃料的电气化
为了找到一条通往零碳海运的道路，从燃料生产到消耗燃料来推动船舶的整个系统都需要纳入考虑。幸运的是，多年的创新已经使船舶成为世界上最有效的运输形式，并允许开发出最省油的发动机和螺旋桨驱动器。能源效率措施--如使用高科技的船帆--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某处。可再生电力是否可以作为一种清洁的动力来源？电气化在减少工业、家庭供暖和汽车等一系列现有化石燃料密集型工艺的温室气体排放方面有着巨大的前景。这是因为来自风能和太阳能的可再生低碳电力的成本已经下降，使其成为丰富的、经济上可行的替代品。但是，我们如何将这种更清洁的电力从源头送到船上？对于像渡轮和游船这样的短途旅行来说，电池是一个很好的选择，但对于大规模的海洋运输来说，电池显得太笨重而且无法储存所需的能量。这时，就需要替代燃料了。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运送到船上的问题。用氢气作为一种实现方式
科学家和工程师们发现，将电力转化为燃料的最佳方式是通过电解的过程，通过在电解器中运行电力，将水（H2O）分裂成氢气和氧气。这个过程需要大量的电力——一个家庭每天平均消耗的全部电力通过电解只能产生半公斤的氢气，其能量只能让一辆家庭汽车行驶12英里。但其这是在没有任何化石燃料参与的情况下生产的氢气——被称为“绿色”的氢气。不幸的是，氢气本身并不是一种非常好的船舶燃料。尽管氢气可以在船舶的发动机中相当有效地燃烧，如何向船加注和储存氢气是一个重大的挑战。氢气是一种高度易燃、比空气轻的气体，即使被压入气瓶或通过冷却过程液化，它仍然过于笨重，无法取代常规船舶燃料。氢气储存罐很昂贵而且很重，而且填充时需要耗费大量能源。但是，对于替代燃料来说，这只是个开始。通过将通过电解产生的绿色氢气与大气中发现的其他气体如氮气、二氧化碳和氧气相结合，可以制造出像氨、甲醇和甲烷这样的简单化合物，并更容易按需储存在船舶燃料罐中。如果对现有船舶发动机的设计和结构进行小的修改，这些化合物仍然可以在现有船舶发动机中燃烧。但是，为了用氢气制造这些合成替代燃料，需要有其他化学元素的可持续来源。氨燃料是一个领跑者，但它有毒
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。这个过程今天被广泛用于化肥制造，而且合成氨（化学式NH3）所需的唯一其他元素是氮--而这在我们周围的空气中供应充足。坏消息是，从空气中分离氮气是一个能源密集型过程，就像氨的制造过程一样。氨的另一个挑战是，如果泄漏，它可以变成有毒的蒸汽云，对人类和动物来说是致命的。那么，为什么会考虑使用氨呢？氨易于大规模工业化生产，而且我们在为化肥行业安全运输散装氨方面有丰富的经验，这些都是我们在替代燃料竞赛中支持氨的充分理由。▲氨气分子（NH3）在船舶发动机中燃烧氨气已被证明是可行的，尽管人们对其废气中产生的氮氧化物以及产生烟雾的氮氧化物（NOx）的温室气体排放有所担忧，但这些看起来是可以控制的。氨气可以通过冷却到相对温和的零下33摄氏度，变成液体用于运输和储存。甲烷燃料借鉴了化石燃料的经验
合成的电子甲烷与氨相比有一个优势，即其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安全设计和运行的流程、标准和法规。然而，合成甲烷的一个主要缺点是，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，它的寿命相对较短，但需要以类似于其他合成温室气体（如制冷剂）的方式警惕地防止其意外释放。第二个缺点是它与甲醇共同的缺点：制造甲烷（化学式CH4）需要添加公式中以C表示的碳。尽管以化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放形式的碳围绕着我们，但捕获它们并使用这种碳源并不能产生净零排放的燃料，因为这些碳来自于化石能源。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），例如在纸浆厂或木材燃烧发电厂，或直接从大气中捕获。通过自然过程从大气中捕获二氧化碳的木材等生物来源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靠所谓的直接空气捕获方法，即使用化学工艺从大气提取二氧化碳。还有待观察的是，通过扩大这些工艺的规模，是否可以将以这种方式捕获的碳的成本降到足够低，以制造含有直接空气捕获的二氧化碳的合成燃料。▲甲烷分子（CH4）与其他合成燃料相比，甲烷的主要优势是，它可以在现有的以液化天然气为燃料的船舶上使用，而无需修改，并且可以利用为运输化石燃料而建造的现有和不断增长的基础设施。同样的基础设施和燃料罐也有可能被用来储存氨，尽管它的储存温度为-33摄氏度，与液化天然气所需的-摄氏度相去甚远。氨的密度比液化甲烷高，所以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更容易管理的替代品
甲醇，虽然也有毒，但比起氨和甲烷更容易管理，因为它在室温下是一种液体。全球化学品贸易中，在船舶上安全运输甲醇的经验非常丰富，在发动机中燃烧甲醇似乎也没有什么问题。位于不列颠哥伦比亚省温哥华市的Methanex公司经营着世界上最大的甲醇油轮船队，其中越来越多的船队现在配备了燃烧甲醇的发动机。不幸的是，这些发动机中燃烧的甲醇是由化石燃料天然气生产的，ClearSeas的研究表明，来自这种化石甲醇的温室气体排放比来自现有的由石油生产的化石燃料更多。▲甲醇分子（CH3OH）但是，化石甲醇生产基础设施也提供了一个机会。通常情况下，工业甲醇是利用在蒸汽甲烷转化器中拆分化石天然气制成的氢气来生产的。生产零温室气体排放甲醇的第一步是用电解产生的绿色氢气替代化石天然气中的氢气。可惜的是，像甲烷一样，甲醇也需要一个碳源，因为它的化学式（CH3OH）包含一个C，代表碳。像电子甲烷一样，直接从空气中捕获大气中的二氧化碳将再次被用于制造电子甲醇。扩大电解绿色氢气生产规模的挑战
氨气、甲烷和甲醇都依赖于电解产生的绿色氢气的充足供应。这是产业链中最关键和可能最薄弱的环节。发展绿色氢气生产设施网络的计划已经开始实施，加拿大通过水电供应的低碳电网使其成为一个有吸引力的地点。魁北克省瓦伦纳市将成为世界上最大的绿色氢气设施之一的所在地。该工厂耗资2亿美元，将消耗88兆瓦的电力，每年生产11,吨氢气，但这个量只能达到以纯氢为燃料的大型集装箱船一年燃料消耗量的50%强。显然，让每艘船拥有两个价值2亿美元的生产设施来供应燃料，这在经济上是不可行的，也不实际。需要电解技术的进步来提高产量，但分裂水分子所需的化学能量造成的基本限制使这个目标成为一个挑战——每消耗1kWh的电力最多只能产生26克氢气。因此，即使瓦伦纳工厂能够实现%的效率，并且每天24小时运行，其产量也只能增加到每年20,吨氢气，只够一艘集装箱船使用。虽然用氢气制造合成氨、甲醇或甲烷确实能让氢气更有效率，但制造足够的绿色氢气来使全球海运业脱碳仍然是一个重大挑战。延伸阅读IEA年全球氢能报告：世界需要更果断的行动来削减低碳氢气生产的成本
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来自化石天然气的氢气能否弥补这一差距？
石油化工行业的氢气通常是通过在有蒸汽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。在电解技术改进之前，这是否可以用来替代绿色氢气？ClearSeas的研究表明，通过这种方法生产的氢气比用石油生产的传统海洋燃料排放更多的温室气体。它不应该被认为是一种替代品。碳捕获和封存经常被提议来解决这个由天然气生产氢气时产生的过量二氧化碳排放问题。世界上最大的碳捕获和封存工厂之一就位于加拿大。壳牌加拿大公司在阿尔伯塔省埃德蒙顿附近的Quest设施耗资13.5亿美元，每年可以在地下洞穴中捕获和储存略高于万吨的二氧化碳。听起来好像很多，但实际上仅相当于五艘大型集装箱船每年的二氧化碳排放量。尽管壳牌计划将二氧化碳捕集和封存的能力扩大到Quest设施的近10倍，但这些项目主要是为了处理壳牌的天然气加工和炼油厂的排放，无法用于减少船舶燃料的大规模氢气生产的排放。而且，即使捕获和封存的规模可以扩大，科学界对地下岩层封存二氧化碳而不随时间泄漏的能力也存在疑惑。不列颠哥伦比亚省本拿比的加拿大可再生能源公司EkonaPowerInc.正在试行一种名为热解的替代技术，该技术将天然气中的甲烷分解为氢气和碳粉。这种碳粉可以比二氧化碳气体更容易管理和处置，但该技术仍处于非常早期的开发阶段。生物燃料如何？
甲烷和甲醇的生物燃料版本可以从任何有机材料中生产。植物是大多数有机材料的来源，它们在生长过程中从大气中捕获二氧化碳，所以当它们被转化为燃料燃烧时，被认为是碳中性的。生物甲醇可以通过加热木屑，直到它们产生气体，然后清洗和提纯该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，木浆厂通常将燃烧这些副产品来产生能量。理论上讲，这些生物甲醇可以直接用于提供船舶燃料。但是，目前全球生物甲醇的生产非常有限，据国际可再生能源协会估计，每年只有20万吨。这还不够供应两艘大型集装箱船使用。生物甲烷比生物甲醇更常见，据加拿大沼气协会计算，目前仅在加拿大的个地点就生产了6PJ（10的15次方焦耳）的沼气。这包括动物废物的消化，以及从垃圾填埋场和污水处理厂收集的气体。但就数量而言，6PJ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的巨大挑战规模。随着对净零排放燃料的需求不断增加，对用于燃料生产的有机原料的竞争将只会加剧。专用的燃料有机物来源，如基因工程藻类，已经无法实现，而对新植被的土地使用变化对当地生态和气候变化影响的担忧，使这些选择越来越不可行。尽管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角色。要实现船舶燃料的温室气体零排放还需要更多的工作
考虑到从燃料生产到船上能源使用的整个能源系统，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的替代燃料的油箱和发动机的解决方案现在已经准备就绪，或者有正在进行的开发计划。改造主要用于远洋船舶的大型二冲程发动机，使其能够燃烧任何替代燃料的组合，看起来相对容易实现，船舶设计师正在应对燃料储存模块化的挑战，以便在现有船舶上安装甲烷、氨或甲醇罐。关键的差距似乎是在价值链上游的燃料生产部分，以及通过电解大规模生产绿色氢气。目前的解决方案将需要重大进展，以扩大到所需的生产量。如果要使用甲烷或甲醇，那么还需要在空气中直接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。生物燃料可以在过渡时期提供帮助，但只是很小的一部分，而且它们并没有为海洋航运的全面脱碳提供解决方案。看来，延长我们对化石燃料的依赖，并对二氧化碳或固体碳进行碳捕获和封存，可能需要考虑作为一个最不坏的临时选择，但需要非常谨慎，以防止在追求零温室气体排放的海洋燃料梦想时，无意中把更高碳强度的燃料带入价值链，而净零排放可能永远不会真正实现。尽管合成替代燃料为到年实现零温室气体海洋运输提供了一条潜在的途径，但它仍然是一条狭窄和危险的途径，当然还有创新和更激进的解决方案的空间，以帮助开辟一个真正没有化石燃料的未来。无需摇摆不定
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