[Wind-to-Wake 從風頭到尾流]概念用於航運脫碳

航運脫碳超越了一般。了解最新的生命週期評估方法-風頭到尾流 Wind-to-Wake，這是綠色燃料的更新方法。

航運脫碳不僅僅是達到排放目標和隨後的燃料選擇。了解風至尾，這是綠色燃料的生命週期評估的更新方法。

作者：P. Manias、S. Turnock、D. Teagle 和 D. Hudson

南安普敦大學南安普敦海洋與海事研究所

摘要

生命週期評估（LCA）提供了一種客觀的方法，用於比較未來由可再生能源生產的海洋燃料，同時考慮它們的溫室氣體（GHG）排放足跡，從生產點到使用點的每一個階段都有所涉及。溫室氣體排放對通過全球變暖和氣候變化對人類構成一種存在威脅。海上航運幾乎完全依賴於化石燃料的燃燒，產生二氧化碳當量排放，並從氮氧化物、硫氧化物和顆粒物燃燒產物中對空氣污染做出顯著貢獻。

未來為船舶提供動力的途徑可能來自可再生能源。必須使用氨、甲醇和氫這三種主要替代品的基準過程，以確定相對於推動船舶行進所需的能量而言，哪種燃料需要的可再生能源投資最少，同時最大程度地減少空氣污染。氫可能是最具成本效益的解決方案，因為用於生產相當一部分儲存能量的可再生電力，是評估整體成本和最小環境危害的有效指標。

為何要脫碳海洋活動？

未來幾十年，社會將面臨的眾多挑戰之一是所有人類活動的快速脫碳化。污染的溫室氣體（GHG）排放對全球社會和重要生態系統構成了嚴重威脅。溫度上升將對難以預測、有害且前所未有的影響產生，許多地區可能變得無法居住。大氣中二氧化碳的增加導致全球變暖，這不僅是問題的唯一來源，空氣污染還負責每年420萬人死亡。將其放在透視的角度來看，COVID-19大流行在4年內造成了690萬人死亡。

大氣中的溫室氣體濃度上升，主要包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O），以CO2當量表示，主要是由於自工業革命以來燃燒煤炭、石油和天然氣等化石燃料，尤其是從20世紀末以來迅速增加。

航運業約佔全球CO2當量排放的2%。從該行業的角度來看，這個比例可能被視為“微小”，因為海運實現了全球90%的貿易。然而，CO2只是環境影響的一個組成部分，船舶還貢獻了約15%的全球氮氧化物和硫氧化物排放，以及全球顆粒物（PM2.5）的2%，相應地對由空氣污染引起的總死亡人數負有相當的責任。

IMO的作用

2023年，國際海事組織（IMO），聯合國負責監督航運和海事貿易的機構，通過MEPC 80的協議，強化了對GHG排放法規和減排的雄心，宣布了到2050年或附近實現淨零排放的長期目標。直到2018年的MEPC 78，IMO只渴望在2050年實現50%的減排。這些減排將部分實現通過提高效能，但還需要從未經修改的碳氫化合物燃燒轉向低碳燃料，並在可能的情況下實現電氣化。

圖1：燃料生命週期的評估方式

直到最近，對不同燃料的排放評估是以“油罐到尾流 Tank-to-Wake”的方式進行的（見圖1），其中排放僅從最末端輸出的角度考慮。根據MEPC 80的要求，這種方法將發生變化，轉向更全面的“井口到尾流 Well-to-Wake”評估，要求除了船舶的直接排放外，還必須考慮從提取、蒸餾和運輸中產生的排放。這種方法可以擴展到新一代的低碳燃料，如氨、甲醇和在內燃引擎中使用的生物燃料，或者像氫甚至核能這樣的零碳燃料。

航運新時代中的老技術

儘管內燃引擎擁有經過良好建立的可靠性和可依賴性標準，但它們的運作原理存在效率損失，以及部分燃料混合燃燒不完全的比例。即使在引擎設計方面取得了重大進展，燃燒過程中達到的高溫會促使NOx分子的形成。當硫存在時，SOx產生於石油滲入燃燒室內部或者更常見的是來自燃燒的燃料，這就是重油（HFO）的情況，它是最常見的航運燃料之一。

事後燃燒廢氣處理可能能夠去除CO2（見圖2），並且與其他裝置一起，顯著減少SOx和NOx排放。然而，引入這種設備會增加船舶動力系統的複雜性，影響整體可靠性，最終影響其能源效率，如果是開放式迴路，還可能對水生生物造成嚴重風險。

圖2：船上碳捕獲的化學吸收裝置系統佈局。

一些替代燃料通過不含碳或硫的方式提供了解決“油罐到尾流 Tank-to-Wake”排放的方案，而其他方法則建議降低燃燒溫度以減少NOx的形成。然而，這樣的方法未能考慮到燃料生命週期的其他部分的能源和排放影響。

豐富的“調色板”燃料

所有目前大規模生產的甲醇、氨、氫和生物燃料都存在一個共同的缺點，即在它們的生命週期的至少一個部分依賴於化石燃料。

在生產方面，“灰色”通常用來指示每種可持續燃料選擇如何從化石燃料中衍生而來，當結果的碳排放沒有被捕獲時。而“藍色”則表示已捕獲了相當比例的CO2排放。這部分燃料生產過程在“油罐到尾流 Tank-to-Wake”的評估中並未考慮，因此需要推動“井口到尾流 Well-to-Wake”的評估，符合ISO 14044標準。然而，重要的是要注意，生產過程只是“可持續”航運燃料對碳密集型能源依賴的總體的一部分。

在使用階段，還需要一種試點燃料，通常是柴油，來燃燒許多低碳燃料。展望綠色未來，其中船舶燃料僅使用可再生能源生成，我們需要一種新的思維，考慮從風頭到尾流 Wind-to-Wake（或是太陽）的整個過程，而不僅僅是井口到尾流 Well-to-Wake。

可持續性與化石燃料

在化石燃料行業中通常使用的能量回報投資指數（EROI）是一個比率，比較生產一個等效能量單位所需的能量與其在利用點的最終能量輸出。在過去的幾十年中，EROI顯示出生產每單位能量等效性所需的能量需求穩步而顯著增加。例如，在1990年代，需要一桶油來生產35桶油，而在2006年，一桶油需要生產18桶油，這種能量需求的增加與化石燃料成本的上升相平行。

EROI指數不包括捕獲排放所需的最低能量量，也不包括這樣做的成本，歐洲排放交易系統可能是“對碳排放徵稅”的可能途徑，通過設定每噸CO2的價格。

圖 3：三種替代燃料解決方案的能源、成本和排放示意圖。

在考慮未來燃料選擇時，包括氫氣、氨氣和甲醇在內，選擇應該取決於它們的風能轉換效率（見圖3），以總能量輸入對比推進器輸出的方式來表達，然後再考慮每單位能量生產的嵌入碳足跡。考慮到可再生能源必須用於製造淨零燃料，發展能夠生產這些綠色燃料的能源高效方法至關重要。風頭到尾流 Wind-to-Wake（圖1）似乎是每單位能量產生的嵌入碳足跡最少的能量途徑（7克CO2/kWhe），相較於太陽到尾流 Sun-to-Wake（14克CO2/kWhe）。然而，這並不限制尋找更少碳密集可再生能源的可能性。

一個有趣的問題是：“可再生能源何時能夠提供與化石燃料提取及其相應排放捕捉相當或更好的EROI值”。與此同時，碳稅的使用以及IMO的船舶碳強度指數（CII）等措施將通過降低實際成本差異來鼓勵航運業更快地使用淨零燃料。

圖4：未來燃料的工業生產過程。

在考慮最有前途的未來燃料，即氨氣、甲醇和氫氣（表1）時，重要的是要明白所有這些燃料都需要綠色氫氣的生產（圖4）。

表1：未來燃料的風頭到尾流 Wind-to-Wake能量。

總結

在淨零航運的現代時代初露曙光之際，建立一種全新的可持續生產燃料的整體評估至關重要。這種評估方法必須與迄今為止使用的方法不同，就像“礦山到尾流 Mine-to-Wake”概念在當今標準下顯得非常過時一樣。

與地下油田提取不同，依賴可再生能源的製造綠色燃料需要謹慎且戰略性的規劃，以確保足夠且負擔得起的可再生能源對每個人都可用。這就是風到尾流方法的應用之處，旨在最小化初始能量需求，更有效地利用每艘船上生產的可持續燃料，同時消除排放。