中美零排放集装箱走廊的加油评估 ： 氢可以替代化石燃料吗 ？

工作文件 2020 - 05© 2020 国际清洁运输理事会2020 年 3 月A 的加油评估中美零排放集装箱走廊 ： 氢能替代化石燃料吗 ？作者:毛小莉 ， 丹 · 卢瑟福 ， 柳德米拉 · 奥西波娃 ， 布莱恩 · 科默关键字:零排放船舶, 氢气, 燃料电池, 航运简介和背景2015 年，集装箱船排放了 2.08 亿吨二氧化碳 （ CO2 ） （ Olmer，Comer，Roy，Mao 和 Rtherford，2017 年 ），大约相当于越南整个经济 （ Global Carbo Atlas，.D.).世界上最繁忙的集装箱运输通道是跨太平洋走廊，2015 年，船舶在太平洋上运送了 2400 万个 20 英尺当量单位 （ TEU ） 集装箱，占世界总数的 46 ％ （ 联合国贸易和发展会议，2016 年 ） 。今天，化石燃料为集装箱船提供动力。未来，如果航运要脱碳，零排放燃料必须取代它们。但是，用零排放燃料来完成漫长的深海路线尤其具有挑战性，因为这些燃料单位体积的能量通常比化石燃料少。氢气已用于为汽车 ， 公共汽车 ， 卡车和渡轮提供动力 ， 但从未用于大型集装箱船 （ Hall ， Pavlenko 和 Lutsey ， 2018 ） 。1 维京公司计划建造一艘 1400 人 (乘客加船员) 的氢燃料电池游轮 ， 并且有中小型氢动力集装箱船的概念 ， 但今天没有一艘在水上。2随着国际航运业努力实现国际海事组织 （ IMO ） 初始温室气体 （ GHG ） 战略的雄心 ， 这可能会改变。根据该战略 ， IMO 旨在将国际航运的温室气体排放量减少到1内河和短途海运中的船舶都有氢应用。正如 Hall，Pavleo 和 Ltsey （ 2018 ） 所总结的那样，Alstewasser 是一艘可容纳 100 名乘客的氢燃料电池渡轮，于 2009 年至 2013 年在德国汉堡使用。Hydroville 是比利时的 16 名乘客的氢动力渡轮，于 2017 年推出。正如 Roy Campe 在 ICCT 的零排放船舶车间中解释的那样，它在内燃机中燃烧氢气。请参阅 https: / / theicct 。组织 / 事件 / 零排放船舶车间 SF - 2019 了解详情。2ZERO 是 Germanischer Lloyd 在 2012 年全球海洋环境大会上的演讲中提出的氢动力支线船概念 ： https: / / www. greencarcongress. com / 2012 / 09 / h2shipping - 20120907. htmltwitter @ theicctAcknowledgments:This work is generously supported by the Heising Simons Foundation and Aspen Institute. The authors also thank Jennifer Callahan for her critical review, exactEarth for providing Automatic Identification System data,IHS Fairplay 提供船舶特性数据， 陈晨帮忙分析. 2ICCT 工作论文 2020 - 05 | 中国和美国之间的零排放集装箱走廊至少 50% 到 2050 年与 2008 年的水平相比 ， 并尽快淘汰温室气体。国际海事组织将在 2023 年修订战略 ， 这可能意味着更强大的脱碳目标。即使是 IMO 初始战略的最低目标 ， 也需要使用新技术和燃料为船舶提供动力 （ Rutherford & Comer ， 2018 ） 。 2019 年 7 月 ， ICCT 主办了一次零排放船舶技术国际研讨会 ， 讨论零排放国际航运的途径和障碍。3 与会者认为氢燃料电池是一种有前途的技术。在那个研讨会上，博士约瑟夫 · 普拉特 （ Joseph Pratt ） 展示了由液态氢驱动的燃料电池如何扩大规模，甚至可以为最大的集装箱船供电。基础研究发表在 Mieha 和 Pratt (2017) 中。Comer （ 2019 ） 应用 Mieha 和 Pratt （ 2017 ） 的方法来确定氢是否可用于北极航运，并得出结论认为氢是零碳，远程北极航运最有希望的解决方案。虽然当前。氢使用的障碍包括供应有限 ， 燃料基础设施有限以及相对于化石燃料的较高成本 ， 重点研究和开发以及政策干预可以随着时间的推移降低这些障碍。本文分析了为中美之间的航运走廊服务的集装箱船船队的能源需求和加油需求 ， 以研究使用氢燃料电池为船舶供电的可行性。4 由于这条路线目前没有加氢基础设施 ， 因此它还确定了可以开发此类基础设施的港口。我们首先评估了在两国最繁忙的港口群之间运营的集装箱船的基线能源需求 - 中国的珠江三角洲 （ PRD ） 地区和圣佩德罗湾 （ SPB ） 地区美国。这在下文中被称为 PRD - SPB 走廊。我们对这些船舶的燃料需求和空间需求进行建模，这些船舶由氢气提供动力，作为低温液体存储并用于燃料电池，而不是内燃机中的重油 （ HFO ） 。然后，考虑到船舶的燃料和推进设备的可用空间，我们计算出用氢可以完成的航程和航程的份额。随后，我们评估了两个潜在的选择来提高成绩。这条走廊中由氢提供动力的船舶的比率。一种选择是牺牲一些货物空间来在船上放更多的氢燃料。另一种是在途中允许更频繁的加油。我们的主要发现是，沿着 PRD - SPB 走廊进行的 99 ％ 的航行可以由氢代替化石燃料提供动力，而船舶的燃料容量或操作只有很小的变化。具体来说，这可以通过用更多的氢燃料替换某些船舶 5% 的货物空间来实现，或者通过增加一个额外的港口停靠来在途中为氢燃料。重要的是，我们还发现 43 ％ 的航程可以在不增加任何燃料容量或额外港口停靠的情况下完成。本文的其余部分组织如下。以下部分解释了用于分析 PRD - SPB 走廊的集装箱船加油需求的数据和方法。随后 ， 我们讨论了结果 ， 然后结论确定了进一步研究的潜在领域。数据和方法2015 年 ， 一支集装箱船队为 PRD - SPB 走廊提供服务。每艘船都沿着这条走廊完成了一次或多次航行 ， 每一次航行都由一条或多条航段组成。当船只航行时 ， 它们向陆基和卫星接收器广播它们的位置和速度。我们使用这些数据来隔离和绘制 PRD - SPB 走廊的航程。3ICCT 于 2019 年 7 月举行了零排放船舶国际研讨会。更多详细信息 ， 请访问 https: / / theicct. org / events / zero - emission - vessel - workshop - SF - 20194加油或加油是指将更多燃料注入船舶以便继续航行的操作。 3ICCT 工作论文 2020 - 05 | 中国和美国之间的零排放集装箱走廊船舶在每个航段的末尾呼叫临时港口，直到它们到达最终目的地。一旦航程或航程完成，我们将其称为已到达的航程或航程。我们将航行定义为由一艘特定船只完成的 PRD 和 SPB 港口之间的一次旅行。每次航行都是单程的，可能包括到达 PRD 或 SPB 之前的临时港口停靠。航段定义为两个港口之间的一次连续行程 ； 船舶在航段期间不会停止。最后，达到率定义为使用氢与燃料电池代替化石燃料与内燃机获得的航程或航程的份额。使用我们的船舶排放系统评估 （ SAVE ） 模型，我们计算了船舶完成航行所需的能量，以及每艘船上是否可以存储足够的液态氢以满足其能源需求。大多数用于运输的合成燃料的选择，包括甲醇，氨和氢气，每单位体积的能量比 HFO 少 （ Horvath 等人。， 2018 ） 。这意味着切换到这些燃料将减小给定燃料箱容积和转换效率的范围。出于这个原因，零排放航运可行性的一个关键衡量标准是船舶是否可以携带足够的燃料来服务现有的航段和航程。为了评估这一点，我们通过以下步骤计算了腿部和航程的达成率。然后在下面简要讨论这些步骤中的每一个。1.确定 2015 年沿 PRD - SPB 走廊运营的船只 ， 包括完成的确切航段和航程以及访问的港口。2.估算这些航程和航程使用化石燃料时的基线能源需求。3.对这些航程和航程所需的液态氢燃料的体积进行建模 ， 并将其与每艘船上可用于液态氢燃料的空间进行比较。4.将基线达到率评估为氢动力船舶可以满足的航程和航程的百分比 ， 而无需用燃料代替货舱或在途中增加加油站。5.评估两种选择 ， 用燃料空间代替货物空间和更频繁地加油 ， 以确定是否可以提高达到率。航程识别和基线能源需求船舶通过称为自动识别系统 （ AIS ） 的设备每隔几秒钟就会广播其位置和速度。我们首次分离了 2015 年北太平洋上出现的 AIS 数据。然后，我们使用 ICCT 的 SAVE 模型来识别船舶何时在泊位。最近的港口被定义为该航段的船源。当船离开港口时，我们跟踪它，直到它停在一个新港口的泊位。这成为当前腿的目的地和下一条腿的起点。我们依次连接连续的航段，直到船到达 PRD 港口或 SPB 港口。任何起源于 PRD 或 SPB 港口或结束的航段序列都被归类为沿 PRD - SPB 走廊的航行。We used the SAVE model to estimate the amount of energy needed for each leg for each container ship in 2015, and this served as the baseline. The SAVE model uses a bottom - up methodology to estimate hour energy demand for each individual ship (Olmer et al., 2017).需要为了那条腿。每艘船上所需的液氢燃料量和可用燃料量为了满足每个航段的能量需求 ， 船舶必须消耗比化石燃料更大的液态氢。这是因为氢具有较低的体积 4ICCT 工作论文 2020 - 05 | 中国和美国之间的零排放集装箱走廊2能量密度。满足相同能量输入要求的液态氢的等效体积计算如下 ：公式 1Erequired _ l其中:VLH2need _ l=LH2× LH× 燃料裕度VLH need _ l=2液态氢燃料系统体积需要提供足够的能量来完成支腿 l ， 单位为 m3Erequired _ l=完成航段 l 所需的能量输出 ， 单位 ： kWh ；DLH=2液氢燃料系统的体积密度 ， 1, 332 kWh / m3（ 科默 ， 2019 年 ）aηLH=2氢燃料电池将液态氢转化为能量的效率 ， 我们假设为 54 ％ （ Comer ， 2019 ）燃油裕度 =船舶通常携带比船上所需更多的燃料。我们假设所有船舶的燃料利润率为 1.2 。[a] 与 Minnehan 和 Pratt （ 2017 ） 一致 ， 我们假设液态氢燃料电池系统的密度为 40 kg / m3， 即使液态氢的密度为 71 kg / m3。这是考虑到绝缘罐和其他燃料系统组件所需的空间。乘以 40 kg / m 的液态氢燃料系统的密度3根据氢的能量密度为 33.3 kWh / kg (Hall 等人 ， 2018 年) ， 我们得出 1, 332 kWh / m3.每艘船上燃料运输的可用空间有限 ， 我们使用 Comer （ 2019 ） 方法估算了液态氢燃料系统的可用空间 ， 如下所示 ：公式 2其中:VLH _ capacity _ i= 5 × Ve _ i–VFC _ i+Vf _ iVLH_容量_i=2I 船上液态氢燃料系统的可用空间 ， 单位 ： m3Ve _ i=第 i 艘船上现有发动机所占的体积 ， 单位为 m3, (见公式 3)VFC _ i=提供与第 i 号船上现有主发动机等效输出功率所需的燃料电池系统体积 ， 单位为 m3Vf _ i=第 i 艘船上现有油箱所占的体积a， 以 m 为单