来自化石燃料、生物质和废物的甲醇的生命周期评估及其在双燃料发动机中作为海洋燃料的用途

《Environmental Science & Technology》：Life Cycle Assessment of Methanol from Fossil, Biomass, and Waste Sources, and Its Use as a Marine Fuel in Dual-Fuel Engines

　　甲醇作为船舶燃料的全生命周期评估显示，生物基和有机废物来源的甲醇可显著降低温室气体（GHG）排放，其中生物质路线减排达58-226%，捕获CO?的e-甲醇减排高达327%。但化石燃料（如煤炭）路线的GHG排放高于传统船用油。双燃料发动机使用甲醇与MGO混合燃烧，虽减少硫氧化物（SO?）、氮氧化物（NO?）和颗粒物（PM）排放，但需添加6-17%的MGO作为助燃剂，导致能源密度降低约50%。研究强调可再生能源和碳捕获技术对甲醇生产的减排潜力，同时指出原料供应和物流优化的挑战。

　　甲醇作为一种替代性燃料，正逐渐在航运领域受到重视。这种重视源于其在提升能源安全和减少排放方面的潜力。本研究对甲醇作为航运燃料在不同生产路径下的全生命周期评估进行了深入分析，特别关注了其在双燃料发动机中的应用。研究涵盖了12种甲醇生产路径，这些路径来源于四个不同的原料类别：化石资源（如煤炭和天然气）、生物质（包括森林残余物和清洁松木混合、玉米秸秆、芒草和Miscanthus）、有机废弃物（如可再生天然气来自污水污泥、猪粪、食品废弃物和垃圾填埋气）以及利用捕获二氧化碳生产的电甲醇（e-methanol）。这些不同路径的全生命周期温室气体（GHG）和标准空气污染物（如NOx和PM）排放数据，提供了全面的对比分析，以评估其在实现国际航运减排目标方面的可行性。

航运业在全球贸易中扮演着至关重要的角色，据估计，超过80%的全球商品通过海运运输。随着全球贸易预计每年增长2.4%直至2029年，航运活动的增加可能会导致排放量上升250%。然而，国际海事组织（IMO）设想在2100年前实现航运行业的碳中和，并设定了到2050年比2008年减少50%的GHG排放目标。为了满足国际航运法规的要求，有必要将船舶燃料从传统的海洋燃料油（MGO，含0.1%硫）替换为替代性燃料。与需要大规模船舶改造或动力系统更换的其他燃料相比，甲醇作为替代燃料，可以在不显著改变船舶设计、发动机改装和燃料处理系统的情况下实现这些要求。此外，甲醇的使用还具有经济上的优势，全球船用燃料市场在2025年估值约为1360亿美元，预计到2034年将增长至1990亿美元。目前约有10万辆远洋船舶在役，每年消耗约4亿吨船用燃料。因此，从能源可持续性和安全性的角度来看，可再生燃料正成为航运业日益关注的焦点。

甲醇因其分子结构简单（CH3-OH），易于生产、储存和运输，而受到航运业的青睐。甲醇在广泛的温度范围内保持液态，从-98°C到65°C，这使其在极端气候条件下也具有良好的适用性。甲醇具有最高的氢碳比，意味着其在使用和燃烧阶段释放的CO2量比其他燃料更低。此外，甲醇在燃烧过程中不会产生硫排放，这一特性使其在减少航运对环境影响方面具有独特优势。甲醇的使用还减少了船舶改造的成本，相较于其他燃料，甲醇不需要昂贵的液化天然气储罐或加压系统。此外，甲醇在发生表面水泄漏时能迅速溶解并快速生物降解，这使其成为一种更环保的替代燃料。

多家发动机制造商，如MAN、Weichai和Scania，已经通过成功的海洋试验证明了甲醇作为燃料的技术可行性。近年来，甲醇燃料船舶和准备使用甲醇燃料的船舶数量在逐步增加。2024年订单簿中的船舶中，约有10%是甲醇燃料船舶或准备使用甲醇燃料的船舶。2015年，瑞典和德国的港口与芬兰制造公司W?rtsil?及加拿大化工公司Methanex合作，推出了世界上首艘甲醇燃料渡轮。2016年，韩国釜山的Lindanger号货轮成为首艘甲醇燃料的远洋船舶，该船能够使用海洋柴油油、燃料油和甲醇。丹麦航运公司Maersk也在2023年订购了七艘甲醇燃料集装箱船，其中六艘具有9000 TEU（20英尺等效单位）的容量。IMO在2020年12月发布的甲醇作为海洋燃料的安全指南，进一步推动了甲醇在航运领域的应用。甲醇是首个计划获得ISO燃料加注标准的替代燃料，涵盖了燃料转移系统、操作程序、风险评估、安全措施和人员培训。

甲醇的生产路径多样，且每种路径的环境影响存在显著差异。例如，来自木质生物质的甲醇在双燃料发动机中的全生命周期温室气体排放约为19克CO2e每兆焦耳（MJ），而来自废弃物的甲醇路径则显示出从-154到31克CO2e MJ的负排放潜力。这主要是由于将废弃物用于燃料生产，避免了传统废弃物管理系统所产生的排放。相比之下，来自化石资源的甲醇（如煤炭和天然气）显示出比传统MGO更高的温室气体排放，其中美国生产的煤炭基甲醇的温室气体强度为126克CO2e MJ，而中国则高达300克CO2e MJ。天然气基甲醇的温室气体强度则在94至110克CO2e MJ之间，这比低硫燃料油（LSFO）的排放强度更高。因此，为了实现航运行业的减排目标，有必要推动甲醇从可再生资源中生产。

甲醇的使用需要对船舶发动机和燃料处理系统进行一定的改造，以确保其与试点燃料（如MGO）协同工作。甲醇的高辛烷值、低热值和高汽化热意味着其燃烧需要更高的热量输入。因此，在不同发动机负载下，至少需要6至17%的MGO作为辅助燃料，以确保甲醇的高效燃烧。此外，甲醇的能量密度（约20 MJ/kg或15.9 MJ/L）远低于MGO（42.8 MJ/kg或35.8 MJ/L）和LSFO（39.4 MJ/kg或39.1 MJ/L），这意味着在相同的航程下，甲醇的使用需要更多的燃料，因此需要更大的燃料储存空间。这可能会带来燃料与货物容量之间的权衡，即在固定燃料储存空间的前提下，货物容量可能需要减少。尽管甲醇的价格（按质量计算为每吨477美元）低于LSFO（每吨612美元），但由于其较低的能量密度，甲醇在实际使用中的成本反而更高。

本研究的目标是进行全面的甲醇作为航运燃料的全生命周期评估，涵盖多种原料和转化方法，并在双燃料发动机中使用甲醇与试点燃料。目前，关于甲醇在双燃料发动机中的使用，文献中存在一定的空白。本文通过引入MAN等主要发动机制造商的最新发动机测试数据，填补了这一空白。此外，本文还考虑了捕集和储存过程中的碳排放影响，这是另一个重要的创新点。我们使用了最新的GREET 2024数据集进行全生命周期评估，并详细描述了生产过程和排放因素。为了确保这些路径之间的可比性，我们创建了一个统一的系统边界，进行了从源头到最终处置的全生命周期清单分析，讨论了全生命周期排放，并将其与化石燃料进行了对比，同时与IMO的目标进行了比较。我们还分析了燃料与货物容量之间的权衡，以确定其是否构成重大影响。本研究将为可持续航运的发展提供支持，并有助于改善航运业的排放状况。研究结果将支持有关甲醇作为航运生物燃料的政策和投资决策。

本研究采用了全生命周期评估（LCA）方法，以评估甲醇在不同生产路径下的环境影响。我们分析了12种甲醇生产路径，涵盖四个不同的原料类别：化石资源、生物质、有机废弃物和捕获二氧化碳。温室气体（GHG）评估指标包括CO2、挥发性有机化合物（VOC）、CO、CH4和N2O，并通过IPCC第六次评估报告（IPCC AR6）的全球变暖潜力（GWP）定义，综合呈现为CO2e。标准空气污染物（criteria air pollutants）包括SOx（硫氧化物）、NOx（氮氧化物）和PM（颗粒物）。关于可再生天然气（RNG）和电甲醇（e-methanol）的副产品、能源分配比例和避免排放场景的详细信息列在表1中。

甲醇的生产过程涉及多个步骤，包括原料的预处理、气体化或蒸汽重整、合成气的净化和压缩、酸气去除以及甲醇合成。对于木质生物质和煤炭，生产过程还包括间接气化和蒸汽重整。在这些过程中，需要考虑能源的分配比例和副产品的处理方式。例如，对于木质生物质的预处理，包括破碎和干燥，而煤炭则需要混合水进行破碎和筛选。合成气的净化和压缩过程包括去除焦油、甲烷和其他碳氢化合物，随后进行冷却、淬火和洗涤，以准备下游操作。酸气去除阶段使用胺基酸气富集装置和Merichem LO-CAT硫回收装置，以去除CO2和H2S。在合成阶段，甲醇与未转化的合成气混合，并通过热交换和冷凝回收甲醇，同时允许未转化的合成气和惰性气体（如CO2和CH4）的循环或排放。催化剂的使用和回收也是关键环节，包括去除催化剂中的残留焦炭，并将其返回到反应器中，以提供反应所需的能量。

在考虑碳捕集和储存（CCS）的情况下，甲醇的全生命周期温室气体排放和标准空气污染物排放均显著降低。例如，来自木质生物质的甲醇在双燃料发动机中的全生命周期温室气体排放约为19克CO2e MJ，而来自有机废弃物的甲醇路径则显示出从-154到31克CO2e MJ的负排放潜力。这主要是由于将废弃物用于燃料生产，避免了传统废弃物管理系统所产生的排放。对于电甲醇，其生产过程涉及从工业过程捕获的二氧化碳和氢气的合成。氢气的生产则通过蒸汽甲烷重整（SMR）进行。在这些过程中，捕集和储存二氧化碳的措施显著降低了甲醇的全生命周期排放，从而提供了额外的碳捕集（CCS）信用。然而，由于电甲醇在燃烧阶段不享受生物源二氧化碳的信用，其全生命周期排放仍然较高。如果使用可再生能源（如风能或太阳能）进行氢气生产或甲醇合成，电甲醇的全生命周期排放将进一步降低。

化石资源基甲醇的全生命周期排放高于MGO。煤炭基甲醇的生产过程中，煤炭气化是最高排放的环节，占总排放的36%，其次是甲醇与MGO的联合燃烧，占34%。煤炭基甲醇的全生命周期排放比MGO高出128%。天然气基甲醇的全生命周期排放比MGO高出约39%。这些差异主要源于不同的全生命周期清单数据，例如在本研究中，甲醇与氢气的生产比例约为50:50，而氢气作为一种高价值产品，可能使这一路径更具吸引力。然而，没有碳捕集的化石资源基甲醇并不是实现国际航运行业GHG减排目标的有效选择。当不考虑试点燃料时，这些化石资源基甲醇的全生命周期排放甚至更高。

在考虑碳捕集的情况下，甲醇的全生命周期排放和标准空气污染物排放均显著降低。例如，来自动物粪便基RNG的甲醇仍然是最环保的选择，其全生命周期排放比MGO低。然而，细胞壁生物质的路径显示出最高的排放减少潜力，其全生命周期排放比MGO降低了约140克CO2e MJ。这是由于在细胞壁生物质转化为甲醇的过程中，捕集和储存二氧化碳提供了大量的CCS信用。尽管煤炭基甲醇的CCS信用也较高，但其全生命周期排放仍然比其他甲醇路径更高。因此，碳捕集在降低甲醇的全生命周期排放方面发挥着重要作用。

甲醇在双燃料发动机中的使用能够显著降低NOx和PM的排放。例如，甲醇的全生命周期NOx排放比MGO低，达到IMO Tier II标准。NOx排放主要发生在燃料燃烧阶段，尽管甲醇本身不含氮，但燃烧过程中与大气氮的相互作用会产生NOx。相比之下，甲醇的全生命周期PM排放比MGO低，达到90%以上。RNG从污泥中生产提供了最高的PM减少率（68%），而LFG基RNG则仅通过避免能源和排放来减少PM。相比之下，动物粪便基RNG的生产过程在厌氧消化阶段会产生PM，使其成为所有可再生路径中最污染的选项。

在扩大生产规模时，需要考虑不同原料的可用性。例如，木质生物质和有机废弃物的可用性可能成为扩大甲醇燃料生产规模的限制因素。根据2023年的Billion Ton报告，美国每年使用的森林和木质生物质约有1.31亿吨，用于能源和生物基化学品生产。如果将这些全部用于甲醇生产，预计可以生产约5.8亿吨或730亿升的甲醇。然而，这些生物质原料将被用于其他用途。另一方面，2019年的总柴油燃料和残余燃料销售量约为2500亿升。由于甲醇的能量密度仅为柴油燃料的一半，预计需要约5000亿升的甲醇来替代这些燃料。因此，甲醇的生产和使用需要进一步优化，以减少运输距离和相关成本及排放。

在扩大生产规模时，还需要考虑生物质和废弃物原料的地理分布。原料供应中心与燃料需求中心之间的距离可能需要优化，以减少运输成本和排放。此外，可再生甲醇的生产还需要大量的低碳电力。由于电甲醇的生产过程中，水电解的电力需求远高于其他路径，因此需要考虑未来可再生能源和核能发电的增加。随着这些清洁能源的广泛应用，电甲醇的生产将显著增加，其全生命周期排放也将相应减少。

甲醇作为替代燃料在航运业中的应用仍然面临一些挑战。例如，甲醇的生产过程中，运输和注入二氧化碳的能源需求未被考虑。此外，不同原料的运输和分配距离存在差异，这可能影响整体排放和成本。尽管如此，甲醇在航运领域的应用前景仍然广阔，其全生命周期排放和标准空气污染物排放均优于传统燃料。通过使用甲醇作为燃料，航运业可以在不显著改变现有船舶设计的情况下，实现更低的排放和更高的能源效率。甲醇的使用还能够减少对环境的污染，特别是在发生泄漏时，其快速溶解和生物降解的特性使其成为更安全的选择。因此，甲醇作为一种可持续的航运燃料，具有广阔的应用前景和重要的环境和经济价值。