LNG作為船舶動(dòng)力燃料的效益分析

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(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

液化天然氣(LNG)作為一種重要的清潔燃料，逐漸在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，船舶市場也不例外。對(duì)于將LNG作為船舶動(dòng)力燃料后所產(chǎn)生的效益問題，從3個(gè)方面進(jìn)行分析討論。

1 緩解能源壓力 改善能源結(jié)構(gòu)

隨著全球?qū)κ拖牡男枨笕找嬖黾?，能源壓力也越來越大，英國石?BP)最新發(fā)布的《世界能源統(tǒng)計(jì)評(píng)估》指出，按照目前的消費(fèi)速度，全球已探明的石油儲(chǔ)量可以使用40年，中國的石油只夠用11.1年；而據(jù)勘察結(jié)果顯示，全球天然氣儲(chǔ)量約為179.5萬億m3，按照目前的消費(fèi)速度(年消耗2.689 3萬億m3)，足夠使用60年以上[1]，如果再加進(jìn)非傳統(tǒng)能源，例如頁巖氣，天然氣甚至可供人類使用250年[2]。船舶作為耗油巨頭，每年都要消耗大量的燃油，據(jù)IMO專家組發(fā)布的研究報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，目前航運(yùn)業(yè)每年共消耗20億桶燃油[3]。因此，如果船舶將LNG 作為動(dòng)力燃料(或動(dòng)力燃料的一部分)，那么勢必可以緩解能源壓力，延長石油的使用年限。

2 產(chǎn)生豐厚的經(jīng)濟(jì)利潤

LNG作為船舶動(dòng)力燃料會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)利潤。據(jù)統(tǒng)計(jì)，深海船舶有5%～6%的營運(yùn)時(shí)間都是航行在排放控制區(qū)(ECA)[4]，在這些區(qū)域要求船舶換用輕柴油，若此時(shí)能夠用相對(duì)低廉的LNG替換輕柴油，那么不僅可以滿足該區(qū)域的排放標(biāo)準(zhǔn)，LNG與輕柴油間的差價(jià)還可以節(jié)省巨額的燃料費(fèi)用。全球25個(gè)港口統(tǒng)計(jì)表明，2011年船用燃油的平均價(jià)格為637.26美元/t，較2010年上升了38%，而且隨著石油資源的日益減少，石油價(jià)格的節(jié)節(jié)升高，LNG的優(yōu)勢會(huì)愈顯突出，替換燃料后的利潤空間也會(huì)越來越大。

德國勞氏船級(jí)社和MAN公司的研究結(jié)果表明，以LNG為動(dòng)力燃料的船舶與傳統(tǒng)的相比，其初投資每千瓦會(huì)增加300～500美元(包括所有相關(guān)的設(shè)備費(fèi)用在內(nèi))，以一臺(tái)C8190ZLCS-1雙燃料柴油機(jī)為例，其額定功率為600 kW，則其初投資比傳統(tǒng)型增加了18萬～30萬美元。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)該柴油機(jī)在75%負(fù)荷下工作時(shí)，若只用輕柴油工作，則此時(shí)燃油質(zhì)量流量為94.6 kg/h；若采用的替代比為82.79%，則此時(shí)燃?xì)赓|(zhì)量流量為101 kg/h，燃油質(zhì)量流量為21 kg/h。如果按目前國內(nèi)市場價(jià)格(輕柴油約為9 000元/t，LNG約為5 600元/t)計(jì)算，則每天可以節(jié)省的燃料費(fèi)用為

[94.6×9-(101×5.6+21×9)]×24=2 323.2 元/天

即燃料費(fèi)用每天大約可以節(jié)省2 323.2元，因此不超過5個(gè)月即可收回增加的初投資。

另外，船舶冷庫的制冷需要消耗大量的能量，現(xiàn)階段，絕大多數(shù)的冷庫是采用多級(jí)壓縮制冷裝置維持冷庫低溫環(huán)境，其工藝流程耗電量大，涉及裝置設(shè)備較多；而如果使用LNG作為船舶的動(dòng)力燃料時(shí)，LNG在燃燒前需要汽化，汽化時(shí)放出大量冷能，其值為830 kJ/kg，若LNG冷能100%轉(zhuǎn)化為電力，則1 t LNG冷能相當(dāng)于240 kW·h[5]，通過載冷劑將這LNG冷能傳遞給冷庫，使庫溫維持一定的范圍內(nèi)。這種冷庫不再使用制冷機(jī)，不僅節(jié)省了大量的投資和運(yùn)行費(fèi)用，而且可節(jié)約35%以上的電力，經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。與傳統(tǒng)型冷庫相比，利用LNG冷能的冷庫還具有占地面積小、溫度梯度分明、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使其帶來的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)一步增加。

3 益于環(huán)保

隨著環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，各個(gè)領(lǐng)域?qū)Νh(huán)保的重視程度逐漸提高，相關(guān)的法律、法規(guī)也越來越健全、越來越嚴(yán)格，海事領(lǐng)域也不例外。國際海事組織(IMO)頒布的73/78 防污公約(《MARPOL73/78防污公約》)的附則Ⅵ對(duì)船舶向大氣排放NOx、SOx都做出了相應(yīng)的規(guī)定。該附則中，對(duì)NOx排放的限制標(biāo)準(zhǔn)如下[6]。

根據(jù)以上排放限制標(biāo)準(zhǔn)，IMO對(duì)船舶NOx排放的控制要求見圖1。

圖1 IMO對(duì)船舶NOx排放的控制要求

另外，IMO還規(guī)定：2015年1月起，船舶的SOx排放量必須由1%降低至0.1%。2016年，IMO將強(qiáng)制實(shí)施Tier III廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，它對(duì)NOx排放的限制更加嚴(yán)格(要求NOx排放量比Tier II的標(biāo)準(zhǔn)低75%)。圖2為各排放標(biāo)準(zhǔn)下，NOx的排放控制要求[7]。

LNG作為一種清潔能源，主要成分是甲烷，完全燃燒后的產(chǎn)物只有H2O和CO2，因此不會(huì)向大氣排放污染性氣體。因此，以LNG作為船舶動(dòng)力燃料，可以有效地控制氣體排放，進(jìn)而達(dá)到排放要求(可達(dá)到IMO Tier III的排放要求)。如圖3所示為LNG作為船舶動(dòng)力燃料時(shí)的減排效果圖(縱坐標(biāo)為氣體排放的體積百分?jǐn)?shù))。

圖2 NOx的排放控制要求

圖3 LNG作為船舶動(dòng)力燃料時(shí)的減排效果

W?rtsil?和Rolls-Royce在LNG作為船舶動(dòng)力燃料的研發(fā)上均已取得了長足的發(fā)展。

W?rtsil?已經(jīng)開發(fā)出包括20DF、34DF、50DF等一系列的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。世界上第一艘改裝為以LNG為動(dòng)力燃料的船舶“Bit Viking”，其主機(jī)采用的就是W?rtsil?的50DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)際運(yùn)行情況表明，當(dāng)使用LNG作為船舶動(dòng)力燃料時(shí)，CO2的減排量可達(dá)20%～25%，NOx的減排量可達(dá)90%，顆粒的減排量可達(dá)99%，SOx的排放量可降低為零[8]，這完全滿足IMO Tier III廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

Rolls-Royce在LNG作為船舶動(dòng)力燃料的研究上同樣非常成熟，并已經(jīng)研發(fā)出Bergen B、Bergen C系列船用的純氣體機(jī)，通過大量的運(yùn)行試驗(yàn)表明，這些氣體機(jī)的氣體排放完全符合IMO Tier III。圖4是Rolls-Royce對(duì)配備有“清潔設(shè)計(jì)”的柴油機(jī)(B32:40、C25:33)與氣體機(jī)(Bergen B、Bergen C)在廢氣排放方面的比較[9]，從圖中可以看出，Bergen氣體機(jī)的氣體排放完全符合IMO Tier III。

圖4 柴油機(jī)與氣體機(jī)的廢氣排放比較

另外，Bergensfjord的一艘雙向(double-ended)汽車輪渡的實(shí)際運(yùn)行情況表明：以LNG為動(dòng)力燃料，NOx減排92%，SOx和PM均減排100%，CO2減排23%。

其中，NOx的減排量相當(dāng)于160 000輛汽車1年的NOx排放量，因此LNG作為船舶動(dòng)力燃料的環(huán)保效果十分明顯。

4 結(jié)論

無論從能源結(jié)構(gòu)的改善，還是經(jīng)濟(jì)利益的提高，或是對(duì)環(huán)保的貢獻(xiàn)上分析，LNG作為船舶動(dòng)力燃料所創(chuàng)造的效益都是顯著的，而且隨著能源的消耗、技術(shù)的發(fā)展、法規(guī)的嚴(yán)格、基礎(chǔ)設(shè)施的完善，LNG相對(duì)于石油燃料的優(yōu)越性會(huì)愈加明顯，帶來的效益也會(huì)更加可觀，船舶以LNG為動(dòng)力燃料將是大勢所趨。

[1] 李申江.LNG市場分析[J].船舶物資與市場,2006

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[2] 劉 桑.LNG綠色船用燃料涌動(dòng)新“氣”象[N].中國水運(yùn)報(bào), 2011-07-20(4).

[3] 吳明華.LNG：船用燃料突破路徑依賴的選擇[J].中國遠(yuǎn)洋航務(wù),2010(12)：46-47.

[4] PIERRE C. Sames.LNG by Numbers[J].Nonstop,2012(1)：12-16.

[5] 侯偉平. 淺論LNG 冷能的利用及發(fā)展前景[J].中國科技博覽,2011(29)：368-369.

[6] W?rtsil? 50DF Project Guide[J]. Exhaust emissions,2005(1)：31-36.

[7] PATRICK BAAN. Environmental targets & Remedies[J],2012(4)：24.

[8] World′s first LNG fuelled product tanker now in service[N]. News Archive，2011.

[9] The use of LNG as fuel for propulsion on board merchant ships[R].European Fuels Conference Paris, March 8-11, 2011.