未来的船用燃料

关于甲醇你想知道但又没问的一切......

在清洁能源的竞争中，电力处于领先地位。但是，在不燃烧化石燃料的情况下，我们如何在船上生产必要的能源呢？

一家超级游艇制造商给出了答案。

我们都喜欢我们的内燃机——即我们的ICEs——但是即使是最新最清洁的内燃机燃烧也会产生温室气体(GHG)，导致全球变暖。2023年，内燃机成了环保人士最讨厌的东西，如果他们如愿以偿，到21世纪30年代中期，不管喜欢与否，我们都将驾驶电动汽车。但是我们的船怎么办？我们是否也必须用电动马达取代汽油和柴油发动机吗？电池动力可以在港口附近行驶，通常速度很慢，但是如果他们拿走了我们的内燃机，考虑到今天的电池技术，我们将如何获得我们想要的海上巡航和钓鱼的航程？没人会带那么长的黄缆绳。也许有更好的答案。

与燃烧燃料的发电站、工厂、汽车、卡车、火车、飞机、轮船、割草机、吹叶机等排放的废气相比，游艇产生的温室气体(二氧化碳、甲烷和一氧化二氮)的数量微不足道。欧盟表示，航运约占所有来源的温室气体总排放量的3%。但大多数排放来自大型船舶，而不是游艇：根据国际海事组织的数据，游艇只占整个海事行业温室气体排放的0.22%，不到所有行业总排放量的0.007%。在对抗全球变暖的战斗中，船东们都是无足轻重的小人物，所以即使我们把所有的内燃机都扔到海里，转而使用电动发动机，又有什么区别呢？任何温室气体排放的减少，无论多么微小，对地球来说都是积极的一步，所以我们所有人都应该在减少碳足迹方面保持开放的心态。

阿兹慕 Seadeck 6

一些游艇制造商走在了碳曲线的前面：Greenline自2008年以来一直在建造混合动力游艇，使用船上柴油机和电动机进行推进，并在船锚处使用太阳能电池进行被动充电。电动机主要用于短程、低速巡航，柴油机可用于充电和更快的通行。意大利阿兹慕表示，其新的Seadeck系列混合动力游艇将在一年的平均使用时间内减少40%的二氧化碳排放，包括巡航和锚泊时间。

Massimo Perotti

意大利圣劳伦佐的首席执行官正在建造一艘游艇，其电力系统将由超高效(且清洁)的甲醇燃料电池提供电力。甲醇是最容易获得的替代船用燃料之一。

没有免费的午餐

航运业也在努力减少排放。2011年，国际海事组织制定了强制性措施，以减少船舶的温室气体排放，这些船舶传统上燃烧高硫、糖蜜般粘稠的燃油，这是可以想象到的最脏的东西。目标是到2030年二氧化碳排放量比2008年减少40%，到2050年减少70%，温室气体总排放量减少50%。实现这一目标的一种方法是用使用可持续能源的可持续原料（可以用作燃料或转化为燃料的有机材料）生产的生物燃料取代碳氢化合物燃料。

生物燃料生产需要能源，并排放温室气体，数量取决于燃料的制造方式，有许多种方法，使用不同的原料和能源。但提炼原油需要能源，也会产生污染物。因此，目标是全面减少从生物燃料生产到消费的温室气体，而不是提取、提炼和燃烧化石燃料以生产类似数量的能源所产生的温室气体。（说到能源，没有免费午餐。当整个社区同时插上电动汽车时，将燃烧多少额外的燃料和产生多少额外的温室气体来满足电力需求？理想情况下，它仍将大大低于化石燃料驱动的汽车产生的温室气体排放量。)

生物柴油和乙醇是大多数人熟悉的生物燃料，但甲醇也是一种相对清洁的能源。根据美国能源部的说法，相对于其他替代燃料，甲醇的生产成本相当低，比汽油更不易燃，可以从各种有机原料中生产。在燃料电池中，甲醇不燃烧，而是通过电解来发电。“它也是市场上最容易获得的(生物)燃料之一，在大约100个港口有供应，”圣洛伦佐的一位研发工程师说。

圣洛伦佐正计划在意大利斯佩齐亚造船厂建造一款名为50Steel的新船型，并于2024年下水。这艘164英尺长的游艇将携带一组甲醇燃料电池，为所有的“酒店”系统提供电力——基本上除了推进系统之外的一切。这艘创新游艇的客户是圣洛伦佐的首席执行官Massimo Perotti。

不用点火的能量

燃料电池通过电流作用发电，类似于电池的工作方式，但燃料电池不是储存和释放电电子，而是从燃料（通常是氢）中产生电子流。与电池一样，燃料电池有阳极和阴极，由类似于塑料薄膜的聚合物电解质膜（PEM）分隔。当氢被引入阳极侧时，催化剂（通常是阳极上的铂涂层）促进氢原子分裂成质子和电子。聚合物电解质膜允许质子通过到达阴极，但电子必须通过导线从电池的一侧到达另一侧。在途中，他们为电路中的所有电器供电。一旦电子到达阴极，它们就会与质子重新结合，并与大气中的氧气结合形成水分子。因此，水是燃料电池的唯一副产品，使其成为一种非常清洁的能源。

那么你从哪里得到氢呢？虽然氢是宇宙中最丰富的元素，但它很少单独存在；你必须从其他化合物中提取氢——通过正确的技术，你可以从水中电解出氢。或者你也可以从甲醇中获得：一个重整燃料电池，像西门子能源公司为圣劳伦佐设计的那样，从甲醇、碳和氧的其他成分中分离出氢；只有氢离子会通过燃料电池。碳和氧以二氧化碳的形式排放，所以这种燃料电池不如纯氢燃料电池清洁。然而，产生的二氧化碳量远远少于化石燃料发电机产生相同电量的废气量。

圣劳伦佐的工程师说：“在燃料电池产生能量的同时，重整器将甲醇转化为氢气。”“这避免了船内有游离的（爆炸性的）氢气。氢已经存在于燃料电池组件中。”一些重整器燃料电池在高温下运行，有些甚至使用蒸汽来分解甲醇，但由Advent技术公司制造的圣劳伦佐模块在常压下运行，仅略高于环境温度。“不存在与高温或高压相关的特殊安全问题。”（截至发稿时，该系统正在接受劳氏船级社进行的风险分析程序，以验证安装情况。）

氢是一种极好的零污染燃料，但它很少自然生成，必须在极高的压力下储存和运输。解决这一难题的一个办法是通过甲醇重整燃料电池提取氢气，这种电池可以产生大量的电力。

循环水

圣劳伦佐的燃料电池系统将由20个模块组成，总发电功率为100千瓦。该公司工程师表示，这将足以满足50Steel的能源需求。“电池产生的能量不会储存，而是立即使用。船上有容量约为600千瓦时（约7辆特斯拉）的锂离子电池，但它们只用于缓冲峰值能量需求。”

50Steel将携带1320加仑甲醇，当与60/40比例的蒸馏水混合时，足以满负荷运行约一周。水是为重整器燃料电池提供燃料的必要成分。水和甲醇都必须绝对清洁——任何污染都会降低燃料电池的性能并缩短其寿命。重整器产生的水蒸气将通过冷凝器，并在燃料电池中重复使用。因此，水也不会被排放到船外。

与储存在高达10,000 psi压力下的氢气不同，液态甲醇在常规储罐中可以在常压下安全运输。“然这是一种可以比作汽油或柴油的燃料，”圣劳伦佐的工程师说，“但它需要一个与普通油箱不同的专用燃料箱，目前的法规对其进行了不同的分类。”圣劳伦佐正在进行改装甲醇罐的研究，以便在50Steel型号上使用。

像50Steel这样的项目能拯救地球吗?似乎不可能。要净化大气，光靠甲醇重整、电动汽车和氢动力汽车是远远不够的。即使我们今天都放弃内燃机，在地球看到明显的改善之前，你和我也将在冥河上驾船。但这是我们子孙后代未来的一个开始，也许它会激励其他建造者，尤其是那些经营小型游艇的建造者，采取类似的措施。这不会有什么坏处，对吧?

甲醇用于推进装置

甲醇重整器不仅仅是为船舶系统提供动力；它们也可以用来旋转螺旋桨。西雅图的Elliott Bay设计集团为路易斯安那州Maritime Partners伴设计了一艘带有甲醇重整器推进装置的拖船。Elliott Bay表示，“Hydrogen One”号是海事行业第一艘符合IMO 2030标准的远程拖船。（IMO 2030标准代表二氧化碳排放量比2008年减少40%。）

世界首艘甲醇燃料拖船计划在今年下水

这艘90英尺长的拖船由俄勒冈州本德市的e1 Marine设计重整技术，船上的燃料电池可以连续产生1700马力，足以在加注燃料前以5.5节的速度行驶4天，即478海里。最高时速刚刚超过8.5公里。这听起来不像动力和摩托艇的标准，但请记住：这是在推动装满货物的驳船的时候。锂离子电池也可以联机长达六个小时，以在需要时大幅提高马力，一台传统的150千瓦卡特彼勒发电机组为它们充电。ABB Marine & Ports设计了一套电源管理系统，可以根据需要分配电力和自动化。

根据Elliott Bay设计集团的说法，与类似输出的柴油发电机相比，重整器燃料电池消耗的能量减少约35 %，产生的二氧化碳少28 %，并且颗粒物、一氧化二氮和氧化硫排放为零。它“非常适合任何需要长时间持续供电的船只，包括工作船和中程客船。”只要有可靠的甲醇来源，它也可能为沿海巡航的拖网渔船提供不错的无柴油动力。

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