未來的船用燃料

關於甲醇你想知道但又沒問的一切......

在清潔能源的競爭中，電力處於領先地位。但是，在不燃燒化石燃料的情況下，我們如何在船上生產必要的能源呢？

一家超級遊艇製造商給出了答案。

我們都喜歡我們的內燃機——即我們的ICEs——但是即使是最新最清潔的內燃機燃燒也會產生溫室氣體(GHG)，導致全球變暖。2023年，內燃機成了環保人士最討厭的東西，如果他們如願以償，到21世紀30年代中期，不管喜歡與否，我們都將駕駛電動汽車。但是我們的船怎麼辦？我們是否也必須用電動馬達取代汽油和柴油發動機嗎？電池動力可以在港口附近行駛，通常速度很慢，但是如果他們拿走了我們的內燃機，考慮到今天的電池技術，我們將如何獲得我們想要的海上巡航和釣魚的航程？沒人會帶那麼長的黃纜繩。也許有更好的答案。

與燃燒燃料的發電站、工廠、汽車、卡車、火車、飛機、輪船、割草機、吹葉機等排放的廢氣相比，遊艇產生的溫室氣體(二氧化碳、甲烷和一氧化二氮)的數量微不足道。歐盟表示，航運約佔所有來源的溫室氣體總排放量的3%。但大多數排放來自大型船舶，而不是遊艇：根據國際海事組織的數據，遊艇只佔整個海事行業溫室氣體排放的0.22%，不到所有行業總排放量的0.007%。在對抗全球變暖的戰鬥中，船東們都是無足輕重的小人物，所以即使我們把所有的內燃機都扔到海里，轉而使用電動發動機，又有什麼區別呢？任何溫室氣體排放的減少，無論多麼微小，對地球來說都是積極的一步，所以我們所有人都應該在減少碳足跡方面保持開放的心態。

阿茲慕 Seadeck 6

一些遊艇製造商走在了碳曲線的前面：Greenline自2008年以來一直在建造混合動力遊艇，使用船上柴油機和電動機進行推進，並在船錨處使用太陽能電池進行被動充電。電動機主要用於短程、低速巡航，柴油機可用於充電和更快的通行。意大利阿茲慕表示，其新的Seadeck系列混合動力遊艇將在一年的平均使用時間內減少40%的二氧化碳排放，包括巡航和錨泊時間。

Massimo Perotti

意大利聖勞倫佐的首席執行官正在建造一艘遊艇，其電力系統將由超高效(且清潔)的甲醇燃料電池提供電力。甲醇是最容易獲得的替代船用燃料之一。

沒有免費的午餐

航運業也在努力減少排放。2011年，國際海事組織制定了強制性措施，以減少船舶的溫室氣體排放，這些船舶傳統上燃燒高硫、糖蜜般粘稠的燃油，這是可以想象到的最髒的東西。目標是到2030年二氧化碳排放量比2008年減少40%，到2050年減少70%，溫室氣體總排放量減少50%。實現這一目標的一種方法是用使用可持續能源的可持續原料（可以用作燃料或轉化爲燃料的有機材料）生產的生物燃料取代碳氫化合物燃料。

生物燃料生產需要能源，並排放溫室氣體，數量取決於燃料的製造方式，有許多種方法，使用不同的原料和能源。但提煉原油需要能源，也會產生污染物。因此，目標是全面減少從生物燃料生產到消費的溫室氣體，而不是提取、提煉和燃燒化石燃料以生產類似數量的能源所產生的溫室氣體。（說到能源，沒有免費午餐。當整個社區同時插上電動汽車時，將燃燒多少額外的燃料和產生多少額外的溫室氣體來滿足電力需求？理想情況下，它仍將大大低於化石燃料驅動的汽車產生的溫室氣體排放量。)

生物柴油和乙醇是大多數人熟悉的生物燃料，但甲醇也是一種相對清潔的能源。根據美國能源部的說法，相對於其他替代燃料，甲醇的生產成本相當低，比汽油更不易燃，可以從各種有機原料中生產。在燃料電池中，甲醇不燃燒，而是通過電解來發電。“它也是市場上最容易獲得的(生物)燃料之一，在大約100個港口有供應，”聖洛倫佐的一位研發工程師說。

聖洛倫佐正計劃在意大利斯佩齊亞造船廠建造一款名爲50Steel的新船型，並於2024年下水。這艘164英尺長的遊艇將攜帶一組甲醇燃料電池，爲所有的“酒店”系統提供電力——基本上除了推進系統之外的一切。這艘創新遊艇的客戶是聖洛倫佐的首席執行官Massimo Perotti。

不用點火的能量

燃料電池通過電流作用發電，類似於電池的工作方式，但燃料電池不是儲存和釋放電電子，而是從燃料（通常是氫）中產生電子流。與電池一樣，燃料電池有陽極和陰極，由類似於塑料薄膜的聚合物電解質膜（PEM）分隔。當氫被引入陽極側時，催化劑（通常是陽極上的鉑塗層）促進氫原子分裂成質子和電子。聚合物電解質膜允許質子通過到達陰極，但電子必須通過導線從電池的一側到達另一側。在途中，他們爲電路中的所有電器供電。一旦電子到達陰極，它們就會與質子重新結合，並與大氣中的氧氣結合形成水分子。因此，水是燃料電池的唯一副產品，使其成爲一種非常清潔的能源。

那麼你從哪裡得到氫呢？雖然氫是宇宙中最豐富的元素，但它很少單獨存在；你必須從其他化合物中提取氫——通過正確的技術，你可以從水中電解出氫。或者你也可以從甲醇中獲得：一個重整燃料電池，像西門子能源公司爲聖勞倫佐設計的那樣，從甲醇、碳和氧的其他成分中分離出氫；只有氫離子會通過燃料電池。碳和氧以二氧化碳的形式排放，所以這種燃料電池不如純氫燃料電池清潔。然而，產生的二氧化碳量遠遠少於化石燃料發電機產生相同電量的廢氣量。

聖勞倫佐的工程師說：“在燃料電池產生能量的同時，重整器將甲醇轉化爲氫氣。”“這避免了船內有遊離的（爆炸性的）氫氣。氫已經存在於燃料電池組件中。”一些重整器燃料電池在高溫下運行，有些甚至使用蒸汽來分解甲醇，但由Advent技術公司製造的聖勞倫佐模塊在常壓下運行，僅略高於環境溫度。“不存在與高溫或高壓相關的特殊安全問題。”（截至發稿時，該系統正在接受勞氏船級社進行的風險分析程序，以驗證安裝情況。）

氫是一種極好的零污染燃料，但它很少自然生成，必須在極高的壓力下儲存和運輸。解決這一難題的一個辦法是通過甲醇重整燃料電池提取氫氣，這種電池可以產生大量的電力。

循環水

聖勞倫佐的燃料電池系統將由20個模塊組成，總髮電功率爲100千瓦。該公司工程師表示，這將足以滿足50Steel的能源需求。“電池產生的能量不會儲存，而是立即使用。船上有容量約爲600千瓦時（約7輛特斯拉）的鋰離子電池，但它們只用於緩衝峰值能量需求。”

50Steel將攜帶1320加侖甲醇，當與60/40比例的蒸餾水混合時，足以滿負荷運行約一週。水是爲重整器燃料電池提供燃料的必要成分。水和甲醇都必須絕對清潔——任何污染都會降低燃料電池的性能並縮短其壽命。重整器產生的水蒸氣將通過冷凝器，並在燃料電池中重複使用。因此，水也不會被排放到船外。

與儲存在高達10,000 psi壓力下的氫氣不同，液態甲醇在常規儲罐中可以在常壓下安全運輸。“然這是一種可以比作汽油或柴油的燃料，”聖勞倫佐的工程師說，“但它需要一個與普通油箱不同的專用燃料箱，目前的法規對其進行了不同的分類。”聖勞倫佐正在進行改裝甲醇罐的研究，以便在50Steel型號上使用。

像50Steel這樣的項目能拯救地球嗎?似乎不可能。要淨化大氣，光靠甲醇重整、電動汽車和氫動力汽車是遠遠不夠的。即使我們今天都放棄內燃機，在地球看到明顯的改善之前，你和我也將在冥河上駕船。但這是我們子孫後代未來的一個開始，也許它會激勵其他建造者，尤其是那些經營小型遊艇的建造者，採取類似的措施。這不會有什麼壞處，對吧?

甲醇用於推進裝置

甲醇重整器不僅僅是爲船舶系統提供動力；它們也可以用來旋轉螺旋槳。西雅圖的Elliott Bay設計集團爲路易斯安那州Maritime Partners伴設計了一艘帶有甲醇重整器推進裝置的拖船。Elliott Bay表示，“Hydrogen One”號是海事行業第一艘符合IMO 2030標準的遠程拖船。（IMO 2030標準代表二氧化碳排放量比2008年減少40%。）

世界首艘甲醇燃料拖船計劃在今年下水

這艘90英尺長的拖船由俄勒岡州本德市的e1 Marine設計重整技術，船上的燃料電池可以連續產生1700馬力，足以在加註燃料前以5.5節的速度行駛4天，即478海里。最高時速剛剛超過8.5公里。這聽起來不像動力和摩托艇的標準，但請記住：這是在推動裝滿貨物的駁船的時候。鋰離子電池也可以聯機長達六個小時，以在需要時大幅提高馬力，一臺傳統的150千瓦卡特彼勒發電機組爲它們充電。ABB Marine & Ports設計了一套電源管理系統，可以根據需要分配電力和自動化。

根據Elliott Bay設計集團的說法，與類似輸出的柴油發電機相比，重整器燃料電池消耗的能量減少約35 %，產生的二氧化碳少28 %，並且顆粒物、一氧化二氮和氧化硫排放爲零。它“非常適合任何需要長時間持續供電的船隻，包括工作船和中程客船。”只要有可靠的甲醇來源，它也可能爲沿海巡航的拖網漁船提供不錯的無柴油動力。

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