船用甲醇燃料的全生命周期分析|甲醇_新浪财经

文/薛树业上海海事大学，《航海》

2023年7月，国际海事组织（International MaritimeOrganization，IMO）海上环境保护委员会（Marine Environment Protection Committee，MEPC）第80次会议审议通过《2023年IMO船舶温室气体减排战略》（MEPC.377（80）号决议），提出具体目标：“到2030年，应用零或近零温室气体排放技术、燃料和/或能源的比例，至少占国际航运所使用能源的5%，力争达到10%。”同时，该战略指出目标水平应考虑到IMO制定的《船用燃料全生命周期温室气体强度导则（LCA导则）》（MEPC.376（80）号决议）中所述的船用燃料全生命周期温室气体排放。2024年3月，MEPC81次会议审议通过经修订的LCA导则，即《2024年LCA导则》（MEPC.391（81）号决议）。此外，欧盟2023/959指令将航运业纳入其碳排放交易体系，船公司须缴纳相应的碳配额；欧盟关于在海运中使用可再生和低碳燃料的2023/1805条例（即FuelEUMaritime）将于2025年开始实施；欧盟经第三次重大修订的《可再生能源指令》（欧盟2018/2001指令）已于2023年11月20日生效。

IMO和欧盟针对船舶温室气体（GreenhouseGases，GHG）减排设定了分阶段的定量减排目标，并对零或近零GHG排放燃料提出了具体要求，以鼓励船舶转向使用替代燃料。当前航运零或近零GHG排放技术、燃料和/或能源在政策导向下发展迅速，这对实现GHG减排目标至关重要。在这方面，甲醇燃料表现出巨大潜力。

甲醇常温下为液态、易于操作管理，燃烧排放性能优良，对海洋生态系统友好，目前船用甲醇动力技术较为成熟，已有多个成功应用案例，且现有船队改装成本合理，加上甲醇全生命周期可实现零或近零GHG排放、供应链基础设施完善、生产原料来源广泛，因此甲醇被认为是解决航运脱碳问题的重要燃料。然而，甲醇全生命周期脱碳属性（即零或近零GHG排放的绿色性能）如何界定、生产甲醇的原料（如生物质原料、可再生氢）是否充足和可持续、市场机制能否弥补甲醇生产成本等问题影响船用甲醇燃料的推广使用。

本文梳理分析甲醇相较传统船用燃料的突出特点、分类及定义，解析马士基应用甲醇案例，基于国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）关于生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）的标准，分析船用甲醇燃料全生命周期的GHG排放，最后结合IMOLCA导则、欧盟《可再生能源指令》（European Union RenewableEnergy Directive，EURED）、Fuel EUMaritime关于全生命周期燃料的规定，探讨甲醇燃料在船应用情况。

1甲醇燃料的突出特点及分类

1.1理化特性

在理化特性方面，甲醇（CH3OH）与传统的船用燃料（船用重/轻质燃料油、船用重/轻柴油）有巨大差异，其突出特点是：

（1）燃烧排放性能优良。甲醇分子中的C、H、O原子以单键结合，不含碳碳双键、三键，氧含量高达50%，不含硫元素，因此甲醇在内燃机中燃烧更完全，不易产生碳烟，硫氧化物排放几乎为零。此外，甲醇的汽化潜热是传统船用燃料的4倍左右，这在燃烧过程中可有效减少氮氧化物的生成。

（2）需要更多存储空间。甲醇的低热值不到传统船用燃料的一半，而密度差别不大，若甲醇的能量密度笼统地按传统船用燃料的50%计，在船舶需要携带相同能量燃料的情况下，甲醇占用的存储空间需要多出一倍。

（3）降碳性能优良。即便不考虑全生命周期，从船端碳排放来看，综合甲醇的低热值、含碳量、燃烧做功效率等参数，甲醇相较船用重质燃料油具有10.8%的降碳潜力，可有效改善船舶能效设计指数、营运碳强度，且用化石原料生产的甲醇成本与船用低硫油相差不大。此外，在安全性方面，甲醇和汽油同属一个级别，需要特别注意的是其燃烧火焰日光下不可见以及不可饮用。

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1.2分类

目前，IMO对于零或近零GHG排放燃料没有定义，因而也无法定量去衡量燃料的GHG排放是零或近零。零或近零GHG排放燃料与绿色燃料之间也不能简单地画等号。

根据甲醇生产的碳原料（生物质、非生物质）、能量来源（可再生、非可再生）进行排列组合（生产甲醇的碳原料、能量来源见表1），按照是否可持续的原则，目前市场上甲醇可笼统地分为生物源可再生电制甲醇（绿色甲醇）、大气源可再生电制甲醇（绿色甲醇）、工业源可再生电制甲醇（蓝色甲醇）、化石源不可再生甲醇（灰色甲醇）等几类，见表1。随着国际航运碳减排目标的提高，船舶对绿色甲醇、蓝色甲醇有较大需求。

1.3绿色甲醇的定义

目前，国际上对绿色甲醇亦无统一定义和定量标准。

国际可再生能源署和甲醇研究所的报告《创新前景可再生甲醇（2021）》指出，可再生甲醇的生产过程需要符合一系列环境和社会可持续性标准，只有2种方式制取的甲醇才能称为可再生甲醇，即由生物质生产的生物甲醇，以及通过使用可再生能源捕获的CO2（具有碳捕获和储存功能的生物能源（Bioenergy with Carbon Captureand Storage，BECS）和直接空气捕获（DirectAir Capture，DAC）和绿色氢气（即可再生电力生产的氢气）获得的绿色电制甲醇。

笔者认为绿色甲醇燃料是指通过可持续的可再生能源或者碳中和技术生产的、全生命周期零或近零GHG排放的甲醇燃料。关于近零GHG排放的定量问题，可根据船用燃料LCA标准和具体减排政策来灵活确定。传统的甲醇生产通常使用化石能源，例如：天然气或煤炭，而生产和使用传统甲醇在全生命周期内会释放大量的CO2，对环境造成负面影响。绿色甲醇生产则利用可再生能源如太阳能、风能等，将可再生的生物质或碳捕的CO2转化为甲醇，从而减少对环境的影响，并且有望实现碳中和。绿色甲醇作为船用替代燃料和氢能载体，在未来船舶能源转型和减缓气候变化方面具有重要作用。

2马士基关于甲醇的使用

马士基制定了2040年实现碳中和的目标，在其2023年可持续发展报告中对绿色燃料的定义如下：与化石参考燃料相比，在其生命周期内GHG排放量低至极低的燃料。根据生产途径，不同的绿色燃料在生命周期内实现的GHG减排量也不同。所谓“低”，是指与化石燃料相比，在生命周期内GHG减排量达到65%~80%的燃料。“极低”是指与化石燃料相比，在生命周期内可减少80%~95%的GHG排放。

马士基关于绿色燃料的定义定量规定了绿色燃料相对化石参考燃料的减排比例，没有直接明确“生命周期内GHG排放量”所依据的标准或法规。然而，马士基根据LCA为绿色甲醇等非商品燃料制定了指南，强调对环境和社会潜在影响的评估，针对生物质原料和绿色燃料确立了三大管理要素：

（1）认证：所有生物燃料必须由第三方认证；所有燃料必须具有可持续性证明（Proof of Sustainability，PoS）或同等证明；马士基接受RSB（the Round table on Sustainable Biomaterials，可持续生物材料圆桌会议）和ISCC（the International Sustainability and CarbonCertification，国际可持续发展与碳认证）认证的燃料。

（2）生命周期GHG减排：燃料必须符合欧盟可再生能源指令（2018/2001）第29(10)条规定的最低减排量，即与化石参考燃料相比，生物燃料的减排量为65%，电制燃料的减排量为70%。

（3）原料：马士基只接受废料和残渣作为原料；林业废料和残渣必须来自FSC（Forest Stewardship Council，森林管理委员会）认证的森林或同等资源。马士基不接受任何第一代作物（如玉米、大豆、油菜籽、棕榈、甘蔗、甜菜、向日葵、能源作物）或通常用作饲料的原料；不接受任何第一代木质生物质；不接受任何与棕榈油有关的原料，包括棕榈油生产过程中产生的废料和残渣原料（如棕榈油厂废水、空果穗、棕榈脂肪酸馏分、废漂白土油）。

除气候变化外，马士基还考虑环境指标，包括生物多样性、生态系统、资源和材料损耗、人类健康和生态毒性、空气和水质等因素。

对于电制甲醇，马士基仅认可使用生物源CO2作为原料，并将其与绿氢结合生产的甲醇。生物源CO2是一种废料，产生自沼气升级为生物甲烷过程，或生物质发电厂、纸浆和造纸厂以及乙醇厂等，目前这些CO2排放到大气中。氢气必须是“绿色”的，即使用可再生电力通过电解水产生。

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3LCA标准及甲醇全生命周期GHG排放

3.1ISO的标准

ISO14040:2006《环境管理生命周期评价原则与框架》是一项关于LCA原则和框架的标准，其主要内容概述如下：

（1）范围：ISO14040涵盖LCA的整个过程，从LCA目标和范围开始，到清单分析、评价结果的解释和报告等。

（2）目标和应用：明确LCA的目标，包括确定产品、过程或活动的环境性能，并提供基于事实的信息以支持决策。

（3）定义：定义了LCA的术语，确保在实践中的一致性和清晰性。

（4）系统边界：确定LCA研究的边界，包括对产品、过程或活动的全生命周期的界定。

（5）功能单位：确定进行比较的功能单位，即比较不同产品或过程提供的功能的效率。

（6）生命周期清单分析：包括对物质和能量的投入和排放的定量评估，以及它们对环境的影响。

（7）生命周期影响评价：对生命周期清单的结果进行解释和评估，以确定对环境的潜在影响。

（8）解释：解释LCA结果的含义和不确定性，并提供信息以支持决策。

（9）报告：提供关于LCA结果的报告标准，确保结果的透明和可比性。

（10）评审：鉴定某个LCA是否满足方法学、数据、解释和报告要求的过程，同时核查它是否符合基本原则。

总的来说，ISO14040:2006为LCA提供了一致的方法和框架，以评估产品、过程或活动的环境性能，为可持续发展和环境保护提供了重要的决策支持工具。

3.2船用甲醇燃料全生命周期GHG排放

甲醇全生命周期GHG排放涵盖甲醇从生产到废弃处理的整个过程中释放到大气中的GHG总量。这包括所有与甲醇相关的GHG排放，无论是直接排放还是间接排放，以及在整个生命周期中可能产生的GHG排放。理解船用甲醇燃料GHG排放全生命周期评估可从以下5个重要方面着手。

（1）范围：全生命周期GHG排放包括生产、运输、使用和废弃处理等各个阶段的GHG排放。这意味着需要考虑到所有可能与船用甲醇燃料相关的上船前、船端、下船后的GHG排放源。

（2）直接与间接GHG排放：直接排放是指直接由船用甲醇燃料本身产生的GHG排放，如船上燃烧甲醇释放的CO2。间接排放则是指间接与船用甲醇燃料相关的GHG排放，如上船前的原料采集、产品生产、转化、存储、运输、销售、加注，以及下船后的废弃处理等过程中产生的排放。

（3）系统边界：为准确评估船用甲醇燃料全生命周期GHG排放，需要明确定义系统边界，包括对哪些环节和过程进行考虑和计算，以及GHG排放的种类和数量。

（4）数据收集和计算：收集相关数据，并利用LCA方法计算甲醇燃料的全生命周期GHG排放。这可能涉及使用专业软件或模型来进行准确的计算。

（5）综合评估：船舶应用甲醇燃料考虑整个产品或活动的生命周期GHG排放，强调燃料的可持续性和对气候变化的影响，提供更全面的评估，为减排措施的制定和实施提供科学依据。

船用甲醇燃料全生命周期GHG排放计算步骤包括：

（1）确定全生命周期各环节GHG排放源。

（2）生产阶段GHG排放计算：需要考虑原材料的采集、加工、运输以及甲醇生产过程中排放的GHG。生产过程中可能涉及使用化石燃料、电力等能源，这些能源的碳排放需要计入总体排放量中。

（3）运输、储存和分配阶段GHG排放计算：需要考虑甲醇从生产地到船端的运输过程中所产生的GHG排放。这包括甲醇的运输方式（如管道、卡车等），以及所用能源类型、任何泄漏损失。

（4）使用阶段GHG排放计算：需要考虑甲醇在船端燃烧过程中排放的GHG，主要是CO2排放。这一部分排放量通常是根据燃料的理论燃烧产生的CO2量来计算的。

（5）处置阶段GHG排放计算：需要考虑甲醇燃料在使用后的处置过程中可能产生的排放，例如甲醇残留物和废弃物处理的GHG排放。

（6）吸收和抵消：如果适用，需要考虑甲醇生产或使用可能导致部分GHG的吸收或抵消，例如碳捕获和封存技术或者利用可再生能源生产甲醇。

（7）验证和报告：对计算结果进行验证，并根据适用的标准，编制全生命周期GHG排放报告。

在这些步骤中，需要考虑各种因素，例如：甲醇生产过程中使用的能源和原料来源、生产技术的效率、运输距离和方式、船端燃烧转换效率等，以准确估算甲醇燃料的全生命周期GHG排放。

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4全生命周期燃料GHG排放的相关规则和政策

4.1IMOLCA导则

IMOLCA导则是一项技术指南，为船用燃料和其他能源载体（如电力）的全生命周期温室气体排放强度评估提供指导。该导则涵盖船用燃料全生命周期（有特定的边界），即从原料开采/种植/回收、原料转化为燃料产品、运输和分配/加注、到船上的燃料使用，此外还考虑了船用燃料的可持续性，并定义燃料全生命周期标签。该标签包含有关燃料类型、原料（原料类型和原料性质/碳源）、转化/生产加工（加工类型和加工中使用的能源）、温室气体排放因子、混合燃料和可持续性主题等方面的信息。

考虑到碳源，LCA导则给出两种关于船端温室气体排放因子（GHG emission factor，单位为gCO2eq/MJ）计算方法：（1）计算时不考虑碳源，因此不考虑ec和eccu；ec是指生物质生长产生的排放信用额，eccu是指用捕获的CO2作为碳储量生产合成燃料产生的排放信用额，且未在efecu（与原料开采/种植/获取/回收有关的排放）和ep（与原料加工和/或原料转化有关的排放，以及与原料转化为最终燃料产品包括发电有关的排放）中核算过。（2）计算时考虑了生物源燃料的碳源或由捕获的碳制成的燃料的碳源，因此考虑ec和eccu。无论采用上述两种计算方法中的哪一种，将对船用绿色燃料的界定产生重要影响。而与生物碳源、捕获碳源相关的排放信用额，以及可持续性认证，还有待IMO制定进一步的指导方法。

此外，LCA导则明确根据混合燃料中每种燃料的能量比例确定相关的温室气体默认值或实际排放因子（gCO2/MJ），计算时应使用各种燃料成分能量的加权平均值。这对于计算甲醇与其他燃料的混合燃料的碳转换系数等参数具有指导意义。

目前LCA导则尚未成熟可用[15]，LCA导则中没有关于零或近零GHG排放燃料的定义，亦无定量规定船用燃料全生命周期GHG排放因子低于多少算“绿色”，因此也无法确认哪种燃料为绿色。

4.2EURED

EURED是欧盟制定的一项法规，旨在促进可再生能源的发展和利用，减少对化石能源的依赖，以实现欧盟的气候变化和能源安全目标。该指令制定生物能源的可持续性标准，要求生物能源生产和使用过程符合一系列环境、社会和经济标准。这些标准包括土地使用变更、碳排放、生物多样性保护等方面。为促进可再生能源电力的发展，该指令规定了欧盟各成员国应采取支持措施，以确保可再生能源的竞争力和可持续性。此外，该指令要求欧盟成员国建立和维护可再生能源的认证和监测体系，以确保可再生能源的来源和使用符合法规要求。

EURED最初于2009年颁布，后经过修订和更新，目前的版本为REDIII。REDIII大幅提高了欧盟可再生能源发展指标，要求至2030年欧盟总能源消费中至少应包含42.5%的可再生能源，目标值为45%；设定可再生能源在交通领域的使用目标，要求至2030年可再生能源占该行业全部能耗的29%，或减少14.5%的GHG排放，其中交通领域至少1%的能源来自非生物来源可再生燃料（RenewableFuelsofNon-BiologicalOrigin，RFNBO），是指由非生物质可再生能源所产生的液体或气体的燃料，如绿氢。海运行业至少1.2%的能源来自RFNBO。

EURED规定对从化石来源捕集的CO2不给予扣除排放信用，来自生物质或从大气捕集的CO2才被称为“可再生CO2”。显然，这个规定较为苛刻。考虑到脱碳进程，在EURED补充条例中，欧盟对工业中捕集的CO2给予过渡期（2041年前），即由工业源CO2制备的甲醇可以暂认为绿色甲醇，但全生命周期GHG排放不超过28.2gCO2eq/MJ。4.3FuelEUMaritime

Fuel EU Maritime基于全生命周期，考虑船用燃料生产、运输、分配和船上使用的影响，以船舶报告的燃料消耗量和相关排放系数为基础，给出船用燃料的年平均GHG强度的计算方法和公式，划定GHG强度限制值（91.16gCO2eq/MJ）；允许船公司灵活地将合规盈余从一年转为另一年，或在一定限度内从下一年开始借入预付款合规盈余，此外也允许船公司汇集不同船舶，可以利用同一艘船舶的超额履约来弥补其他船舶的欠佳履约；未达到船用燃料年平均GHG强度限制的船舶须支付罚款，相关罚款将被用于促进船用可再生和低碳燃料的分配和使用，以实现航运业的气候和环境目标。

目前，航运业已纳入欧盟碳排放交易体系，但仍不足以支撑替代燃料尤其是RFNBO，而Fuel EU Maritime作为使用可再生和低碳燃料的激励和惩罚措施被引入航运碳减排政策中，但Fuel EU Maritime尊重技术中立原则，而不规定使用任何特定的燃料或技术。

船用甲醇的成本取决于其生产过程中使用的CO2源，这可能影响其在市场上的竞争力和可行性。FuelEUMaritime为促进全生命周期低碳、零碳甲醇燃料的在船使用提供了灵活的合规机制，通过合规履约来弥补低碳、零碳甲醇燃料在成本上的不足，但使用低碳、零碳甲醇能否产生溢价，还有待市场反应。

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5展望

根据IMO的统计数据，2019年至2021年甲醇燃料（不区分绿色属性）在船年消耗量分别约为3万t、7.7万t、13万t，在总燃料消耗量中占比很小，但增长势头迅猛。预计随着IMO航运GHG减排政策的进一步实施、甲醇相关技术的不断成熟和发展，甲醇将有望成为一种重要的船用替代燃料。

当前IMOLCA导则还在进一步完善中，尤其还需要进一步制定与生物碳源、捕获碳源相关的排放信用额，以及可持续性认证等方面的指导方法。不同CO2源制备的船用甲醇燃料的成本结构差异巨大，随着原材料价格变动、技术进步、政策支持和市场竞争的演变，这些成本也可能发生变化。我国的甲醇产量居世界第一，且工业源捕获的CO2存量巨大，积极争取在LCA导则修订中合理纳入工业源捕集的CO2作为绿色甲醇生产的碳源具有重要意义。

目前，船用甲醇燃料的全生命周期GHG排放认证主要通过ISCC、RSB等国外组织来完成，我国在这方面还缺乏话语权，这与我国作为甲醇生产和消费大国的地位不相符，因此，我国应大力发展自己的全生命周期GHG排放认证体系，以确保满足我国船舶在IMO、欧盟绿色甲醇燃料履约的需求。