尽管目前该氨燃料加注设施由一艘可装载1000立方米或650吨绿氨的驳船改装而成,许可期允许每年进行416次加注作业,其中多数为定期停靠弗洛罗峡湾基地的海工支持船加注,但根据规划,这只是Yara Clean Ammonia和Azane Fuel Solutions在斯堪的纳维亚半岛推出的码头加注网络的一部分。更重要的是,虽然氨被广泛认为是一种非常可行的航运替代燃料,可从生产到船舶应用的完整闭环一直未被有效合拢,而此规划标志着氨燃料成为安全、低排放的航运替代燃料的一个重要里程碑。

氨为氢的衍生物,分子式中不含碳,燃烧自然不会产生碳排放,另外与氢相比,氨更易储运、可被大型远洋船舶使用且能量密度相对更高,因此被航运业寄予减排厚望。有权威机构预测,到2040年,航运业的氨使用量将达到1900皮焦耳(PJ),约占航运燃料构成的13%,2050年将达到5000皮焦耳,占航运燃料构成的36%。作为燃料,氨在助力航运业减碳方面将是非常重要的选择。

从供应端来看,氨的生产已不是问题,储存设施也非常成熟,因此建立全面且有竞争力的氨燃料加注供应体系将大大提升氨动力船舶的适航性,船东或运营商则会有更积极的氨燃料船队投资想法。

作为全球最重要的港口之一,新加坡港不久前为一艘新加坡旗船进行了氨燃料加注,该港也成为了全球首座完成氨燃料加注的港口。

新加坡港的地位特殊且十分重要,而正在加速氨燃料船舶研究与应用的日本也在新加坡港进行着积极投入。2020年,伊藤忠商事(Itochu)与荷兰皇家孚宝集团(Vopak)达成协议,共同研究在新加坡开发建立氨燃料供应链基础设施的可行性。一年后,伊藤忠商事牵头升级合作,另邀商船三井、新加坡天然气储运公司Pavilion Energy和道达尔能源船用燃料部门(TotalEnergies Marine Fuels)加入,以扩大和加速氨燃料供应链(包括在新加坡陆上和/或海上基础设施及氨燃料加注船)的联合开发。2022年4月,伊藤忠商事与新加坡海事及港务管理局启动氨燃料加注安全联合研究框架,2023年,8家公司和组织与伊藤忠商事进一步签署了氨燃料集装箱船氨加注安全谅解备忘录。

除上述利用和扩大在新加坡开发实施氨燃料供应链项目外,目前还有一项大型合作。住友商事(Sumitomo)、吉宝海工海事、A.P.穆勒-马士基、马士基 · 麦克-凯尼 · 穆勒零碳航运中心、雅苒国际和飞励特船舶管理有限公司(Fleet Management)于2021年签署一项备忘录,探索新加坡可再生船用氨燃料的供应与补给,旨在于新加坡铺设船用氨燃料加注供应链网络。2022年4月,川崎汽船和新加坡海事与港务管理局成为新成员,这8家公司及机构的目标是在2030年启动氨燃料加注服务。

氨燃料供应网络的建设需要建立大型卸货和加注基地,覆盖整个氨燃料端到端的基础设施,因此与全球重要港口合作建设绿色燃料加注网络对于为氨燃料船舶提供服务十分必要。上述3个已有且未来可形成规模的氨燃料供应网络的设立出发点正在于此。

随着氨燃料加注供应链的完善,加注模式自然发生变化,加注地从码头转移到海上,灵活性更强,可有效保障国际航行船舶航行时间,降低物流成本。此前市场并没有氨加注船,但着眼未来,业界不断探索更加灵活的氨燃料“船对船”加注方案。

2022年1月,商船三井、伊藤忠商事和胜科海事共同设计并开发了世界上第一艘氨燃料加注船,作为建立向未来型燃料过渡所需的基础设施的第一次尝试,该船在参考瓦锡兰气体解决方案部门和相关公司对货物密封系统和加注系统的设计意见后,创建了新型氨燃料处理系统。同年6月,吉宝海工海事获得一型氨燃料加注船的原则性认可(AiP)证书,该船船长188米,氨储罐容积达33000立方米,可为各种氨动力船舶进行及时的燃料补给。特别需要强调的是,这两艘已获AiP证书的氨燃料加注船,正是分别由伊藤忠商事和住友商事牵头的新加坡氨燃料供应链联合开发项目的一部分。

另外几艘已获AiP证书的氨燃料加注船也颇具特色。新加坡造船集团PaxOcean进行氨燃料加注船原型设计在支持使用绿色氨作为可持续燃料来帮助全球航运实现脱碳的同时,还将智能和自主船舶技术创新纳入其中。日本邮船研发的氨燃料加注船在最初概念设计阶段通过3D建模,使其能够在获得AiP证书的过程就HAZID中对危险地点和逃生路线的风险评估进行更深入讨论,并能够设计出包含针对氨毒性和腐蚀性的充分安全措施规格。三菱造船进一步考虑了更加灵活的氨燃料加注船概念,足够的储罐容量和灵活的机动性可确保与其服务的各种氨燃料船舶兼容。SeaTech与新加坡航运企业Fratelli Cosulich Bunkers Singapore联合开发的21000立方米氨燃料加注船建造方为南通中集太平洋海洋工程有限公司,这是中国船厂建造的首制氨燃料加注船。HD现代尾浦研发的10000立方米氨燃料加注船配备两个圆柱形C型储罐、一套气体再液化装置,另可基于运营商需求采用单/双螺旋桨推进设计方案。2023年11月,Azane Fuel Solutions和Amogy达成协议,双方探讨在前者开发的氨燃料加注船上使用后者研发的氨发电系统的可行性。中船重工船舶设计研究中心有限公司推出的世界首艘16000立方米氨燃料加注/运输船是“船对船”加注向前迈出的重要一步,这艘船总长144.7米,型宽24.5米,由四台氨燃料发动机作为船舶电站,设有高低集管区,加注速率约2400立方米/小时,可适应不同尺度船舶的船对船加注服务。

加注网络的成型与完善,将为氨燃料船舶的商业化运营提供基本保障,与此同时,业界因此加速推进新船型的设计研发。

氨作为船用燃料的设想早已有之,但当前并没有实船出现。不过在未来几年内,真正意义上的氨燃料船舶一定会服务于航运业。

2019年,大连船舶重工集团发布氨燃料“C-Future”型23000TEU集装箱船概念设计;2020年,大宇造船进行的23000TEU氨燃料集装箱船项目获得船级社颁发的AiP证书。2022年10月,南通中远海运川崎船舶工程有限公司开发的16000TEU氨燃料集装箱船获得AiP证书。2023年7月,塞斯潘(Seaspan)和马士基零碳航运中心(MMMCZCS)及芬兰船舶设计与工程公司Foreship合作开发的15000TEU氨动力集装箱船获得AiP证书,该船采用双燃料发动机设计,可使用超低硫燃料油(VLSFO)和氨作为燃料,配有一个11600立方米的非加压B型氨储罐,以16节航速行驶时,可航行约12000海里,续航能力可达18500海里左右。这些得到认可的大型集装箱船设计,标志着氨燃料箱船项目研发正取得里程碑式进展。日本网联船务(ONE)最新订造的10艘13700TEU大型集装箱船就将采用甲醇燃料和氨燃料预留设计。

如今在航运营的氨预留集装箱船为达飞海运集团承租的6000TEU集装箱船 “CMA CGM Masai Mara”轮,该船总长240米,型宽42.8米,可运载超过6000个标准集装箱和1150个冷藏集装箱,船体和系统配置满足冰区与热带航行条件及最新环保要求,可灵活布局于非极地全球航线。目前,该系列集装箱船还有4艘在中国船厂建造。特别值得一提的是,今年年初,全球首艘氨动力集装箱船被命名为“Yara Eyde”。这艘由上海船舶研究设计院自主研发设计,青岛扬帆船舶制造有限公司承建的1400箱无舱盖集装箱船,配备氨燃料发动机、氨燃料储罐、供给系统和加注系统,计划于2026年投入运营。

“CMA CGM Masai Mara”轮(图源/青岛造船厂)

全球首批真正意义上的氨燃料散货船订单也出现在中国,这来自青岛北海造船有限公司(简称北海造船)为新加坡东太平洋航运(EPS)建造的6艘21000载重吨纽卡斯尔型氨燃料散货船合同。这批订单并非“Ammonia Ready”,而是建成后可直接使用氨燃料的“Ready to Use Ammonia”船型。该型船总长300米,型宽50米,型深25.2米,结构吃水18.4米,航速14节,配置氨燃料主机及两个3000立方米C型氨燃料罐,可达到船舶能效设计指数(EEDI)第三阶段(Phase III)要求,确保实现船舶全生命周期零碳运营。今年2月,北海造船再与EPS签订4艘210000载重吨氨双燃料散货船建造合同。210000载重吨纽卡斯尔型散货船是北海造船的主建船型,其在这一船型领域的手持订单排名全球第一,且在氨双燃料船舶建造方面收获颇丰。3月,北海造船与比利时海事集团CMB签订两艘21000万吨氨燃料散货船建造合同,这意味着双方合作项目接近30艘,除2021年建造的4艘采用传统燃料外,其余船舶均可以氨为燃料。

油船方面,中集船舶海洋工程设计研究院研发设计的一型阿芙拉型氨燃料油船获得AiP证书,该型船采用最新研发的直球艏,可以兼顾设计吃水和结构吃水下的快速性能,大大降低船舶运营时的综合油耗,配置氨燃料主机及2个氨燃料C型罐,此外配置比同类船型尺寸更大的螺旋桨,并加装了消涡鳍、前置预旋导流管等节能装置,显著提高了船舶推进效率,主机持续功率(NCR)在同样设计航速下较同类船型降低约10%。2023年11月,北海造船与Euronav签署1艘319000载重吨超大型油船(VLCC)建造合同,这为双方合作的第3艘VLCC。此次签约的VLCC总长339.5米,型宽60米,型深30.3米,结构吃水22.5米,航速14.5节,满足EEDI第三阶段的要求,未来可配置2个6000立方米氨燃料储罐,实现船舶全生命周期零碳运营。

Euronav订造的另外4艘在建的可用替代燃料的苏伊士型油船由韩国船企建造,其中2艘采用LNG预留、氨预留和甲醇预留设计,并配备脱硫装置。而在此之前,尾浦造船(现HD现代尾浦)、大宇造船(现韩华海洋)和三星重工也开展了氨燃料油船设计工作,如50000载重吨氨燃料MR型油船、85000-125000载重吨苏伊士型氨燃料油船、115000载重吨阿芙拉型氨燃料油船和氨燃料VLCC等也获得了相关认证。

日本三家大型航企也在通过该国着力搭建的氨供应网络来推动氨燃料散货船的应用。2022年12月,川崎汽船、伊藤忠商事、三井E&S机械和日本造船作的一艘20000载重吨氨燃料散货船基本设计获得船级社颁发的AiP证书。该船属于日本新能源和工业技术开发组织(NEDO)主导的“绿色创新基金/下一代船舶开发/氨燃料船舶开发”中的“氨燃料船开发和应用综合项目”,力争于2026年建成交付,并交由川崎汽船和伊藤忠商事的合资企业运营。日本邮船则与其下属研发机构Monohakobi技术研究所(MTI)和总部位于芬兰船舶技术咨询公司Elomatic Oy已合作完成对使用液化天然气(LNG)为燃料的好望角型散货船氨预留概念设计。日本邮船表示,除氨燃料罐安全性外,燃料罐数量、容量大小对船体强度和冗余度影响也是设计的主要问题,为此重新研究燃料罐布局结构,最终形成了具有可行性、功能性和安全性的概念设计。2023年1月,商船三井和三井物产联合研发的210000载重吨氨燃料散货船获得AiP证书,双方共同确定了该船尺寸和规格,并委托三菱造船进行设计。

国际海事组织(IMO)货物与集装箱运输分委会第9次会议(CCC9)上,分委会审议了通讯组报告CCC9/3有关《船舶使用氨燃料安全临时导则》草案,由于时间原因,会议没有完全审议该草案,但起草了临时导则草案作为下一届通讯组工作的基础,并提出通讯组应考虑如下原则。

使用氨燃料的船舶应进行全面的风险评估;导则制定的第一阶段仅考虑全冷和半冷两种存储方式,压力储存应满足替代设计要求;不专门制定关于可移动式氨燃料舱的相关规定,主管机关批准使用可移动式氨燃料舱时需考虑替代设计要求;排除ESD机型处所型式;考虑到船舶类型和船上人员数量,船上应考虑设置安全避难场所,未来临时导则可能将不适用于某些船型;应基于行业惯例和船级社规范制定人员安全和个人防护装备的相关要求;在考虑氨大量释放的紧急情况下人员接触氨浓度限值时,应通过设计确保正常操作期间不存在氨;为解决出于安全考虑(非紧急情况)的氨释放问题,导则中应考虑设置氨处理装置以及残余物的处理。《船舶应用氨燃料临时导则》将在今年举行的CCC10会议上定稿。

众所周知,船级社旨在为船舶设计、建造和运营提供指导,虽然氨作为船用燃料具有巨大的潜力,但它也带来了必须解决的技术挑战,这包括它的毒性和腐蚀性。为了指导业界研发使用氨作为燃料的早期项目,国际船级社协会(IACS)已经制定一项统一要求(URH1),涵盖从用于加注、储存、制备和使用氨作为燃料的船上系统中释放氨。URH1规定氨浓度达到300ppm,或浓度达到25ppm且接触时间超过8小时都将具有危险性,此外还要求氨处理系统在设计层面能够防止氨气在正常运行时直接释放到大气中,并在可能的情况下,防止氨气在任何可合理预见的异常情况下直接释放到大气中。若在正常或异常情况下不可避免地需要直接释放氨气(如启动储罐泄压阀),则要求设计人员需要在风险评估中确定氨气预期释放点,并在船舶设计文件中列出。在船员可接触到的船舶位置,此类释放产生的浓度不得超过安全浓度(25ppm),应通过气体扩散分析来证明。预计这一要求将促使设立“有毒区域”(类似于油船上的危险区域),并规定进出限制和其他预防措施,例如在该区域不设进气口。URH1进一步要求在氨释放区域(如排气口)安装声光报警器,当排放气体的氨气浓度达到或超过300ppm时,警报器将被激活,以警告船员迅速离开该区域并寻求避难。对于通过风险评估确定的异常和紧急情况,必须进行气体扩散分析。根据分析结果,必须采取措施防止船上人员接触到危险浓度的氨气。所有可合理预见的氨气泄漏空间(如二级围护结构、燃料制备室)即使通常无人值守,也应进行监测,一旦检测浓度超过300ppm应关闭释放源。在与使用氨作为燃料有关的其他工作中,IACS还在制定氨处理系统要求(旨在降低释放氨的浓度和/或数量的设备)和气体扩散分析要求。URH1涉及氨动力船舶的氨气排放控制,被认为是为行业提供更高水平的新型燃料保证的第一步,具有重大意义。

氨燃料船舶在船舶设计中还需要不同或额外的概念,特别是在几个关键系统中,包括氨燃料密封系统,专用氨燃料补给站和输送管道。马士基零碳航运中心首席技术官Claus Winter Graugaard在谈到15000TEU氨燃料集装箱船设计时就提到,氨燃料供应管路的布局是设计重点考虑因素。“我们发现在龙骨内的管道中铺设供应管路将氨燃料输送到燃料准备室是一种相当安全的方案。我们也研究了将供应管路设置在主甲板下方管道的可行性,但装卸也在此空间进行,有受到作业现场影响的潜在风险。最终我们确定可将燃料供应管路放置在龙骨内的管道中。从搁浅等事故的统计数据来看,龙骨内的管道发生破裂的可能性非常小。因此,风险评估证明这是氨燃料供应管路布局的可行路线。”