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程一步
（中國石化集團經濟技術研究院有限公司，北京100029）
摘要：文章分析了捕集工業排放二氧化碳配合綠氫生產低碳甲醇及生物制甲醇的全生命周期碳排情況，并與常規燃料油全生命周期碳排進行比較。指出低碳甲醇全生命周期單位熱值碳排低于燃料油碳排的1/3，可以作為近期船運行業低碳替代燃料的選擇之一。高濃度CO2捕集＋綠氫生產的低碳甲醇全生命周期單位熱值碳排與生物制甲醇碳排相當，有關企業可以考慮根據低碳甲醇高端市場需求，優化布局，利用我國豐富的石化、化工行業排放高濃度CO2生產低碳甲醇，實現企業和高端市場應用碳減排雙贏。低碳甲醇尤其是捕集低濃度CO2生產甲醇全生命周期仍存在碳排放，發展低碳甲醇路線要解決的主要問題是降低能耗或用經濟的可再生能源替代化石能源。
據有關研究統計，全球85%以上的國際貿易運輸量由船運承擔[1]。目前全球約有10萬艘100總噸以上船舶，總運力達21億載重噸。2020年全球船運燃料消費量約2.8億噸，排放二氧化碳近8.1億噸，占全球碳排放總量的2.3%，船運帶來的碳排放問題日益受到國際社會的高度關注。2018年國際海事組織已提出到2030年和2050年船運碳排放強度比2008年分別降低40%和70%、2050年船運碳排放總量比2008年降低50%的碳減排目標。
2015年，甲醇開始在船運業進行示范應用。相比燃料油，甲醇盡管在燃燒時仍會釋放溫室氣體，但所排放的二氧化碳數量較少，且甲醇使用不需低溫儲存，發動機和存儲系統改動較小，應用成本較低；生產甲醇的原料可以是可再生能源生產的綠氫和捕獲的二氧化碳，因此甲醇被認為是可大規模應用于船運行業助力實現碳減排目標的替代燃料之一。為實現其制定的2050年凈零碳排放目標，全球最大的集裝箱航運公司馬士基集團積極推動綠色甲醇船舶燃料的應用，2021年至今已訂造超過12艘大型甲醇動力集裝箱船，并與可再生能源公司合作，為新造船生產綠色甲醇，再次把船運行業應用甲醇燃料推向高潮。為了比較幾種現有技術生產的低碳甲醇應用碳減排情況，有必要對這幾種技術生產甲醇的全生命周期二氧化碳排放（簡稱碳排，下同）進行測算。
1國內外不同船用燃料全生命周期碳排放研究情況
國內不同船用燃料全生命周期碳排放評估相關文獻較少。中國船級社（CCS）在《航運低碳發展展望2021》報告中對LNG、甲醇、生物柴油、氫和氨燃料進行了清潔燃料船用適應性綜合分析，認為從全生命周期角度考慮燃料碳排放，化石基甲醇不能滿足未來碳減排目標，應大力發展電合成綠色甲醇和生物質甲醇，但報告中未給出具體數據。
國外近年來研究不同船用燃料全生命周期碳排放評估工作文獻逐漸增多。如Longspur研究機構2022年1月在《All at Sea–Methanol and Shipping》報告中提出生物LNG、綠氫、綠色甲醇、綠氨等幾種船用燃料全生命周期（Well–to–wake）碳排見表1。新加坡南洋理工大學2021年1月在《Methanol as a Marine Fuel–Availability and Sea Trial Considerations》報告中提出生物LNG、生物柴油、生物甲醇等幾種船用燃料全生命周期（Well–to–Propeller）碳排見表2。國際船運社（IMO）2016年在《Methanol as Marine Fuel：Environmental Benefits，Technology Readiness，and Economic Feasibility》報告中提出生物甲醇、輕柴油（MGO）、燃料油（HFO）、灰甲醇等生命周期碳排（Well–to–propeller）見表3。
2低碳甲醇船用燃料全生命周期碳排放測算
該文低碳甲醇主要指利用工業捕集CO2和綠氫生產的甲醇及生物制甲醇。
2.1工業捕集CO2與綠氫制甲醇
2.1.1測算范圍
工業捕集CO2和綠氫制甲醇全生命周期碳排測算范圍包括二氧化碳捕集、綠氫生產、甲醇生產、甲醇運輸、甲醇使用環節。規模為10萬噸級甲醇/年。參見圖1。
2.1.2方法學
甲醇全生命周期碳排放主要包括直接排放和間接排放。直接排放主要包括燃料（煤炭、石油、天然氣等）燃燒后的燃燒排放、生產工藝過程中產生的工藝排放以及各種設備部件泄露導致的逃逸排放；間接排放主要指外購的電、蒸汽所產生的排放。對于甲醇全生命周期碳排放核算，可參考《化工生產企業溫室氣體排放核算與報告要求》（GB/T32151.10-2015）等文件進行。常用的方法為排放因子法，即活動數據與排放因子的乘積，公式如下：
ECO2＝AD×EF
式中：ECO2為二氧化碳排放量，噸；AD為活動數據，單位根據具體排放源確定；EF為排放因子，單位與活動數據的單位相匹配，參見表4。
2.1.3具體測算
（1）二氧化碳捕集
1）高濃度二氧化碳捕集
以某百萬噸級高濃度（91.62%v）二氧化碳捕集項目物料平衡為依據，測算單位二氧化碳捕集碳排因子。
該項目二氧化碳捕集工藝流程見圖2。
排放因子測算情況見表5。從表中可看出，當外購電為網電（排放因子0.5810kgCO2/kW·h，下同）時。該項目單位產品二氧化碳捕集碳排放因子為0.391tCO2/tCO2，考慮到捕集減少二氧化碳排放，二氧化碳凈排放因子為–0.609tCO2/tCO2。
2）低濃度二氧化碳捕集
以某10萬噸級低濃度（11%v）二氧化碳捕集項目物料平衡為依據，測算單位二氧化碳捕集碳排因子。
該項目二氧化碳捕集工藝流程見圖3。
排放因子測算情況見表6。從表中可看出，當外購電為網電（排放因子0.5810kgCO2/kW·h）時，該項目單位產品二氧化碳捕集碳排放因子為0.724tCO2/tCO2，考慮到捕集減少二氧化碳排放，二氧化碳凈排放因子為–0.276tCO2/tCO2。
（2）綠氫生產
以某萬噸級綠氫項目數據為依據，測算綠氫生產單位碳排。
該項目綠氫生產工藝流程見圖4。
排放因子測算情況見表7。從表中可看出，該項目單位氫氣生產碳排放因子為3.385tCO2/tH2。
（3）甲醇生產
以某10萬噸級綠色甲醇項目數據為依據，測算綠色甲醇生產單位碳排。
該項目綠氫生產工藝流程見圖5。
排放因子測算情況見表8、表9。從表中可看出，該項目單位甲醇生產碳排放因子當外購電為網電（排放因子0.5810kgCO2/kW·h）時高濃度CO2回收方案為–1.319tCO2/t甲醇，低濃度CO2回收方案為–0.832tCO2/t甲醇。
（4）甲醇運輸
目前國內甲醇以汽車為主要運輸方式。以目前常用32噸甲醇運輸槽車為例測算其不同運距碳排因子，該槽車100km油耗為48.5L，柴油生命周期碳排放因子3.776tCO2/t柴油。柴油生命周期碳排放因子測算見表10。甲醇運輸碳排放因子見圖6。
（5）甲醇使用
甲醇船用熱效率45%，單位甲醇燃燒排放1.375tCO2/t甲醇。
2.1.4測算結果
工業捕集CO2和綠氫制甲醇全生命周期碳排放數據見表11。
2.2生物制甲醇
2.2.1測算范圍
根據全生命周期定義，生物制甲醇生命周期包括生物質種植吸收CO2和生物質種植、生物質運輸、生物質預處理、生物質甲醇生產、生物質甲醇運輸和生物質甲醇使用排放CO2等幾個環節。參見圖7。
2.2.2測算條件
生物質按秸稈考慮。部分基礎數據參見表12。
2.2.3測算結果
某10萬噸級生物制甲醇生產碳排測算見表13。
運距100km和1000km生物制甲醇全生命周期碳排測算結果見表14。
3船用燃料油全生命周期碳排放測算
為進行減碳效果對比，該文測算了船舶常用燃料油全生命周期碳排情況。船用燃料油測算范圍為原油生產＋原油加工＋油品輸送＋油品使用。數據采用國內某千萬噸級煉廠設計數據。測算結果參見表15。
4低碳甲醇全生命周期碳排放比較
幾種情景下船用燃料全生命周期碳排測算見表15。單位船用燃料生命周期碳排測算和單位熱值船用燃料生命周期碳排測算見表16和表17。從表中可看出，回收高濃度CO2和低濃度CO2＋綠氫制甲醇、生物制甲醇，即低碳甲醇，其全生命周期單位產品碳排及單位熱值碳排均低于燃料油；回收高濃度CO2生產的低碳甲醇生命周期單位產品碳排及單位熱值碳排低于回收低濃度CO2生產的低碳甲醇，主要原因是高濃度CO2回收能耗低于低濃度CO2回收能耗。
經過與國外測算數據比較，該研究報告船用燃料生命周期單位發熱量碳排數據與國際船運社、Longspur、南洋理工大學等研究機構數據數量級一致，見表18。
5主要研究結論
（1）低碳甲醇全生命周期單位熱值碳排低于燃料油碳排的1/3，具有較好的碳減排效果，可以作為近期船運行業低碳替代燃料的選擇之一。
（2）高濃度CO2捕集＋綠氫生產的低碳甲醇全生命周期單位熱值碳排與生物制甲醇碳排相當。我國石化、化工行業制氫、合成氣生產等排放高濃度CO2數量較大，有關企業可以考慮根據市場低碳甲醇高端市場需求，優化布局捕集利用石化、化工行業高濃度CO2生產低碳甲醇，既可減少企業碳排，又能減少高端市場應用碳排，實現雙贏。
（3）低碳甲醇尤其是捕集低濃度CO2生產甲醇全生命周期仍存在碳排放，其排放量主要取決于CO2捕集和甲醇生產能耗。因此，發展低碳甲醇路線要解決的的主要問題是降低能耗或用經濟的可再生能源替代化石能源。
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