航運業目前的排放佔所有溫室氣體的3%。專家說，如果要將氣溫維持在安全範圍內，它就必須脫碳。綠色氫能成為答案嗎？
沿著比利時北部的一段河流，一艘小型渡輪正在使用一種燃料，而許多人正希望這種燃料可以成為世界各地船舶脫碳的關鍵。
Hydroville，一艘穿梭在克魯伊貝克和安特衛普之間的16人渡輪，正在測試的燃料正是氫氣。Hydroville三年前作為世界上第一艘下水的氫動力客船，它的混合動力引擎允許它同時使用氫和柴油。
“我們自己決定了，無論如何，我們必須從今天開始，即使目前還沒有需求，”Hydroville的所有者、CMB的研發部門、和CMB.Tech的常務董事Roy Campe說。“我們必須從今天開始，以確保在10年內，我們已經可以開始以低排放水準生產所有的船舶。這不像你只需開起電燈開關這麼簡單。”
CMB已經在建造其他幾艘氫動力船，包括將於2021 年初在日本下水的更大的80人渡輪。
智能綠色航運聯盟創辦人Diane Gilpin表示，小型船舶產業是為大型商船擴大淨潔技術解決方案的絕佳“試驗場”。目前，船舶排放的溫室氣體佔所有溫室氣體的3%，如果該產業繼續照常營運，預計到2050年，它的排放量將增長高達50%。各國政府雖然在2018年承諾，到2050年要將航運排放量減少一半，但至今為止，產業在實際的實施措施方面仍然進展緩慢。
在水中拖曳船隻需要消耗大量能量，隨著世界貿易的增長，需要拖曳的船隻數量也越來越多。為了減少排放，可以透過使用更高效設計的船舶、安裝利用風力的技術、放慢速度以節省燃料、或者單純地運輸更少的東西，來減少部分這些使用的能源。
但最終，如果航運要完全脫碳，如果世界要維持在安全的溫度範圍內，它就必須要找到石化燃料的替代品。
CMB的氫氣計畫是全球多個航運項目之一，目的在測試如何使用氫氣和其他燃料（如氨和甲醇），為未來的低碳航運業提供動力。這些燃料通常被稱為“合成”燃料，被視為一種特別有前途的選擇，因為它們可以使用淨潔電力（例如太陽能或風力）製造，並且在燃燒時不會排放任何溫室氣體。
為什麼是氫氣？
當然，氫並不是唯一的替代燃料選擇，生物燃料，由植物材料或動物糞便所製成的燃料，也是另一種。但倫敦大學學院的航運排放研究員Tristan Smith說，生物燃料在其他產業已有大量的計劃用途，而且它們的永續生產是有限的。
使用再生電力充電的電池也是一種選擇，但是這些可以供電的距離可能會受到限制，而且穿越海洋的大型船舶會需要太多的電池才可以單獨運行。
這就剩下了氫和由淨潔電力所製成的其他合成燃料。這種氣體在全球已經廣泛的用於工業，自1975年以來，產業對它的需求就增加了三倍，但幾乎所有已經在工業中大量使用的氫氣都是使用石化燃料生產的。事實上，目前全球6%的天然氣和2%的煤炭被用於製氫。雖然這種氫氣也可以用來為船舶提供動力，使船舶本身的排放為零，但顯然它不是低碳的，因為它還是使用石化燃料來生產的。
但是氫氣也可以在沒有石化燃料的情況下生產，使用再生能源在稱為電解的過程中分解水。這個過程很昂貴，目前只有0.1%的氫氣是這樣製造的，但這卻是氣候友善航運燃料的主要希望所在。“綠色氫可以在整個生命週期的基礎上真正實現零排放，”環境保護基金的航運排放專家Marie Hubatova說。“這是從燃料的提取，到生產，再到燃燒。”
國際淨潔運輸理事會 (ICCT) 海洋團隊的研究員毛曉莉說，問題在於，目前就是還沒有綠色氫的可用。“燃料生產商需要看到一些合理的需求才會對其生產進行投資，所以這有點像雞跟蛋的問題，究竟是船舶技術先發展，還是燃料方面先發展，”她說。
CMB本身已經成為了先驅者，在安特衛普港為氫汽車、公共汽車、和船舶建造自己的海上加油站，該站將使用電解槽生產自己的氫氣。“我們首先需要表明，你看，我們是客戶，但我們願意為氫氣支付這筆錢，”Campe說。“然後你就會看到，電解槽是有商業案例的。”
該怎麼運作？
一旦產生氫氣，它可以透過多種方式用於為船舶提供動力。
它可以在內燃機中燃燒，就像Hydroville那樣。但是這樣做的一個缺點就是，在空氣中燃燒任何由氮組成的東西，不可避免地會產生一定數量的氮氧化物，而這是主要的空氣污染物之一。但毛曉莉說，這些排放可以透過安裝後處理裝置來解決。
氫也可用於燃料電池，一種無需燃燒即可將燃料化學轉化為電能的裝置，它唯一排放物是水。“在船上使用它的主要挑戰就是要讓它足夠大，”Smith說，並指出安裝足夠的燃料電池為船提供動力的高昂費用。“這才是一個真正的問題，這是否是一種適用於船舶規模的選擇。”
氫可能還存在其他的選擇。一家英國公司Steamology正處於開發蒸汽動力氫電的早期階段。在這裡，用儲罐中的純氧燃燒氫氣，產生的蒸汽用於驅動渦輪機，從而發電。其創始人表示，該技術目前正在火車上進行測試，但在航運領域也具有強大的應用潛力。“它在許多方面都非常天然，”Steamology的執行長Matt Candy說，“所以我們相信我們已經有了蒸汽電的解決方案。我們沒有任何氮氧化物，我們是真正的零排放。但我們必須經歷在氧氣環境中燃燒氫氣的痛苦。”
儘管有這些有前途的技術，但轉向氫燃料並非沒有重大挑戰。首先，它非常易燃。CMB為其船員和其他人展開培訓計劃，研究從如何維護船上的氫氣系統，到如何處理消防安全等方面。儘管其成本正在下降，它也還是非常昂貴，並且需要額外的電力容量。
但在長途運輸中使用它的真正挑戰，在於它的存儲有多麼的不易處理。氫不能簡單地取代當前系統中的燃料油，Hubatova 說，要將其作為液體儲存在船上，就需要使用-253度C的低溫進行冷凍。根據EDF的分析，即便如此，它也會佔用大量的空間，大約是提供相同能量所需的海洋瓦斯油量的八倍。
氫氣所需的額外空間因此也引起了業界的擔憂，擔心可能需要挪出貨物才能為燃料騰出空間。但ICCT的一項分析卻發現，這一障礙是可以克服的。研究發現，目前中國和美國之間43%的航程，世界上最繁忙的航道之一，可以使用氫氣進行，而無需騰出貨艙或停船更多次加油。它發現，幾乎所有的航次都可以由氫氣驅動，只需要對燃料容量或操作進行微小的改變。
氨替代品
氫氣通常被用作為合成燃料的統稱，但許多專家認為還有另一種選擇實際上卻更好，那就是使用綠色氫氣來製造綠色氨。這是另一種可以燃燒，或用於燃料電池的燃料，氨比氫更容易儲存（它需要冷藏但不需要低溫），並且由於它的密度大得多，因此只須佔據大約氫氣一半的空間。它也可以在船上轉換回氫氣，這意味著它可以作為氨裝載和儲存在船上，但最終用於氫燃料電池。
“目前，最好的辦法是將氫變成氨，它才是恰到好處的燃料，”Smith說。“氨的儲存成本要低得多，你不需要任何類型的低溫裝置就可以將其儲存在加壓罐中，而且它的製造成本僅比氫氣貴一點。”
那負面影響呢？首先，氨對人類和水生生物都有毒，因此需要注意。其次，將氫氣轉化為氨的額外步驟將使用更多的再生電力，從而使得氨變得更加昂貴。儘管如此，業內許多人仍將氨視為最可行的選擇，一家公司財團最近獲得歐盟的資助，將於2023年在一艘船上安裝世界上第一個以氨為動力的燃料電池。
綠色氫本身已經很昂貴了，很長一段時間以來，許多人都懷疑它是否能夠便宜到足以廣泛用作燃料。但過去幾年風力和太陽能的巨大成本的降低，有助於挑戰這一觀點，一些專家預測綠色氫的成本在未來十年內將大幅下降。
必要的改變
在過去幾十年氣候行動乏力的起步之後，已有一些跡象表明，航運業也開始關注氣候危機給它帶來的風險。據Smith稱，該產業的很大一部分人現在已經認為他們需要擺脫石化燃料，像氨這種氫衍生的燃料也被認為是最有可能的替代品。“關於我們如何從今天的位置到達最終目標，有數百萬個問題，”他說。 “但那是我們前進的方向的想法，現在非常、非常、非常、非常的主流。”
這也得到了實現零排放聯盟等組織的支持，該聯盟由一群船東、港口和國家組成，他們承諾到2030年在深海航線上引入零排放船舶。今年早些時候，該組織編制了一份包含66個世界各地零排放船舶的試點和示範項目，其中許多涉及氫燃料。“他們可能會開創比試點項目更大規模地氫和氨船舶，”Hubatova說。“這種由下而上的行動非常重要，因為它可以向更廣泛的產業發出正確的信號。”
但在缺乏對航運業排放的更嚴格監管的情況下，脫碳的速度將是有限的。“以法規形式由上而下的作用也是至關重要，因為它將確保每個人都向零碳轉型，而不僅僅是那些領先的參與者，”Hubatova說。
事實上，Smith認為，航運排放的主要製約因素並不是技術壁壘，而是政治進程，其中最重要的就是國際海事組織，該組織是負責解決航運氣候影響的聯合國機構。“我們有兩種選擇，我們基本上可以逐步禁止在船舶上使用石化燃料，或者我們可以嘗試提供氫衍生燃料市場誘因，”他說。
Smith本人預測了未來15年，航運業氫衍生燃料的三個階段: 從現在到2025年會先增加試驗和首創；到2030年，該產業的先驅者將會首先使用氫；然後在2030年之後因為成本下降，加油基礎設施變得更普遍，從而使得氫更大規模地推出。他補充說，航運公司已經在談論訂購可以輕鬆改裝氨氣的“零準備”船舶。“因為他們的心態是，我知道10年後，我將不得不做一些事情來讓我的船用氨來運行，”他說。
航運排放的結果將取決於一系列的因素，從法規到其他技術的採用。但越來越多的證據顯示，如果航運業下定決心，它是可以多快地脫碳，一份重要報告發現，如果使用目前已知的技術，包括氫等替代綠色燃料，到2035年，它就幾乎可以完全脫碳。
Gilpin認為，到2030年，該產業的排放量就可以減少一半。“如果我們像對待Covid一樣，處理這次氣候問題，那麼我們絕對可以做得到，”她說。“但我們沒有，我們只會說 '哦，這有點困難，讓我們再開一次會吧。'”
毛曉莉也同意，為了確保低排放航運技術的廣泛採用，嚴格的強制性法規至關重要。她說，儘管氫燃料可能在十年或更長時間內不會得到廣泛使用，但“我們真的需要從現在就開始”。“我們要認清這裡會有很多障礙，”她說。“但我們應該投入我們的研究資金，使這成為未來的現實。”
原著: Jocelyn Timperley; November 30, 2020
