液化天然气用作集装箱船燃料的成本与效益 - GL Source

液化天然气用作集装箱船燃料的成本与效益
GL与MAN联合研究的主要成果

使用液化天然气作为船用燃料的优势
最近,使用液化天然气作为船用燃料在欧洲、亚洲和美国日益受
到关注。从整体来看,使用液化天然气作为船用燃料成为最有前
景的航运技术之一,主要有三方面的原因。
1. 采用液化天然气作为船用燃料可以降低90%-95%的硫氧化合
物排放。按照规定,排放控制区域(ECA)内行驶的船舶在
2015年之前必须达到这一标准,同时这一标准有望在2020
年之前在全球范围内实施。
2. 与传统船用燃料相比,液化天然气的碳含量更低,可以降低
20%-25%的二氧化碳排放量。要保持这一优势,燃料装填或
使用期间应避免甲烷泄露。
3. 预计液化天然气比轻柴油(MGO)成本低,如果没有其它降
低 硫 氧化 物 排 放 的 技 术 措 施,排 放 控 制 区 域(E C A)要求使
用MGO。目前,液化天然气在欧洲和美国价格较低,说明即
使液化天然气呈小规模分布,根据其能源含量,相当于重燃
料油的价格是可能的。
$/mmBTU
02
35
30
25
20
15
10
5
0
• 轻 柴 油(MG O)鹿 特 丹 价格
g/kWh
天 然 气 及 船用燃 料 价格(月均)
• 重 油( H F O)鹿 特 丹 价 格
• 液化天然气(LNG)泽布吕赫价格
2006 2007 2008 2009 2010 2011
1,000
100
10
1
0
CO2
排放物 (100% 负载)
NOX SOX
-23%
–80%
6S70ME-C 6S70ME-GI
–92%

研究目的
目前,对液化天然气用作船用燃料感兴趣的船东,正面临使用
此技术的成本以及效益等诸多问题。他们想知道废气处理系统
是否是首选的技术解决方案。同时,使用先进的废热回收系统
提高船舶效率已经具有可行性。这项技术是GL和MAN针对集
装箱船舶动力系统联合研究的重点。
规范框架现状
国际海事组织有关天然气作为船用燃料的《临时指南》
(MSC.285(86)号决议) 包含使用天然气作为船用燃料的先进
安全理念。这些规定不强制要求船旗国遵守。GL在2010年4月
发布了自有指南,其中增加了诠释。国际海事组织散装液体和
气体分委会(BLG)正在编制《国际天然气燃料准则》(IGF),
以取代《临时指南》,该准则计划与2014版SOLAS一起实施。
与此同时,ISO TC 67已开始编制液化天然气装填标准。
研究方法
液化天然气作为船用燃料
本研究假设的是关键技术用于五种不同尺寸集装箱船的成本,
通过与使用船用燃料油的参照船舶相比较,预测集装箱船的
效益。参照船需要根据其营运时间和地点、现有和即将实行的
规定要求使用船用燃料油,即到2015年参照船舶要在排放控制
区域内或欧盟港口内使用轻柴油(MGO)。到2020年,在排放
控制区域外使用重燃料油(HFO)和最大硫含量为0.5%的低硫
重燃料油(LSHFO)。
技术实施成本与燃料成本差异产生的预期效益进行了比较。如
果可以选择的话,该模型假设总是选用成本最低的燃料。通过
降低效益来满足技术所需的空间。
本文研究了四种技术:
1. “洗涤塔”废气净化
2. 洗涤塔和废热回收系统(WHR)
3. 液化天然气系统(燃料储藏站、液罐、天然气制备、输气管
道、双 燃 料 引擎)
4. 液化天然气系统和废热回收系统
估算每种技术的成本和空间要求,具体燃油消耗基于当前知识
得出。每种尺寸的集装箱船进行独立分析。
假定参考船舶和每种技术采取同样的措施降低氮氧化物排放,
以达到国际海事组织第三阶段标准(IMO Tier III),因此,这对
参考船舶和各种技术的成本差异没有任何影响。
03

船舶尺寸型号和航线概况
本文选取了五种代表性的集装箱船舶尺寸进行研究,拟定设计
速度对当前减速趋势做出了解释。
标准箱(TEU) 航速(节) 主机功率(kW) 航程
(海里)
默认排放控制区域比例
2,500 20 14,500 5,300 65.1%
4,600 21 25,000 13,300 11.0%
8,500 23 47,500 23,000 6.3%
14,000 23 53,500 23,000 6.3%
18,000 23 65,000 23,000 6.3%
m 3
14,000
12,000
10,000
8,000
6,000
4,000
2,000
0
USD/kW
04
500
400
300
200
100
液化天然气罐容量(半往返航程续航力)
� 18,000 TEU | 11,500 nm
� 14,000 TEU | 11,500 nm
� 8,500 TEU | 11,500 nm
� 4,600 TEU | 6,650 nm
� 2,500 TEU | 2,650 nm
10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 60,000
发动机总装机功率(kW)
半往返航程续航力
使用液化天然气
0 2,500 TEU
2,650 nm
液化天然气装置附加成本
4,600 TEU
6,650 nm
8,500 TEU
11,500 nm
14,000 TEU
11,500 nm
70,000
80,000
18,000 TEU
11,500 nm
选取三个贸易航线的往返航程:欧洲内部、欧洲-拉丁美洲和欧
洲-亚洲。将排放控制区域营运比例作为主要输入参数。
液化天然气技术和建模假设
主机装机功率以给定设计速度的具体设计为基础。辅机功率作
为主机功率的一部分。冷藏集装箱船舶所需的附加辅机功率基
于预计冷藏箱份额。发动机载荷因港口停留、途径和公海运输而
异,而 这 又 取 决 于 航 线 概 况 。
选取能支持船舶单航程续航力的液化天然气罐容量。这样可以控
制投资成本,但是要面临不稳定的燃料价格。液化天然气系统的
成本包括液罐、燃料储藏站、天然气制备、输气管道、主机以及发
电机组。假定液化天然气罐消耗了标准箱箱位,造成成本损失,
只假定每隔一次的航程。中型集装箱船(4600 TEU和8500 TEU)
损失最大,最多可能损失全部可用标准箱箱位的3%。其它营运成
本,例如船员、零件和保养假定比参考船舶高出10%。

主机技术和建模假设
MAN ME-GI 发动机系列在性能(输出功率、速度、热效率等)
方面与完善的ME发动机系列相同。这意味着ME-GI系统具有的
应用潜力适用于整个ME发动机系列。
规定不同发动机尺寸、燃料和发动机载荷的具体燃油消耗。
kg/kWh
0.20
0.15
0.10
0.05
0
40%
具体燃油消耗
(以52 MW发动机为典型)
•HFO
•MGO
•LNG
•引燃油
50% 60% 70% 80% 90% 100%
发动机载荷
液化天然气作为船用燃料
ME-GI 发动机控制概念包括以下三种燃料模式:
 单用燃料油模式以ME发动机广为人知。在这种模式下,发动
机只以燃料油为动力,被视为“气体安全”。
 最低燃料油模式是为使用天然气而开发的模式。在这种模
式下,系统控制天然气燃料量,结合使用预设的最低量的燃
料油(引燃油),大约为5%。重燃料油和轻柴油都可作为引
燃油。最低引燃油百分比取决于发动机的满载功率。如果发
动机超出载荷下限,就恢复到单用燃料油模式。如果天然气
系统发生故障,天然气就会关闭,然后恢复到单用燃料油
模式。
 特定燃料模式用于天然气和燃料油可混合使用的情况下。
05

洗涤塔技术和建模假设
本研究假定使用湿式洗涤塔系统,利用海水清洗发动机尾气,
降低硫氧化物的排放。废气通过涡轮增压器后,从废气锅炉进
入船舶排气烟囱的洗涤塔。废气通过海水脱硫。洗涤水经收集
后净 化,最 后 排入 海中。
假设仅在需要满足与低硫燃料限制相当的排放值时使用洗涤
塔,即在排放控制区域内、欧盟港口内以及2020年前全球范围
内。其使用成本取决于运转时间和发动机载荷。假设开放式和
密闭式洗涤塔的平均成本为5$/MWh。损失的标准箱箱位取决
于安装洗涤塔所需要的空间。假设损失的全部可用标准箱箱位
达0.3%。每隔一次航程假设一次。其它营运成本,例如船员、零
部件和保养假定比参考船舶高出20%。
mUSD/year
06
2.5
2
1.5
1
0.5
0
洗涤塔使用成本
• E C A,2 015 年之前
• 全球范围内,2020年之前
2,500 4,600 8,500 14,000 18,000
TEU
经过清洁的废气通过再热器以防离开烟囱时形成可视蒸汽。如
果船舶在不允许排放净化洗涤水的海域航行,可能要使用密闭
湿式洗涤塔系统,该系统使用淡水,以苛性钠作为活性剂,中和
废气洗涤过程中产生的硫酸。
废热回收技术和建模假设
废热回收系统(WHR)包含一个废气锅炉,为汽轮机供应蒸汽
提高电力输出。该系统可扩展使用燃气轮机,利用涡轮增压器
不使用的废气能量。要实现最高电力生产,最佳解决方案是使
用双蒸汽压力系统或者三重蒸汽压力系统,如果主机配有废气
再循环系统。
模拟废热回收系统减少特定燃料消耗。燃料节省取决于主机载
荷和船舶尺寸。假定最大船舶的最大持续功率为75%时的最大
利益为13%。
标准箱箱位损失取决于废热回收系统安装所需的空间。假定较
小船舶(2500 TEU和4600 TEU)损失的可用标准箱箱位达到
总量的0.4%。每隔一次航程假设一次。其它营运成本,例如船
员、零部件和保养假定比参考船舶高出15%。

馏分燃油的使用
长期使用馏分燃油是遵循即将实施的硫含量为最大允许值
的燃料油排放规定的直接解决方案。燃油系统必须安装冷却
器或者布置冷却装置,以满足主机燃油系统安全运行的燃油
粘度要求。合适的汽缸油也是要求之一。如果在非排放控制
区域航行,燃油系统还必须能使用2020年可能推出的新燃料
(LSHFO,含硫量为0.5%)。
燃料价格走势
燃料价格走势的基本假设是,预计石油和天然气生产成本会
增加,燃料价格将持续上涨。由于需求大幅增长,MGO和
LSHFO的价格上涨会超过HFO和LNG。燃料价格走势起始年是
2010年,HFO为650 $/t(=15.3$/mm BTU),MGO为900 $/t
(=21.2 $/mm BTU)。LNG为13 $/mm BTU,包括4 $/mm BTU
的小规模配送成本。假设配送成本不会随着时间推移而增加。
USD/mmBTU
40
30
20
10
0
燃料价格走势
• MGO 0.1% S • HFO 2.7% S • LNG
• LSHFO 0.5% S
2010 2015 2020 2025 2030
研究结果
液化天然气作为船用燃料
可以采用上述假设计算每种技术和船舶尺寸的年成本优势,并
与按照时间和地点要求使用不同燃料的参考船舶进行对比。成
本优势等于节省的燃料成本、额外营运成本和损失(负)盈利的
总和。
对于65%的航程在欧洲排放控制区域内的2500 TEU 地区性船
舶,如果在2015年严格的燃料质量要求生效前使用液化天然气
或洗涤塔,估计能节省大量成本。如果不采用废热回收系统,解
决方案的投资回收期较短,因为该系统的投资成本相当高。
百万美元/年
10
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
• 洗涤塔
• 洗涤塔和废热回收系统
投资
2,500 TEU 集装箱船年成本优势
(与使用标准燃料的标准船舶相比)
• 液化天然气燃料
• 液化天然气和废热回收系统
2015 2016 2017 2018 2019 2020
07

投 资回收 期( 月)
投 资回收 期( 月)
投 资回收 期( 月)
投 资回收 期( 月)
08
84
72
60
48
36
24
12
0
84
72
60
48
36
24
12
0
84
72
60
48
36
24
12
0
84
72
60
48
36
24
12
0
液化天然气系统投资回收期 (2015年起)
• 2,500 TEU • 4,600 TEU • 8,500 TEU • 14,000 TEU • 18,000 TEU
大型船舶的排放控制区域比例未必大
10% 20% 30% 40% 50% 60%
排放控制区域内的航程比例
2,500 TEU集装箱船投资回收期(2015年起)
• 使用液化天然气燃料
• 液化天然气和废热回收系统
• 洗涤塔
• 洗涤塔和废热回收系统
10% 20% 30% 40% 50% 60%
排放控制区域内的航程比例
4,600 TEU集装箱船投资回收期(2015年起)
• 使用液化天然气燃料
• 液化天然气和废热回收系统
• 洗涤塔
• 洗涤塔和废热回收系统
10% 20% 30% 40% 50% 60%
排放控制区域内的航程比例
14,000 TEU集装箱船投资回收期(2015年起)
• 使用液化天然气燃料
• 液化天然气和废热回收系统
• 洗涤塔
• 洗涤塔和废热回收系统
10% 20% 30% 40% 50% 60%
排放控制区域内的航程比例
研究成果——投资回收期
来源:NSD - Neptun Ship Design
液化天然气或洗涤塔等技术的优点与其用法有很大关系。自
2015年起,在排放控制区域航行比例越高,船舶的投资回收期
越短。集装箱船越小,回收期越短(2,500 TEU和4,600 TEU)。
这是因为与大型船舶相比,小型集装箱船对液化天然气的投资
较小。如果较小船舶在排放控制区域的营运比例达到65%,液
化天然气系统的投资回报期会低于两年。
不同的技术相互比较后表明2,500 TEU集装箱船(采用标准燃
料价格走势)使用液化天然气系统比使用洗涤塔系统的投资回
报期短。采用废热回收系统的船型因该系统投资成本较高,回
收期较长。
如果在排放控制区域比例低于20%,洗涤塔系统回收期超过
60个月,这表明只有到2020年推出低硫重燃料油质量标准
后,才 能 实 现 投 资 回 收。
对于11%的航程在排放控制区域的4,600 TEU集装箱船,其使
用天然气系统的投资回收期比使用洗涤塔短。与2,500 TEU船
舶相类似,废热回收系统不会缩短回收期,它能帮助主机装机
功率较高的大型船舶实现更大利益和相关节省。因此,液化天
然气或洗涤塔用于14,000 TEU集装箱船时,其回收期比使用废
热回收系统短。
用于大型船舶时,液化天然气系统的回收期比洗涤塔系统短
( 采 用 标 准 燃 料 价 格 走 势)。只有具 有 较 高 的 排 放 控 制 区 域 营
运比例(可能性不大),洗涤塔方案的回收期才会比液化天然
气系统短。
这证明,使用标准假设时,液化天然气系统的回收期比洗涤塔
系统短。

投 资回收 期( 月)
投 资回收 期( 月)
投 资回收 期( 月)
投 资回收 期( 月)
84
72
60
48
36
24
12
0
84
72
60
48
36
24
12
0
144
132
120
108
96
84
72
60
48
36
24
12
0
84
72
60
48
36
24
12
0
液化天然气系统投资回收期 (2015年起)
• 2,500 TEU
• 4,600 TEU
• 8,500 TEU
• 14,000 TEU
• 18,000 TEU
1,000 2,000 3,000 4,000 5,000
液化天然气罐系统具体成本 (美元/立方米)
2,500 TEU集装箱船投资回收期(2015年起)
65% 排放控制区域
营运比例
船舶大小不同,排放控制区域营运比例不同
1,000 2,000 3,000 4,000 5,000
液化天然气罐具体成本 (美元 /立方米)
液化天然气系统投资回收期 (2015年起)
船舶大小不同,排放控制区域营运比例不同
• 2,500 TEU
• 4,600 TEU
• 8,500 TEU
• 14,000 TEU
• 18,000 TEU
-6 -4 -2 0 2 4 6
燃料价格差(液化天然气-重燃料油)$/mmBTU
2,500 TEU集装箱船投资回收期 (2015年起)
• 使用液化天然气燃料
• 液化天然气和废热回收系统
• 洗涤塔
• 洗涤塔和废热回收系统
• 使用液化天然气燃料
• 液化天然气和废热回收系统
• 洗涤塔
• 洗涤塔和废热回收系统
65%排放控制区域
营运比例
–6 –4 –2 0 2 4 6
燃料价格差 (液化天然气-重燃料油) $/mmBTU
液化天然气作为船用燃料
来源: iPP/ Technology
推动因素——液化天然气罐成本和液化天然气
价格
额外投资中最大的部分与液化天然气罐相关。本研究假定
2,500 TEU集装箱船配置C型罐,大型船舶使用B型棱柱罐。预
计较小的C型罐成本比B型罐高(还取决于不同的排放控制区
域 营 运 比 例 )。
与较小船舶相比,较大船舶的回收期对液化天然气罐成本的依
赖更大。
2,500 TEU集装箱船使用液化天然气和洗涤塔系统的回收期比
较结果表明,即使液化天然气罐成本处于高位,液化天然气系
统的成本回收期(采用标准燃料价格走势)也比洗涤塔短。
尽管此处没有表明:与使用洗涤塔系统的大型船舶相比,如果液
罐成本超过3,000 $/m 3,则会导致液化天然气系统回收期不利。
考虑到船舶液化天然气供应设施尚未广泛使用,液化天然气配
送成本的变化会影响液化天然气系统的回收期。一般对于使用
高成本液化天然气系统的大型船舶而言,其回收期很大程度上
取决于液化天然气价格(交付至船舶的价格)。在重燃料油和
液化天然气价格相等的情况下,根据能源含量,大型船舶回收
期将超过60个月(这表明2020年燃料标准生效时,盈亏平衡是
可 能 的 。)
对2,500 TEU集装箱船的洗涤塔和液化天然气系统以及不同液
化天然气价格进行比较,结果表明只要液化天然气(交付到船
舶的价格)价格和重燃料油持平或低于重燃料油价格,对照能
源含量,液化天然气系统比较有吸引力。(2012年1月,液化天
然气在泽布吕赫的批发价格是10.6$/mm BTU,重燃料油在鹿
特丹的批发价格是15.7 $/mmBTU,这表明在欧洲液化天然气
作为船用燃料与重燃料油同样具有商业吸引力)
09

结论
使用液化天然气作为船用燃料能减少排放,在一定条件下可以
降低燃料成本。与洗涤塔系统相比,液化天然气作为船用燃料
有三项要素决定了其吸引力:
 液化天然气罐系统投资成本
 液化天然气和重燃料油价格差异
 排放控制区域营运比例
如果排放控制区域营运比例达到65%,预计小型船舶液化天然
气系统投资回收期少于两年(使用标准燃料价格走势)。
对比2,500 TEU 集装箱船使用洗涤塔和液化天然气系统的投
资回收期,对照不同的液化天然气价格,表明如果液化天然气
价格(交付到船舶的价格)与重燃料油持平或者低于重燃料油
价格,对照其能源含量,液化天然气系统比较具有吸引力。
排放控制区域内营运比例较小的典型大型集装箱船,例如
14,000 TEU集装箱船,其使用液化天然气系统的投资回收期最
短(采用标准燃料价格走势),而且使用废热回收系统能进一
步缩短投资回收期。
交付到船舶的液化天然气价格是难以预料的。从美国到日本,
液化天然气基本价格差异达到四倍。即使增加了小规模配送成
本,欧洲液化天然气基本价格看上去也比较有吸引力。当液化
天然气价格达到15$/mm BTU时,本研究中的小型船舶使用液
化天然气系统比使用洗涤塔在投资回收期方面更具竞争力。
10
ME- G1 发动机
� 最高效率
� 较低环境影响
� 同步双燃料燃烧
(重燃料油 + FG)
DF/天然气发电机
� 双燃料燃烧
� 较低环境影响
HIVAR 燃料气供应
系统
� 极低功率消耗
� 体 积 小 巧、防 滑 设 计
� HP 液体抽吸和汽化
� 使用 BOG
ACTIB 液化天然
气罐
� IMO B型独立液舱
� 高容积效率
� 结构完整
� 部分次级屏障
来源: DSME
欧洲地区(挪威以外)刚刚开始配送小规模液化天然气,液化天
然气燃料价格有待确定。
本模型对集装箱船液化天然气系统、洗涤塔和废热回收系统进
行成本和利益预测,为研究其它船型提供了广泛的可能性。研究
参数包括船舶大小、航程概况(包括排放控制区域营运比例)和
其它液化天然气罐配置。根据需要提供针对性分析。
液化天然气作为船用燃料已成为国际航运业的现实。2011年10
月成品油船Bit Viking开始使用液化天然气营运,该船入GL船级。

致谢
来源:
图表:GL-MAN 集装箱船高级推进系统路线图
第4-7页照片:MAN
本研究由GL和MAN于2011年联合完成。这项工作由Mads Lyder
Andersen先生(MAN)、Niels B. Clausen先生(MAN)和
Pierre C. Sames(GL)博士共同开展。
欲 获 更 多 信 息,请 联 系:
Pierre C. Sames博士
德国劳氏研究与规范开发高级副总裁
电话:+ 49 40 36149113
电子邮件:pierre.sames@gl-group.com
液化天然气作为船用燃料
11

0M081 · 2012-08-01
美洲地区
1155 Dairy Ashford, Suite 315
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美国
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