氢与合成燃料：产量、储存和成本
本页根据两份 EMSA 研究：《Potential of hydrogen as fuel for shipping》（3 卷）与《Potential of synthetic fuels for shipping》（111 页）。绿氢的井到尾排放可以接近零。全球绿氢年产量不到 0.1 百万吨，国际航运的能量需求大约相当于每年 95 百万吨氢。2030 年前合成燃料上不了规模，差在电解槽、合成装置和直接空气捕集。船上储存的体积和成本限制远洋使用。
来源：EMSA 氢燃料研究与合成燃料研究 · 资料库
氢：四条制取路线与储存障碍
| 路线 | 说明 | 评估 |
|---|---|---|
| 电解水 | 绿电制氢；可与多行业解耦、规模可扩 | 最合适 |
| 直接太阳能 | 光解/光电化学制氢 | 早期 |
| 生物质发酵 | 生物制氢 | 资源受限 |
| 生物质热化学 | 气化重整 | 资源受限 |
现在的氢主要用天然气生产。绿氢四条路线里，电解被写成最合适：可持续生物质有限，电解用可再生电分解纯水，同一套产能也可以供其他工业。全球绿氢产量不到 0.1 百万吨/年。国际航运现在的能量需求大约相当于每年 95 百万吨氢。
到 2040 年，全世界可再生电力在不计其他行业需求时，可以够全球船队用的绿氢。短缺预期在电解槽。工业会和航运争绿电和绿氢。电厂装上之后运行成本很小，资本开支大致等于这套装置寿命里产出的氢的成本。融资条件和电价政策会决定项目能不能做。
远洋船现在不用氢推进，沿海也只有很少几艘。陆上储存和分配、内燃机燃烧、燃料电池，审查后没有看到过不去的障碍。压缩氢即使加压，体积能量密度仍然低；液氢要高度绝热或真空绝热舱。较长航线用液态有机氢载体或氨来运氢，成本较低。把氢装进、卸出船上的液态有机氢载体，商船布置还要另做。现有载体船的舱按货舱设计，商船燃料舱要另做布置。大缸径氢机可用之后，这项布置才有对应的主机。
热催化分解把载氢物质在燃烧前拆成氢和固体碳，船上存的是载体，不必另备氢舱。技术成熟度低，初期试验被写成有希望。产物是固体碳，可以做成石墨一类材料。报告认为这可能反过来推动二冲程大缸径氢机。
短途、靠港勤的沿海船，加注次数多，燃料舱可以小一些，等岸上加注设施有了之后更合适。客滚船和滚装船的示例：2030 年绿氢总拥有成本约为常规化石燃料船的 3 倍，2050 年仍高 20–30%。蓝氢（天然气制氢并捕集储存二氧化碳）2030 年约为 2 倍，2050 年可能与常规燃料持平。绿氢要接近这个结果，化石船用燃料价格或碳成本（例如 ETS）得高。没有碳成本、氢价又处于情景里偏高的一端时，绿氢船的总拥有成本可以仍高达常规船的 4 倍。
研究结论 EMSA《Potential of hydrogen as fuel for shipping》综述：产量、可得性、适用性、技经。
电解绿氢的井到罐排放接近零，剩下的一小部分来自发电设备和电解槽的制造。船上燃烧绿氢不直接产生温室气体，温室气体来自引燃油；引燃油若是净零碳燃料，井到尾可以去掉。未燃烧的氢排入大气是间接温室气体，来源包括管路泄漏、储存舱蒸发和放空、开机停机，以及除去燃料杂质。有研究认为，即使生产和燃烧过程损失的氢高达烧掉体积的 10%，少烧化石燃料带来的减排仍然使气候影响为净减少。
氢内燃机不排二氧化硫、一氧化碳、重金属、烃和多环芳烃，颗粒物仍然来自气缸滑油。氢燃烧会生成热力氮氧化物，优化燃烧、选择性催化还原或废气再循环可以降低；引燃油仍会带来一部分排放。燃料电池不需要引燃油，氮氧化物、硫氧化物和颗粒物可以去掉。若在电池里把含碳燃料重整成氢，后面的热量和能量回收里仍可能有少量氮氧化物。运行中泄漏或未反应的氢同样计入温室气体。
研究结论 同一研究的可持续性部分。
合成燃料：电柴油、电甲烷、电甲醇
合成燃料研究把可再生电制燃料称为电燃料。航运可能用得最多的是电氨、电氢、电柴油、电甲烷和电甲醇。前两种已有单独研究，本报告只做后三种。三条路线都要直接空气捕集来的二氧化碳。直接空气捕集还不成熟，捕集成本仍然高，所以现在没有一条路线达到可以入市的程度。部分路线本身还要再做技术开发。短期内可以用生物源二氧化碳减轻这一限制，规模有限。
- 可持续性：全生命周期 GHG 与污染物远低于化石，但需要大量风光土地，与农业、生物多样性竞争；风机影响鸟蝠，材料开采有影响。
- 可得性：可再生电力增长到 2030 年或可满足，但电解、合成与 DAC 的产能跟不上。
- 成本：2030 年新建船 TCO 比常规燃料高约 45–85%（e-diesel 上限、e-methane 下限）；2050 年可能低于常规。需政策弥合价差。
- 目标：IMO 要求 2030 年零/近零燃料占比至少 5%（争取 10%）；EU Fit-for-55 设 RFNBO 目标。
总拥有成本
| 燃料 | 2030 相对化石 TCO | 2050 |
|---|---|---|
| 绿氢 | 约 3× | 高 20–30%（无碳成本时可达 4×） |
| 蓝氢 | 约 2× | 可能平价 |
| e-diesel / e-methane / e-methanol | 新建船 TCO 高 45–85% | 可能低于常规 |
氢作船用燃料的专门规则很少。陆上已有生产、使用和装卸经验。新设计可以走基于风险的替代设计批准，船级社已有规则和指南。欧盟 Fit for 55 提供区域激励。国际海事组织海上环境保护委员会第 80 届会议通过了船用燃料生命周期温室气体指南，中期措施（技术和经济两部分）当时还没定。电柴油可以用于现在烧柴油的船，不必为这种燃料改装；电甲烷可以用现有液化天然气的终端、储存、运输和加注，但要存在 −160°C，并处理蒸发气和甲烷逃逸。液化天然气里可以有最多约 10% 的其他气体，电甲烷几乎是纯甲烷。
成本测算：生产价与逐年总拥有成本
报告用同一套船型与航次假定算了两件事：燃料的生产价，以及整船逐年总拥有成本相对燃油参照船的偏幅。先看生产价。直接空气捕集的碳是三条路线共同的上游，报告采用国际能源署 2022 年的数作为测算基准：2020 年每吨二氧化碳 110 到 300 欧元，2030 年 90 到 110 欧元，2050 年 80 到 90 欧元；文献里其他来源从每吨 60 欧元的乐观值到 590 欧元的早期高价都有。
| 燃料 | 2020 | 2030 | 2050 |
|---|---|---|---|
| 电甲醇 | 42.6 / 56.3 | 29.1 / 36.4 | 21.5 / 29.2 |
| 电柴油 | 46.6 / 61.3 | 33.1 / 41.4 | 25.5 / 34.2 |
| 电甲烷 | 37.6 / 52.3 | 24.1 / 32.4 | 16.5 / 25.2 |
生产价从 2020 到 2050 大致减半，主要靠可再生电力、电解槽和直接空气捕集一起变便宜；文献区间因此逐年收窄。选电甲醇还是电柴油、电甲烷，差别主要在下游能不能用现有设备和储运，而不在生产价的高低。
再看整船。报告对同一艘船比较烧电燃料和烧超低硫燃料油的年度总拥有成本，分别算两种情形：参照船的 TCO 计入碳成本（对应欧盟内部航段）和不计碳成本（对应非欧盟航段）。低油价 / 高油价两档。正数表示比参照船贵，负数表示更便宜。
| 燃料 | 年份 | 计入碳成本 | 不计碳成本 |
|---|---|---|---|
| 电甲醇 | 2020 | 189% / 279% | 189% / 279% |
| 2030 | 73% / 149% | 135% / 214% | |
| 2050 | −34% / −18% | 16% / 36% | |
| 电柴油 | 2020 | 207% / 303% | 207% / 303% |
| 2030 | 86% / 163% | 153% / 233% | |
| 2050 | −27% / −10% | 28% / 51% | |
| 电甲烷 | 2020 | 158% / 254% | 158% / 254% |
| 2030 | 47% / 132% | 100% / 194% | |
| 2050 | −47% / −28% | −7% / 20% |
集装箱船 14,500–20,000 标准箱的同一组测算几乎一样：2020 年各式高出参照船 157% 到 304%；2030 年计入碳成本后降到 46% 到 164%，不计碳成本时仍有 99% 到 233%；2050 年计入碳成本时电甲醇和电甲烷转为便宜 34% 到 47%，电柴油便宜 10% 到 27%，不计碳成本时只有电甲烷在低油价下接近持平（−7%），其余仍贵 15% 到 51%。碳成本能否计入，对 2030 和 2050 年的结论影响很大。
| 燃料 | 投资期 | 2020 | 2030 | 2050 |
|---|---|---|---|---|
| 电甲醇 | 5 年 | 239% / 346% | 129% / 203% | 21% / 36% |
| 10 年 | 224% / 327% | 115% / 188% | 15% / 28% | |
| 15 年 | 219% / 321% | 110% / 184% | 13% / 25% | |
| 电甲烷 | 5 年 | 208% / 327% | 106% / 192% | 11% / 30% |
| 10 年 | 191% / 304% | 90% / 175% | 3% / 21% | |
| 15 年 | 186% / 296% | 85% / 169% | 1% / 18% | |
| 电柴油 | 5 年 | 230% / 334% | 115% / 188% | 15% / 28% |
| 10 年 | 230% / 334% | 115% / 188% | 15% / 28% |
改装看的是投资期：同一批偏幅在 5 年、10 年、15 年三个投资期下逐年下降，投资期越长、每年摊到的改装成本越低、2050 年前后越容易转正（电甲烷 15 年期在 2050 年低油价下只贵 1%）。这些数字仍是模型值，不代表可签约报价。
研究结论 EMSA 合成燃料研究报告表 26 至表 29、表 31 至表 37。表 37 只列电甲醇与电甲烷。
法规缺口：现行规则对合成燃料的适配
报告附件 C 把合成燃料逐条对照现行规则，标出从无需改到改动很大的四档。整体判断是：没有一处是完全空白，但多数规则是为化石燃料或液化天然气写的，电燃料只能靠第 3.2 条的试验或者第 4 条的等效条款绕道，成套的专门要求还没到位。
| 主题 | 规则 | 缺口与动向 |
|---|---|---|
| 排放与可持续 | MARPOL 附则 VI 第 13 条（氮氧化物）与第 18 条 | 氮氧化物技术规则对合成燃料及掺混的认证条款有限，第 18.3.2.2 条的适用不明确；需修订附则 VI 与氮氧化物技术规则。 |
| 排放与可持续 | MARPOL 附则 VI 第 14 条（硫氧化物与颗粒物） | 合成燃料本身低于限值，但规则并未直接激励其采用；需及时更新国际排放限值。 |
| 排放与可持续 | MARPOL 附则 VI 第四章（能效与碳强度，EEDI/EEXI/CII） | 现有计算基于有限的燃油碳因子（燃料箱到尾流），合成燃料如何纳入 EEDI/EEXI/CII 与数据收集机制需澄清；期待国际海事组织的生命周期指南跟进。 |
| 排放与可持续 | 欧盟可再生能源指令与燃料质量指令 | 区域规定有效，但跨欧盟边界的燃料贸易会遇障；需明确合成燃料的纳入。 |
| 储运 | 国际散装液化气体船舶规则（IGC）与国际散装化学品船舶规则（IBC） | 现规则未直接覆盖电液化天然气、电甲醇等合成当量；国际海事组织计划 2028 年 1 月 1 日生效的 IGC 全面审查可能补上。 |
| 使用与消耗 | 国际气体燃料船舶安全规则（IGF） | 规定性内容以液化天然气为主，其他低闪点燃料靠替代设计流程；甲基/乙基醇已有 MSC.1/Circ.1621 暂行指南，合成燃料可参照。 |
| 使用与消耗 | SOLAS 与船级社规则 | 闪点在 52 到 60°C 的燃油目前未覆盖，正在制定暂行指南；合成柴油的船上适用性通常需逐案验证。 |
| 燃料质量 | ISO 8217 | 现行限值只允许掺入有限比例的生物燃料；建议修订以纳入合格合成燃料的掺混比例。 |
| 燃料质量 | ISO 23306（液化天然气）与 ISO/CD 6583（甲醇） | 已有标准涵盖合成甲烷；甲醇规格仍在制定，应确保涵盖可再生来源的甲醇。 |
| 加注 | ISO 18683 / 20519 / 28460 / 21593 / 16904 等液化天然气系列 | 适用于液化天然气因而也适用于电液化天然气，可在同一基础上扩展其他合成燃料。 |
| 统一要求 | 国际船级社协会统一要求与统一解释 | 目前还没有针对合成燃料的统一要求或解释，建议补上以统一适用。 |
对需要布局的中国企业，这张表更像一份时间表：规则缺口集中在氮氧化物认证、碳强度计算和燃料质量三类，而这三类直接影响新造船和改装的可行性与成本。报告的建议是推动修订附则 VI 与氮氧化物技术规则、补上甲醇等燃料的国际标准、以及由船级社先出统一要求，让设计、建造与营运有一致的依据。
研究结论 EMSA 合成燃料研究报告附件 C 法规缺口分析。
危险识别：氢特有的风险与防护
氢研究对三类布置做了危险识别：客滚船（压缩氢舱与供气）、成品油轮（压缩氢系统），以及在成品油轮、渡轮和超大型油轮上把甲烷转成氢再使用。主要问题是可燃范围宽、点火能低、泄漏、火焰速度快，以及爆燃和爆轰。氢分子小、粘度低（约 8.81 微帕·秒），比甲烷更容易从接头和密封处泄漏；燃烧速度快，管道内火焰可加速到声速。防护里一部分沿用甲烷的《国际气体燃料船舶安全规则》，很大一部分是氢特有的。
| 节点 | 主要危险与成因 |
|---|---|
| 加注 | 软管或装卸臂失效、接头泄漏、拉断、超压、与加注设备不兼容 |
| 全局风险 | 碰撞、搁浅、火灾、爆炸、外部安全威胁 |
| 燃料储存 | 储罐或容器泄漏、超压、低温（液氢）蒸发、材料氢脆 |
| 燃料制备 | 净化、压缩或汽化环节泄漏、压力波动、热交换器失效 |
| 燃料管理 | 阀件、管路、法兰泄漏；通风不良积聚；紧急切断失效 |
| 放空系统 | 放空口位置不当、放空时空气倒灌、雷击或静电点火 |
| 机舱 | 高压或低温燃料管路进入机舱、泄漏后在封闭空间积聚、点火源 |
| 居住区 | 进风口吸入泄漏的氢、未设探测或报警 |
| 外部风险 | 邻近危险货物、第三方船舶或车辆撞击、港口周边点火源 |
防护措施：接头和密封尽量少，用焊接结构；材料要经过氢环境资格试验；通风把浓度维持在爆炸下限以下；放空口位置和高度要防止空气进入；划危险区并做静电接地；探测器按可燃下限触发；氢火焰近乎不可见，难探测，要靠气体或噪声探测；着火时用喷水保护周边，不要直接扑灭，让氢安全烧尽；设置泄漏前破裂设计、泄漏与气密试验、应急计划和培训。这些措施按船型选用，用来以后写具体要求和更安全的布置。氢作为船用燃料和货物都还少见，石化业和汽车业已有生产和用法，第一步是把那些做法拿到船上评估。研究结论
附件十三：CH₄ 转氢的 HAZID 登记表
报告附件十三把「甲烷转氢」技术的危险识别登记表逐格列出。登记项按加注站、储存与再液化、燃料准备间、机舱与用户这个顺序编号，每格给偏差、成因、后果、风险矩阵（严重度 × 可能性）、防护措施和建议编号。加注站一段最细，编号到 2.14，也最能反映氢和甲烷在港口的操作差异。
| 编号 | 偏差 | 主要成因 | 后果与风险 |
|---|---|---|---|
| 2.1–2.2 | 软管失效 | 接头泄漏、制造缺陷（内壁泄漏使气体积在管壁内）、过压、振动 | 氢泄漏为中等严重×可能=高；火灾爆炸为重大×不太可能=高；港口人员受伤与无法加注为中 |
| 2.3–2.4 | 连接失效与连接泄漏 | 与软管失效同源 | 同上 |
| 2.5 | 夹带氢 | 设计缺陷，设备内或紧邻位置可能滞留氢 | 维护或操作时人员接触高压氢：严重 4×可能性 C = 极高 |
| 2.6 | 储罐背压 | 罐阀内漏到加注管线；吹扫后阀在开位 | 吹扫后管线与软管仍存氢、带压断接伤人、向大气排放 |
| 2.7 | 加注管线超压 | 供压过高、堵塞流 | 管道损坏 3×C 高、氢释放、罐损坏 3×B 中、控制阀损坏、火灾爆炸 |
| 2.8 | 压力不匹配 | 氢回流到供方、储罐间压力不一致、人为错误 | 低压侧压力冲击 3×C 高、罐内骤升压 |
| 2.9 | 卡车加注（TTS）连接过多 | 连接泄漏、人为错误与规程不到位 | 氢泄漏、火灾爆炸、人员受伤；报告注：约十分之一港口的加注靠槽车，并非所有场地都适合氢 |
| 2.10 | 人为错误 | 维护错误、操作不当 | 氢泄漏、火灾爆炸、人员受伤、堵塞或超压 |
| 2.11–2.12 | 低气温与结冰 | 冬季结冰、放空桅被冰堵 | 阀门打不开、连接可能断裂、冰载荷加大应力、探测器失效、无法排放氢、系统超压 |
| 2.13 | 船体运动与海况 | 大风、过路船涌浪、雷电暴雨、软管缠绕或摩擦船体 | 氢泄漏、软管与歧管受载、系缆失效、能见度差、人员受伤、火灾爆炸 |
| 2.14 | 靠泊与系泊 | 碰撞、潮汐升降 | 船体与储罐损坏、潮位变化处软管受损 |
建议里反复出现几类要求：加注管线要做泄漏与气密试验，试验介质要能模拟氢泄漏，可用氢、氦或氮氢混合；软管要有技术验证与新的资格认证，部署前检查并写进标准操作程序；系泊分析要考虑软管运动，避免碰船体或缠绕，并给出操作包络；加注站要做 HAZOP 和失效模式分析，储罐隔离采用双阻断放泄，配压力监测、便携式气体检测仪和个人防护；放空桅要能承受供方的全流量排放，并研究防冰措施；并靠加注时测量船间距；结冰条件下要为火气探测选型；冰级船要把阀门和歧管放进围蔽处并配温度控制与防火保护；夜间加注要另做照明研究。
登记表把每一项的风险等级都算到具体数字，绝大多数落在高或中，唯一的极高项是夹带氢：设备内部或紧邻位置残留高压氢，在维护或操作时伤人。报告对它的处置是设计阶段逐个设备研究夹带可能，并配吹扫、卸压和程序。
研究结论 EMSA 氢燃料研究附件十三（CH₄ 转 H₂ 技术危险识别登记表）。表中其余节点（储存与再液化、燃料准备间、机舱与用户）的逐条项未展开。
产能瓶颈：直接空气捕集
报告用一个极端情景估算全球船队全部改用电燃料需要多少产能，再与预测可得产能对比。假设按各三分之一的需求由电甲醇、电甲烷和电柴油分担。结果表明，最大的瓶颈是直接空气捕集：它是所有电燃料路线的共同前置，又最少成熟、成本最高。可再生电力本身看起来够用，电解槽和合成装置在 2050 年前能跟上，只有 DAC 明显落后。短期可以用生物源二氧化碳缓解，但它本身也是稀缺资源，还要留给生物基化学品。
| 产能类别 | 2030 所需 | 2030 可得 | 2050 所需 | 2050 可得 | 单位 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 低 | 高 | 低 | 高 | 低 | 高 | 低 | 高 | ||
| 可再生电力 | 9,549 | 11,206 | 7,500 | 15,000 | 6,649 | 15,123 | 25,000 | 50,000 | TWh/年 |
| 电解槽 | 1,300 | 1,900 | 170 | 365 | 1,100 | 3,100 | 1,800 | 3,670 | GW |
| 直接空气捕集（DAC） | 873 | 1,024 | 4.7 | 75.0 | 736 | 1,673 | 500 | 980 | Mt CO₂/年 |
| 电燃料合成 | 12.1 | 14.2 | 0.25 | 0.30 | 10.2 | 13.4 | 13.4 | 15.0 | EJ/年 |
换成百分比看更直观：只有 DAC 在 2030 年只能支撑全球需求的一小部分，电解槽和合成装置也受限，但可再生电力在乐观情形下已经够。
| 产能类别 | 2030 低 | 2030 高 | 2050 低 | 2050 高 |
|---|---|---|---|---|
| 可再生电力 | 79% | 100% | 100% | 100% |
| 电解槽 | 13% | 19% | 100% | 100% |
| 直接空气捕集 | 0.5% | 7.3% | 68% | 100% |
| 电燃料合成 | 2.1% | 2.1% | 100% | 100% |
排放侧的数据来自全生命周期：制造环节计入后，电甲醇、电甲烷、电柴油的排放因子分别约 5.1、5.1、5.6 克二氧化碳当量每兆焦，而不计制造环节只有 0.5、0.3、0.5；作为对照，极低硫燃油和船用柴油分别约 92 和 91 克。也就是说，即使把制造算进去，电燃料的排放因子仍远低于化石燃料。报告也提醒两处泄漏：液化电甲烷的蒸发损失约每天 0.1%–0.15%，需要回收；电解制氢在启停和吹扫时的氢排放最多可达产量的约 9.2%，若能全部捕集则降到约 0.52% 以下，氢的百年增温潜势估计在 1.9 到 16 之间。硫含量可以预期为零。
研究结论 EMSA 合成燃料研究第 2.2 节与第 2.3 节、表 7、表 13、表 14。
氢研究的总体结论
生产与可得性：现在全球氢产约 94 百万吨/年，几乎都用天然气或煤制取，属灰氢。绿氢要把井到尾温室气体降下来：比灰氢减少最多 97%，比船用轻柴油和重油减少最多 96%。制氢路线里电解是主角，分碱性、质子交换膜和固体氧化物三类。电解槽装机当前只有约 0.3 吉瓦，2021 年 10 月已宣布的项目合计约 260 吉瓦，差距就是瓶颈。储存用 200 至 700 巴压力；Otto 循环是主流，还没有大型两冲程氢机的计划。液氢蒸发率高，需要再液化；长航线用液态有机氢载体或氨运氢更省。
温室气体口径：氢本身是间接温室气体，管路泄漏、储存蒸发和放空都会增加气候影响，但有研究认为即使损失高达烧掉体积的 10%，少烧化石燃料带来的减排仍使气候影响为净减少。
成本：2030 年绿氢船总拥有成本约为常规燃料船的 3 倍，2050 年仍高 20–30%；若无碳价且氢价处于情景高端，可高达 4 倍。法规缺口仍是主要障碍，可用基于风险的替代设计审批，船级社已有暂行规则。
研究结论 EMSA《Potential of hydrogen as fuel for shipping》第 5 章与表 36。
中国企业视角
- 2030 年前电柴油、电甲烷、电甲醇的产能跟不上航运需求。这段时间的合规安排用生物燃料、甲醇、液化天然气和能效措施。
- 电解槽产能是绿氢和电燃料共同的短缺。船上把氨或甲醇重整成氢，布置和安全还要单独验证。
- 采购可再生燃料时核对认证：电力的碳强度和氢泄漏都会进到井到尾计算。