LNG as an alternative fuel for the operation of ships and heavy-duty vehicles
Background
The transport sector is characterised by distinct rises in energy consumption both throughout Europe and globally.In addition to its dependency on limited fossil resources (e.g. mineral oil),the transport
sector is further recognised as a key contributor to the anthropogenic greenhouse effect.On a global scale,transport is responsible for about 22% of greenhouse gas (GHG) emissions.In Germany, the contribution of road transport to overall greenhouse gas emissions ranges between 17% and 20%.
A successful introduction of renewable energies in combination with a reduction of greenhouse gas emissions in the sectors ship and road transport is associated with a number of special challenges.These include calls for innovations in propulsion technology, infrastructure solutions as well as primary energy diversification. Liquefied natural gas (LNG) presents an alternative for simultaneous application with fossil fuels derived from crude oil (e.g. diesel), with a special focus on means of transport that require an extended operating range or a demand for high performance output.
For these reasons,the present study investigates technological components relevant for LNG supply and infrastructure including associated environmental impacts.In a second step,the study explores
possible scenarios for the introduction of focal modes of transport: maritime transport, inland navigation and heavy-duty vehicles (HDVs). These scenarios include estimates on resulting future LNG demand followed by calculations of local emissions and greenhouse gases. Furthermore, recommendations for action regarding a potential LNG development plan are derived from the findings. However,the present study does not attempt in-depth cost analyses.
Key drivers
Key drivers for the introduction of LNG in the transport sector include an extended operating range in comparison with CNG as well as a distinct reduction of local emissions, or simplified exhaust gas aftertreatment measures. Decreases in fuel costs and greenhouse gas emissions may also be achieved.
Based on renewable methane, LNG may contribute to achieve the EU target of 10% renewable energies in the transport sector by 2020.
Availability of LNG
The availability of LNG is primarily determined by the availability of fossil natural gas or RE methane(methane derived from renewable electricity).Both options are associated with positive growth perspectives. Moreover, the presence of a suitable infrastructure for liquefaction, transport, supply and distribution of LNG, whether from maritime imports from global sources or via on-site liquefaction and
distribution, is a vital factor for the availability of LNG on the market. In Europe, the development of LNG infrastructure will be supported by regulatory measures in the EC Clean Power for Transport package as well as through national LNG platforms or LNG corridor projects. However, the current projections do not expect LNG to play a major role on the global market by 2020. In Europe, 3/4 of the overall demand is expected to be supplied by pipelines whereas only 1/4 will be supplied with natural
gas in the form of LNG.
The scenarios in the present study identify opportunities for the perspective to substitute a major share of the LNG demand with RE methane. Thus,GHG reduction potentials are recognised.However,these must be weighed against impediments associated with the supply of RE methane.
Key messages on the perspectives of LNG
The perspectives for LNG as an alternative fuel in ship transport and road freight transport were investigated with analyses of the LNG market, the technology for powertrains and infrastructure and the potential emissions reductions. As a result, the following key messages apply:
- Across applications：
Introduction of LNG requires careful preparation including the identification and evaluation of all relevant technological and economic risks.Increased security of energy supply with LNG through diversification of fuels.Suitability for long-distance freight transport as an alternative to diesel.Limited reduction of GHG emissions with fossil LNG produced with current techniques, relevant GHG reductions achievable only with RE methane.Few ships and vehicles operated with LNG at present.
LNG infrastructure requires development from the ground up.LNG suppliers are unlikely to invest in additional infrastructure unless a robust perspective for increased LNG demand is evident.National regulations may impede or desynchronise infrastructure development.On-site liquefaction of natural gas or methane highly relevant as a perspective, primarily in the integration of (fluctuating) renewable energies.Expected future renewable electricity potentials allow relevant substitution of LNG with RE methane. However, substitution of LNG in competition with additional consumers (other transport,hydrogen/fuel cell vehicles, stationary sector).The considerable energy input required for fuel synthesis demands careful application of synthetic fuels. The key tasks are the identification of transport sectors in which the application of synthetic fuels is essential and transport sectors in which synthetic fuels are economic. In addition, the evaluation of load-to-distance ratios that render additional fuel or engine alternatives with higher efficiency more appropriate is vital.
- Maritime transport：
International maritime transport potentially the primary LNG consumer in transport by 2030.Technology for the application of LNG available on the market.Development initially in ports with predominantly fixed and short routes (e.g. RORO vessels) Existing port regulations currently prohibit the utilisation of LNG as fuel.Fuel costs are lower in c
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将液化天然气发展为船舶和重型车辆的替代燃料
背景资料
交通运输业的能源消耗，在欧洲乃至全球范围内都在增加。因此，除了消耗化石能源，交通运输业污染也被认为是温室气体排放的关键人为因素。在全球范围内，大约22%的温室气体排放，来源于交通运输业。在德国，道路运输造成的温室气体排放占总体的17%-20%左右。
成功将可再生能源、尤其是液化天然气，引入船舶和道路运输，以达到减少温室气体排放的技术，目前面临着一系列挑战。这些挑战包括：如何呼吁推进技术创新、基础设施的建设，以及保证能源的多样化，液化天然气（LNG）作为原油衍生燃料的替代品，如何在交通运输业扩大其应用范围，或者说满足高性能输出的需求。
基于以上理由，本研究在技术层面，重点调查了LNG在供应链和基础设施方面的建设，以及这些因素对相关环境的影响。其次，这项研究关注的可行运输方式包括：海上运输、内河运输、重型车辆运输。研究是在评估未来LNG需求潜力的基础上，来计算能源消耗在当地产生的排放，及温室气体数量级后得出的结果。此外，研究建议采取的行动，以及未来潜在发展的规划，均来源于计算结果。然而，本次研究没有尝试进一步深入分析经济性因素。
关键因素
将LNG引入运输业，是同应用压缩天然气（CNG)一样，均可显著减少排放，或者说简化了废气后处理装置，同时也兼顾了燃油成本和温室气体控制。现有的LNG基础设施，在服务于当前应用的同时，也可以为扩大应用范围提供便利。制定出的更严格的排放标准(SO2, NOx, 特殊物质，以及重金属)，迫使海运船舶必须具备将重燃油(HFO)转换为船用柴油，或者LNG的燃料模式。将LNG用于内河运输的驱动力，源于出台的更严格的排放标准，需要达到特定行业温室气体减排目标，以及降低燃料成本方面的考量。
基于可再生甲烷技术的应用，LNG的应用有望帮助欧盟，在2020年实现在交通运输领域内，让可再生能源的使用比例达到10%的目标。
LNG来源
LNG从根本上说是来源于石油天然气或者可再生甲烷。从长远来看这两种转化LNG燃料的模式正呈现积极增长的态势。进一步来说，合理建设集液化、运输、供应以及分配于一体的相关基础设施，对于从全球通过海上运输或者在本地进行液化和分配LNG燃料，并保证市场供应至关重要。在欧洲，LNG相关基础设施的建设得到了欧洲清洁能源署、国家间LNG走廊项目的支持。然而，当前预期表明直至2020年LNG仍不能在能源行业扮演重要角色。在欧洲地区，预期当前能源需求的3/4将通过管道运输，然而天然气供应中仅有1/4是以LNG的型式输送。
本次研究重点关注可再生甲烷转化为LNG作为替代燃料的应用前景，尽管其对温室气体减排的潜力有目共睹，但是也应当注意到可再生甲烷的供应存在困难。
LNG燃料应用的现状
从LNG市场、动力系统和相关基础设施建设技术以及潜在的减排潜力对LNG作为海上和陆地运输业替代燃料的现状进行分析，得出的结果表明，LNG燃料应用的现状包括以下几点：
1.跨领域应用：LNG应用需要精心分析和评价所涉及的相关技术和经济风险；LNG供应多样化来源是否安全可靠；作为柴油的替代品适合长途运输；和化石天然气及可再生甲烷等一定限度的减少了温室气体排放；采用LNG燃料的船舶和车辆较少；LNG基础设施需要从头开发；LNG供应商不可能追加额外的基础设施投资，除非LNG的市场需求显著增长；国家条令可能阻碍或者滞后于当前基础设施建设的现状；从LNG或者说甲烷现场液化高度相关性角度看，可再生能源产业的集成对LNG燃料应用具有波动性；预期未来的可再生电力技术也可能取代LNG和可再生甲烷的应用，但是LNG的替代竞争最终取决于消费者（其他交通工具，如氢燃料电池车辆，目前的发展处于停滞状态)；合成燃料的制备过程投入的能量相当巨大需要慎重，最关键的任务是识别哪些合成燃料是必须品并保证其经济性。此外，评估一定负载比率下哪种合成燃料或者替代引擎具备更高的效率也是至关重要的。
2.海上运输：国际海运至2030年的LNG燃料主要需求潜力；市场上具备成熟的LNG燃料应用技术；目前LNG船舶在港运输均是短程和固定线路，现行的港口管理条列阻碍了LNG作为替代燃料的应用；LNG相比于中间馏分油如船用柴油成本稍低，但是，相比于重燃油则不具备成本优势；LNG和可再生甲烷技术的应用均减少了温室气体排放（如高压双燃料发动机或者单燃料催化转化动力系统的应用）；排放能达到或者低于新的氮氧化物及硫化物排放标准，并且大幅度降低颗粒物排放。
3.内河航运：市场上具备成熟的LNG应用技术；技术可行性和经济性均有保证，特别是对于新建船舶或者大型船舶；通过内河航道基础设施的建设使大范围覆盖成为可能，如莱茵河水域；可再生LNG的应用优势在于从1990至2030年间使内河航运温室气体减排量增至25%（欧共体此前的目标为20%）；与柴油相比LNG显著减少了污染物排放（颗粒物和氮氧化物排放减少了80%），使用柴油的船舶在排放方面仅能与未来更严格的排放标准持平（以当前重型车辆排放标准作为参考）。
建议采取的措施
本研究表明LNG作为交通运输行业的替代燃料是相当有前景的。应当重点发展的方向是将可再生能源集成到这些模式的运输领域中。以下是发展LNG应用的几个基本面：
1.基础设施方面：LNG液化基础设施的分配；LNG加注站网络和私家车快速通道的建设，并考虑加注设施沿着内河主要航道协同作用；相关法律法规的制订和许可；LNG加注站的试点运行；区域间的相关合作（欧元区和国际社会）。
2.船舶：支持试点项目并考虑相关面，如授权和许可问题；补贴低排放的LNG动力船舶；在当前和可预期的私人航运市场，制定相关的补助标准（根据船舶类型、尺寸）；LNG作为海运燃料需要进一步的研究并进行试点运营；将LNG作为海运和内河运输的替代燃料提上议程。
对于当前LNG市场的分析
- LNG来源：目前，LNG主要来源于化石燃料。简要介绍一下当前的资源和储量情况。必须指出的是储量包括在当前技术手段下能经济开采的矿物，必须经过严格的勘探和采矿计划。相反，资源一般是未经证实的。近一半以上的天然气储量位于伊朗、俄罗斯、卡塔尔三个国家。伊朗和卡塔尔联合储量的70%在几十年前通过少量勘探得到了证实。近4.3%左右的天然气储量位于美国，这其中近一半是以煤层甲烷和页岩气的形式存在。然而，美国的天然气储量正在迅速枯竭，因为美国是目前最大的天然气出口国。北美（指加拿大、美国、墨西哥）拥有超过20%的全球页岩气资源，中国的页岩气资源超过了10%。这证实页岩气资源几乎全部位于美国。这些数据表明页岩气在将来的天然气市场取代常规天然气是不可靠的。未来几年资源占比将会因为储量和实际利用改变而发生转变。欧洲常规天然气储量主要位于挪威，荷兰和英国的储量明显减少。这些储备仅能覆盖欧洲地区天然气消费四年左右。假设所有常规天然气资源是存在且能被利用的，消费时间也只能延长至八年。同时考虑页岩气储备，欧洲天然气资源将扩展到21万亿 msup3;.然而，这些评估具有相当大的不确定性。2011年四月美国能源技术管理技术报报道波兰的页岩气储量为5.29万亿msup3;，而在2013年7月，该机构将这一数据变更为4.19万亿msup3;。2013年12月，德国联邦地球科学和自然资源研究所估计，波兰潜在的天然气储量为8850亿msup3;，这其中有880亿msup3;是确实存在的。然而在两年后，波兰页岩气储备的预估数据被下调修正了接近90%。页岩气资源丰富的国家有中国（250亿msup3;）、阿根廷（22万亿msup3;）、阿尔及利亚（20万亿msup3;），但应当指出这些国家存在明显的水资源短缺情况。此外，这些地区仅少量或者根本没有建设相关资源输出的基础设以满足潜在消费者。根据Zittel2013年的报道，欧洲页岩气资源不到全球总量的10%，国际能源署2012的数据表明，欧洲非常规天然气资源（页岩气、煤层气、致密气）仅轻微占到全球总量的2%。
- 天然气市场：通过海上运输的手段供应LNG与管道运输天然气相比，其优势在于能到达一些特定的区域（如偏远的天然气产地），以相对较低成本的到达卖方市场并且销售手段相当灵活。买方市场也能受益于灵活和多元化的供给，即不依赖于单一渠道的供应商。在1996年，有8个国家生产LNG，到2008年LNG生产国增加到了15个，预期这一数字在2020年将达到20个。目前，大约有25个国家拥有天然气进口终端。2012年的LNG进出口情况表明：日本占比37%，韩国16%，台湾地区5%，印度6%，中国大约在6%，这些国家和地区的LNG进口量达到了世界总量的69%，同期，出口到欧洲的LNG占比出口总量的19%，而仅有不到2%出口到美国。LNG出口总量的40%来源于中东，俄罗斯出口LNG则主要靠管道运输。
- LNG的供应：在未来几年，中东地区不会追加额外的投资用于提升LNG液化能力，在大西洋地区相关设施的发展增速预期只会平稳的保持在18%。从卡塔尔来看在这一方面是停滞的，短期内至2016年，其LNG液化设施的发展将会恢复过来.2012年在在太平洋地区的产能增长了近50%，增量中的60%来源于澳大利亚。因此，澳大利亚将超越卡塔尔成为LNG液化产业的领头羊。相比之下，印尼宣布减少天然气出口，对未来5年能否满足天然气需求持怀疑态度。与此同时，新加坡物流中心致力于成为亚洲地区的天然气贸易中心，并在海岸边的裕廊岛建设年产能900万吨的存储设施。新加坡正致力于取得亚洲LNG现货市场的定价权。从2010-2020年，世界LNG需求量将从4000亿msup3;增长至5660亿msup3;。欧洲地区的需求增长了近90%从而达到850-1610亿msup3;的区间，占比世界需求的19%-24%。尽管预测的需求一直在增长，但LNG市场到2020年仍不能发展成为一个完全的全球化市场，世界上LNG产量的50%仍将掌握在澳大利亚、马来西亚、卡塔尔三个国家手中。
- LNG陆上设施：LNG再气化技术目前正高速发展。截至2011年，年产能在654吨的近90个再气化终端在全球各地运营。到2016年，LNG再气化市场规划新增产能到125吨，这其中有80吨的新增产能正在发展。新增产能大多数来源于亚洲地区。漂浮式LNG气化设备成为LNG再气化领域的新兴元素，这得益于其改进的灵活性、较低的投资、较短的建设交货时间、能够快速组装、由于离岸执行拥有更高的接受度。目前有12个浮动式气化设备处于运营状态，并且有15个正处于规划或建造阶段。2009年的经济衰退加上LNG船舶产能过剩造成当前LNG船舶的短缺，使得整船交付的价格短期内上涨。目前的20艘LNG船只订单中仅有10艘能在2020年交付。然而，LNG船舶的供需平衡预期到2014年才能达成。当前天然气价格比在美国、欧洲、亚洲/拉丁美洲为4：10：16，这揭示了天然气贸易的机遇。天然气批发价格在不同市场的指向，使得LNG流量有望达成销售的最大收益。
5.拟议条例和基础设施倡议
根据18号最终修正草案，从2013年1月24日起，在燃料基础设施领域包括LNG，根据欧盟委员会在运输领域的修订版本,有以下规定:到2030年12月31日，各成员国必须建立一个允许内河港口运输的跨区域LNG加注核心网络，成员国之间可以相互合作以保证加注站网络的全面覆盖；到2030年12月31日，成员国必须建立足够数量跨欧洲交通和内陆港口核心网络的LNG加气站，成员国可以相互合作，确保加气站网络的充分覆盖。
LNG蓝色通道计划：蓝色通道项目旨在实现长途运输的四个泛欧洲运输走廊计划并提供示范作用。即从葡萄牙-西班牙-法国-英国-爱尔兰；从葡萄牙-西班牙-法国-德国-丹麦-瑞典；从地中海到意大利，并扩展到克罗地亚地区；从爱尔兰-英国-德国-奥地利。LNG蓝色通道项目进一步的目标是提供一个连接多瑙河内陆水域的蓝色通道，预计将从罗马尼亚延伸到维也纳。因此，它集成了阿塞拜疆-格鲁吉亚-罗马尼亚互联倡议，旨在通过从阿塞拜疆的液化天然气供应关系，通过格鲁吉亚将LNG输送到到欧洲中部。
LNG应用现状综述
将LNG应用于海上运输在当前的技术手段下是可以实现的，然而相关法规和标准还没有实施，LNG作为不被许可的海上运输燃料是当前不可逾越的障碍。此外，目前的基础设施水平和发展前景不明朗使得船舶运营商提前计划发展LNG运营没有好的基础。另一方面，需求水平的不确定正在阻碍液化天然气供应商扩展相关计划。在内河航运方面，LNG的利用技术已经足够成熟和实施，所需发动机和燃料储存技术都是现成的，存在加注的概念，在莱茵河的第一个LNG船舶试点项目已经取得了成功。此外，对LNG燃料基础设施的发展提出了具体的规划和建议。目前内河航运利用LNG的一个主要障碍是缺乏对注册审批和监管框架共识，如燃料批准和燃料的安全性法规。
LNG对于减少温室气体和污染物排放综述
从减少温室气体排放角度看，同等效率的LNG燃料发动机相比柴油机，其CO2排放减少了25%，与重燃油相比则减少了30%。然而，LNG燃料具有相当大的甲烷排放尤其是在船舶发动机上，燃料供应过程中的排放更是大大减少了其应用的潜力。但是与柴油相比，LNG燃料消耗总量的盈余比排放方面的优势更加突出。在不久的将来，随着LNG燃料出台严格的甲烷排放标准并且发动机提高效率，LNG在水上和陆地运输温室气体减排方面将更具优势。如果利用再生电力将可再生甲烷技术技术整合到运输领域，将进一步减少化石天然气的消耗和温室气体排放量。高替代率的可再生甲烷技术未来可能有助于从整体上减少急剧增加温室气体排放量。因此，LNG应该被视为可再生CNG、可再生液体燃料（如生物柴油和
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