LNG船舶到底排放了多少甲烷？

近年来，为了满足国际法规对新造船舶和现有船舶的二氧化碳排放强度、船用燃料硫含量和氮氧化物（NO_X）排放的要求，越来越多的船舶开始使用液化天然气（LNG）作为燃料。截至2023年8月，全球共有约960艘船舶使用LNG作为燃料，并且还有900艘建造中的LNG动力船舶，2012年LNG船舶仅有350艘，可以看出近年来LNG船舶数量增长显著。

船只在使用LNG作为燃料的过程中存在未燃烧甲烷的逃逸现象，甲烷本身作为一种温室气体，对全球变暖的影响在其排放后的前几十年内尤为强烈。现有数据认为，甲烷在100年间的全球增温潜势几乎是二氧化碳的30倍，而20年全球增温潜势更强，较之二氧化碳可高达82.5倍。

此前国际海事组织（IMO）第四次温室气体研究报告估算结果认为，2012年至2018年间全球LNG船舶燃料消耗增长了30%，估计导致甲烷排放增加了150%。然而，这些估算存在不确定性，因为估算使用的排放因子仅来自于少量研究结果，包括实验室进行的船用发动机测试，发动机制造商提供的测试数据以及少数船舶的实际测试数据。要想切实了解LNG船舶在实际使用条件下的甲烷排放情况，还需要更多、更全面的实测数据。

2022年，国际清洁交通委员会（ICCT）与测量数据服务提供商（Explicit ApS）、荷兰应用科学研究组织（TNO）合作，开展了包含LNG船尾气烟羽测试、船上测试和LNG油轮卸货测试在内的多种测试，是迄今为止最全面、最大样本量的LNG船舶甲烷排放测试。

一、尾气烟羽测试

1. 测试方法

尾气烟羽测试采用了Explicit公司提供的Mini-Sniffer系统，该系统的轻量化传感器组件可搭载于无人机上，实现对船舶尾气烟羽中的二氧化碳、二氧化硫、一氧化氮、氧化亚氮及甲烷进行遥感测试。本次项目主要测量的是甲烷和二氧化碳，利用二氧化碳作为参比气体评估LNG船的甲烷逃逸排放比例。图1展示了采样过程中无人机的飞行路径。

图1. 利用无人机对船舶尾气烟羽测试示意图

2022年，我们使用无人机和直升机对34艘LNG船开展了总计45次尾气烟羽测试，图2展示了测试地点与次数。

图2. 尾气烟羽测试地点及数量

在烟羽测试中，无人机及传感器测试的是正在运行的所有发动机产生的混合尾气，一些使用高压双燃料二冲程（HPDF 2-stroke）和低压双燃料二冲程（LPDF 2-stroke）主机的船同时配备了低压双燃料四冲程（LPDF 4-stroke）辅机，对于这些船舶，我们把他们标记为H2L4 和L2L4。对于使用一台或多台低压双燃料四冲程（LPDF 4-stroke）发动机作为推进和辅助动力的船舶，我们标记为L4。对于火花点燃式LNG发动机（Lean-burn spark ignition）我们标记为LBSI。图3展示了尾气烟羽测试中不同船舶类型和发动机类型的数量，在45次测量中，测试L2L4集装箱船13次(29%)，测试L4液化天然气油轮12次(27%)，测试L2L4液化天然气油轮7次(11%)，测试L4服务船4次(9%)，其余测试对象则是其他船型和发动机型的组合。

图3. 尾气烟羽测试的船舶类型和发动机类型分布

2. 测试结果

图4展示了每次测试的甲烷逃逸结果。其中L2L4发动机船舶的测试结果分布最紧密，而L4发动机船舶的测试结果分布最分散。对于H2L4 和L2L4发动机船舶，主机负荷小于10%时，我们认为只有低压四冲程的辅机在使用LNG，H2L4发动机船舶测试结果中，甲烷逃逸百分比最高的两个点都是在主机负荷小于10%的情况下测试的，因此反映的实际上是L4发动机对应的甲烷逃逸情况。L2L4发动机船舶测试结果中最高的四个点也是在主机低负荷条件下的测试结果，同样反映的是L4发动机的甲烷逃逸情况。

图4. 不同类型发动机船舶的甲烷逃逸测试结果

图5展示了L2L4和L4发动机船舶的甲烷逃逸排放情况。L2L4的平均和中位数甲烷逃逸低于L4，其中最大值（13.42%）是在船舶以<10%主发动机负荷运行时测试的。第二大的甲烷逃逸结果（4.63%）也是在<10%主发动机负荷情况下测试的。如果排除L2L4船舶在<10%主发动机负荷下进行的四次测试，L2L4发动机船舶的最大甲烷逃逸结果将从13.42%降至3.67%，平均值从2.50%降至1.58%，中位数从1.47%降至1.35%。L4船舶的甲烷逃逸最大值为13.74%，平均值为6.42%，中位数为6.05%。L4船舶的最小甲烷逃逸值为0.86%，但该次测试的硫排放高于预期值，这表明船上的一个或多个LPDF 4冲程发动机使用的是石油燃料而非LNG，这将人为地降低估计的甲烷逃逸，因为烟羽测试是使用甲烷与二氧化碳的比率来估算甲烷逃逸，而如果烟羽中的二氧化碳部分来自于含硫的石油燃料，导致我们不知道在这种情况下消耗了多少非LNG燃料，但出于完整性考虑，我们保留了该结果。L4船舶的第二低甲烷逃逸值为1.6%。

图5. L2L4和L4发动机船舶甲烷逃逸结果箱线图

图6展示了不同主机负荷下的甲烷逃逸结果。其中L4发动机船舶的数据可以分为两组：一组主机负荷接近或低于10%，另一组主机负荷接近或高于40%。低负荷组的甲烷逃逸为0.86%-13.74%。高负荷组逃逸为3.89%-11.96%。在发动机负荷50%及以上的6次测试中，甲烷逃逸范围为3.89%-7.78%，平均值为6.07%，中位数为6.59%，其中有四次的甲烷逃逸在6%到8%之间。相比之下，《欧盟船舶可持续燃料法规》中假设L4发动机在50%发动机负荷下的甲烷逃逸为3.1%，发动机负荷低于50%时，甲烷逃逸会高于3.1%，发动机负荷高于50%时，甲烷逃逸会低于3.1%。第四次国际海事组织（IMO）温室气体报告中假设L4发动机甲烷逃逸为3.5%。L4发动机船舶总计22次测量中有17次(77%)的甲烷逃逸结果大于上述《欧盟船舶可持续燃料法规》和IMO的假设值。

图6. 不同主机负荷下的甲烷逃逸分布

3. 政策建议

欧盟和IMO应考虑将低压双燃料四冲程发动机的甲烷逃逸假设值从3.1%（欧盟）和3.5%（IMO）提高到至少6%。

在不同发动机负荷下对18艘低压双燃料四冲程发动机船舶的22次测试中，甲烷逃逸平均值为6.42%，中位数为6.05%。在发动机负荷达到或超过50%的6次测试中，平均值为6.07%，中位数为6.59%。22次测试中，77%的甲烷逃逸测试结果大于欧盟和IMO的假设值3.1%和3.5%。

根据以上测试结果，在《欧盟船舶可持续燃料法规》和欧盟碳排放交易体系中，默认的低压双燃料四冲程发动机甲烷逃逸值可以从3.1%增加到至少6%。包括欧盟成员国在内的国际海事组织代表团可以建议将国际海事组织燃料全生命周期温室气体评估指南中对应的甲烷逃逸默认值从3.5%提高到至少6%。

二、船上测试

1. 测试方法

为了获取LNG船舶的实际排放数据，并校验无人机烟羽测试的准确度，我们在一艘以LNG作为主要燃料的船舶上开展了船上测试。测试对象是一艘名为Aurora Botnia的滚装船，该船按照固定的时间表运营，保证了测试过程中船舶运行工况相对稳定。

如图7所示，测试系统采用了Gasmet DX4000 FTIR (傅立叶变换红外光谱)和Horiba PEMS OBS-One GS (便携式排放测试系统) 来测量排气管中的气体浓度。由于在船上安装过程中PEMS控制模块出现故障，最终仅使用FTIR测量了CH₄、C₂H₆、C₃H₈、CO、CO₂、O₂、NO、NO₂和HCHO的浓度。为了使用船上测试结果来评估无人机烟羽测试结果的准确性，在进行船上测试的过程中，使用无人机同步进行了烟羽测试。

图7. 采样探头与FTIR傅立叶变换红外光谱测试系统

为了从测量的气体浓度结果计算出特定工况下的排放量，我们从发动机控制单元(图8)获取了发动机工况数据，包括实际发动机转速、功率、燃料消耗量、进气压力和温度，以及船舶速度、吃水深度、风向和洋流情况等。

图8. 发动机控制单元显示的发动机工况数据

2. 测试结果

除了船舶实际运营过程中的测试，我们还在发动机负荷为10%、25%、50%、75%和100%的D2测试循环负荷点附近进行了发动机测试。D2循环是IMO的NO_x技术规范中认证辅机发动机NO_x排放的一种标准测试工况，此外还有用于主机发动机排放认证的E2循环，区别在于E2循环不包含发动机负荷为10%的测试，并且不同发动机负荷下测试结果的加权系数与D2循环不同。图9展示了NO_x排放结果，其中蓝色部分代表船舶实际运营过程排放，红色的点代表D2测试循环下的排放，黄色的点代表另一个类似的船上测试研究的结果。在大多数发动机负荷点下，D2测试循环和实际运营排放非常接近，但在发动机负荷较低时，展现出了较大差别，其主要原因在于船舶在低负荷状态下运行时，会更频繁的发生瞬态工况变化，这会对实际运营排放造成较大影响，使其更难与相对稳态的测试循环排放趋于一致。

图9. 船上测试的NO_x排放结果

甲烷逃逸的测试结果如图10所示，在发动机负荷为15%时，甲烷逃逸百分比平均值最高，可达到7%；发动机负荷为75%和95%时，甲烷逃逸百分比最低，仅略高于2%。发动机负荷为50%时，甲烷逃逸百分比约为2.5%。和NO_x排放结果类似，发动机负荷较高时，测试结果变化幅度较小，而发动机负荷较低时由于工况瞬态变化较多，测试结果变化幅度较大。与实际运营测试相比，在发动机负荷恒定的D2测试循环下，甲烷逃逸在多数发动机负荷点下会更低，尤其是在发动机低负荷工况段的差距更为明显。

图10.船上测试的甲烷逃逸结果

3. 政策建议

应谨慎设计发动机甲烷逃逸相关认证的测试规程，以保证能够反映真实排放情况。我们的船上测试结果显示，LPDF 4冲程发动机的甲烷逃逸在一些工况下会低于IMO的假设值，但由于甲烷逃逸量会随着发动机负荷的变化而变化，测试应反映船舶在真实运营过程中的甲烷逃逸排放。认证过程可以包括标准的测试循环、连续的排放监测或在不同发动机负荷下的甲烷排放量。我们建议在设计测试循环时着重考虑发动机负荷测试点的数量和加权系数。

IMO应考虑在所有发动机的排放认证测试循环中增加低发动机负荷的测试节点。在船上测试中我们发现在发动机负荷最低时，甲烷逃逸和NO_x排放最高。为了真实反映低负荷工况下的船舶排放，IMO应考虑在所有发动机认证测试循环中添加发动机负荷为10%的测试节点，此外还应考虑调整每个发动机负荷测试节点的排放加权计算系数，以更准确地反映船舶实际运营中的排放情况。

三、卸货排放测试

1. 港区卸载LNG过程甲烷逃逸测试方法

为了测试LNG运输船在港区内停泊卸载液化天然气时的甲烷逃逸排放，我们使用前篇中提到的无人机测试方法，对三艘LNG运输船（船舶A，B和C）进行了测试。船舶A为一艘2010年建造的油轮，运载能力为1万立方米，发动机为4冲程柴油发动机，也就是说该船不使用LNG燃料作为动力。船舶B为LNG运输船，2021年建造，使用低压四冲程LNG发动机（L4），运载能力为17.4万立方米。船舶C为LNG运输船，2009年建造，同样使用低压四冲程LNG发动机，运载能力为16.24万立方米。

用于测试的港区共有两个码头（见图11），港区的LNG储存和生产设施位于码头东边，两个码头均配备机械装载臂用于装卸船舶装载的液化天然气。船舶A在1号码头测试，船舶B和C在2号码头测试。

图11. 欧洲某地测试港区和码头

2. 测试结果

图12展示了无人机测试的结果，在船舶A和B测试期间，风向主要为东北风，在船舶C测试期间，风向主要为南风，每艘船舶的测试过程均考虑了当时的风向情况。从可视化结果来看，可以清晰地看到甲烷逃逸的位置和逃逸量增加与靠港船舶息息相关。当然，由于该港区中设有LNG储存和生产区，可能会对测试结果产生一定影响，因此我们在计算与船舶有关的甲烷排放量时对应扣除了该部分的背景影响。

图12.甲烷逃逸排放空间分布图

表1展示了每艘船的测试结果，以甲烷排放速率（kg/h）表示。其中，船舶B和船舶C的平均甲烷排放速率相似，分别为30.6和32.4kg/h，而船舶A的甲烷排放速率约为船舶B和船舶C的一半。船舶A的甲烷排放速率最低，可能是由于船舶A并不使用LNG作为船舶动力来源。船舶在港区停靠过程中仍然需要燃料用于供电供热，船舶B和船舶C的测试结果中会有一部分燃烧LNG燃料所产生的甲烷排放。

表1. 甲烷排放速率测试结果

根据对船舶B烟囱高度附近的无人机测试结果，船舶靠港停泊过程中发动机燃烧LNG的甲烷逃逸排放速率约为8kg/h，扣除这部分排放后，船舶B和船舶C的剩余甲烷逃逸排放速率分别为23kg/h和24kg/h。这意味着在LNG卸载过程中，甲烷逃逸排放可能比发动机排放高出数倍。当然，从整个航程来看，发动机的甲烷排放仍将占据主导地位。

如果测量出的平均甲烷逃逸排放速率能够代表整个LNG卸载过程的排放情况，我们就可以估算出卸载过程的LNG总逃逸量，如表2所示。船舶B和船舶C在表1排放率数据的基础上扣除了8kg/h的发动机甲烷逃逸率（LNG的密度设定为456kg/m3），结果显示，LNG卸载过程中的甲烷逃逸排放量大约占LNG卸载总量的0.0004%到0.0036%之间。

表2. 船舶卸载LNG过程的甲烷逃逸排放估算结果

3. 政策建议

欧盟可考虑监测LNG储存和加注环节的甲烷排放情况，并建立报告和核查机制。研究发现，在船舶靠港卸载作业的过程中，甲烷逃逸排放速率可能会大于低压四冲程LNG发动机的甲烷排放。如果从监测项目或其他研究工作中收集的数据进一步证实LNG储存和加注设施可能会产生大量甲烷排放，政策制定者可考虑对其进行监管。举例来说，欧盟可以考虑把这些甲烷逃逸排放纳入欧盟燃料管理法规(FuelEU)，并更新相关的计算公式和数值。国际海事组织(IMO)也可以考虑将这部分甲烷排放纳入到全生命周期排放指南中。