新能源动力船舶是船舶设计新方向

 

    随着全球温室效应的加剧，国际海事组织（IMO）也越来越关注船舶温室气体排放对全球温室效应的影响。在IMO第57次海环会（MEPC57）上，正式通过了国际防止船舶造成污染公约（MARPOL）附则6关于减少船舶有害气体排放规则的修正案，并单独成立了船舶温室气体排放工作组，对船舶造成的大气污染问题进行研究。船舶温室气体减排已成为全球造船界热议的话题之一。随之而来的是，各式各样新型船舶推进系统应运而生。目前国际海事组织和欧盟正在考虑制定更为严格的污染排放规则，业界也在不断寻求采用商业可行的措施来替代传统的船舶动力系统。

 

燃料电池推进船舶

     燃料电池是将燃料（如氢、天然气、丙烷和甲醇等）中的化学能直接转化为电能的机电装置。 作为新一代船舶用燃料，船用燃料电池可以使船舶在行驶时几乎不排出NOx、SOx、二氧化碳等有害气体，符合日益规范化的环保要求而受到注目。船用燃料电池的研发是2000年代初开始由欧洲造船强国为中心进行的，所以目前大部分先进技术也由欧洲国家掌握。其中挪威船级社最为活跃。

目前挪威船级社正在开展有关船用燃料电池的全面研究工作，燃料电池动力单元的研制结合了新型电子技术、电子动力以及控制系统技术，且在岸上进行动力单元的测试和认证后，进行实船实验。

船用燃料电池以燃料电池作为主电源、以蓄能电池组辅助供电模式的新型船舶电力推进系统，包括了至少一套燃料电池系统、一蓄能电池组、一电力推进系统、其它用电负荷、一次电网、二次电网；所述燃料电池系统和蓄能电池组连接在一次电网上，所述一次电网和二次电网连接，所述电力推进系统和其它用电负荷连接在二次电网上。

燃料电池系统从冷态起动到正常运行过程中，或者当燃料电池系统因突发故障不能输出电能，电力推进系统依靠蓄能电池组应急供电；燃料电池系统进入正常运行状态后，蓄能电池组处于浮充电状态。能够实现船舶的“零排放”，是一种真正的绿色船舶电力推进系统。

    已有的研究证实，燃料电池应用到船舶之上具有柴油机无可比拟的优点，一是应用燃料电池的船舶将比现有的柴油机推进船舶的效率提高50％，且实现零污染排放；二是使用燃料电池不会产生噪音和振动，将提高乘客的舒适感，并大大改善船员的工作环境；三是燃料电池的设计简单，可移动部件较少，因此维护方面的投入将大大减少；四是燃料电池是标准模块化设计，可以更加方便地合理利用船上空间。同时，燃料电池的广泛使用存在初始投入成本较高的缺点，但由于燃料电池较低的燃料消耗以及石油价格的居高不下，再加上燃料电池运行成本较低，这些都大大弥补了这一不足。

2011年年底，DNV（挪威船级社）在上海宣布，该船级社将一枚燃料电池成功地安装在了一艘在北海运营的海洋工程供应船VIKINGLADY号上，这是全球第一艘通过燃料电池技术进行船上发电试验的营动船舶。这项由DNV主导的环保革新项目有望改变一部分船舶的动力能源。海洋工程供应船VIKINGLADY上安装的这枚电池是320KW功率的燃料电池，与传统发动机技术相比，能极大地降低二氧化碳排放量，提高能效，实现危害物质的零排放。                   

据了解，该项目名为FELLOWSHIP，于2003年启动，船公司2005年完成了燃料电池的基本设计和研发。2006年，研究人员开始研发用液化天然气作为燃料的辅助电力装置。下一阶段，研究人员将进行燃料电池电气系统的测试、验收和示范运行，装机容量范围为1MW到4MW。

     

LNG燃料船

LNG已被公认为船舶应对未来新环保要求挑战的理想燃料。在运营成本方面，功效相同的情况下，使用LNG清洁能源比使用柴油节约55%—60%的费用。在能源利用方面，LNG是一种清洁能源，其应用可以大大降低氮氧化物和二氧化碳的排放量；由于天然气不含有硫和残留物，也杜绝了硫化物和微小颗粒等有害物的排放，具有非常明显的社会效益和经济效益。有数据显示，1艘海洋平台供应船采用LNG为燃料减少的氮氧化物排放量相当于2万辆燃油汽车的排放量。

近年来，在航运燃料消费领域，传统的柴油等能源产品一方面价格波动高居不下，导致航运企业运输成本不断攀升；另一方面也不符合国家发展低碳绿色经济、节能减排实现可持续发展的能源发展战略。在大幅降低船舶运输企业运营成本的同时，更重要的是可以减少环境污染，具有非常明显的社会效益和经济效益。利用天然气排放清洁的特点将实现航运船舶节能减排的目标，有力推动我国航运能源消费朝着绿色环保的方向发展。

    国际海运组织创造了能效设计指数，如果不达到排放要求基线标准的传播，可能就要面临退出营运的危险。应该重点加强支撑船型开发的基础共性技术和绿色、安全技术研究。由于所在区域对船舶排放要求日益严格，丹麦、挪威等北欧国家已经开始使用以LNG为燃料的渡船、滚装船、海岸警备船、LNG船和平台供应船。这说明，随着全球范围内对气体排放要求越来越高，石油资源越来越少，节能呼声越来越大，船东和港口方面的障碍也正逐步被清除。

    因此，业内人士认为，一方面，应在船舶设计和建造方面加大创新力度，在主流船型优化和新船型开发中加入低碳概念，推进内河船舶向绿色环保转变。例如在设计新船时考虑燃气供应系统的布置，以及气体燃料发动机的设计，以增强船舶续航能力。另一方面，国内船舶制造商也应积极参与到以LNG为燃料的高技术船舶的承造，用市场迫使自己技术升级，抢占气体燃料动力船先机。此外，可以依据内河运输的特性，研究建立船舶节能减排体系和标准，促使水路运输企业制定能效管理计划，以推进内河航运向“绿色”转变。

    作为清洁型能源，LNG的应用可以降低氮氧化物和二氧化碳的排放，而且LNG不含有硫和残留物，也杜绝了硫化物和微小颗拉等其他有害物的排放。从经济性上而言，经测算，1立方米LN G气体近似于1到1.1公升(汽、柴)油。目前柴油均价6元/公升，天然气按照4.5元/立方米计算，如果按照70%的替代率来算，一年大约节省19.23万元。

    但是这种环保的新材料，目前在推广时却存在一定的阻碍。首先是由于LNG燃料船的续航能力还较弱。目前，以LNG为燃料的船舶最高续航能力较低，达不到远洋长途运输要求。船舶的燃油舱体积虽大，但可以在船上见缝插针随机安放；而L N G储存罐体积虽小，却系统复杂，布局难，安装圆筒形LN G储罐也会损失部分运输的空间，这为船舶的设计和改建带来了很大的难度。第二是由于大部分港口LNG补给设施不配套。尽管LNG补给并不困难，但是港口方面却没有建立起完备且实用的配套体系。

    

风能推动船舶

进入20世纪后，以风为动力的帆船因为不可靠而被视为落伍。国际海事组织（IMO）的数据显示，国际贸易中约87%的业务都由航运业主导。联合国最新的数据表明，航运业应为全球二氧化碳总排放量的4%负责。据国外媒体报道，2003年，出于对环境恶化以及日益高涨的油价的担忧，英国最大的风力发电商B9能源公司研制出一种新式帆船，其拥有长长的船身、高耸的桅杆以及昂贵的帆篷，外形酷似从19世纪海上飘来的纵帆船。但其配备了一系列高新科技，研发人员试图用它减少航运业的二氧化碳排放，还海洋一片纯净的蓝色。

    这种新式帆船只是B9能源公司研发出的碳中性、风能驱动“帆篷船”舰队中的一员大将。该公司正试图向老式帆船取经，生产出新式帆船以替代现今消耗大量化石燃料、运送全球货物的船只。

    B9公司宣称，这种帆船将是首个利用可替代能源的商用船只，他们预计这种完全碳中性的帆船将于2012年开始量产，这标志着全球贸易或许重新回归到更加传统的商业运输形式––在柴油提供动力的铁船统治海洋之前，国际贸易主要依靠巨大的木质帆船。

    这种新式帆船拥有自动化的、能够对风中微小变化做出调整以便让推力最大化的船帆。这种新式帆船也会利用“天帆”技术––一种类似于风筝的先进系统，该技术目前广泛应用于很多船只上，可提高燃油效率。另外，生物燃油提供动力的引擎在风力不足时也会“挺身而出”。

    B9能源公司主席戴维·萨普拉斯表示，大多数人都认为，石油迟早会被用光。因此，有必要生产出使用可再生能源的新式船只。

    萨普拉斯表示，配备了这些技术的新式帆船能携带9000吨重的货物。该帆船最初可能仅仅在欧洲，尤其是北海和波罗的海上航行，因为这些海面的风力非常给力。他还补充道，目前约有1500艘同样大小的化石燃料驱动的船舶行驶在这些海面的航线上，这些船舶将最终被新式帆船取代。

    相关专家表示，除非航运公司能够建造一艘依靠船帆提供动力、并像现在海面上行驶的船舶一样大的船只，否则，其很难在经济上更富竞争力。然而，萨普拉斯表示，可再生能源（包括风力）在海洋上具有巨大的应用潜力。

 

太阳能利用

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。　　

    太阳能电池板运用于远洋船舶并不新鲜，但到目前为止，太阳能电池仅用于船员舱和住舱供能。这款新太阳能电池系统，将节省6.5%的柴油消耗量，并减少1%到2%的二氧化碳排放。这些数字听起来并不多，然而，不积跬步难以成千里，对于颗粒污染的数字来说，任何一丁点儿减少都会有所帮助，

平均一艘货船耗费1加仑燃料能航行0.008里。换算一下，以这个速度，轮船每航行1里得消耗燃料舱里120加仑的燃料。这说明，从日本出发运载着新款普瑞斯6000的货船，穿越太平洋到达美国得消耗至少72万加仑燃料。然而，新太阳能电池系统航行同样的距离，只会消耗46800加仑燃料。重要的是，不论能节省多少能源，任何一点船运污染的减少都是好事。

美国《环境科学与技术》研究结果表明，全世界每年有约6万人，因船运产生的污染致死。沿海城市污染微颗粒物中约44%的硫酸盐源于船运废气。基于上述数据，加利福尼亚州监管当局批准了美国最严格的远洋轮船减排规定。从2009年7月开始，驶入加州海港的轮船需在距海岸24里水域内，使用更清洁的燃料。这些规定与2015年将实施的国际标准相似。

　　发展清洁船运当然是好事，全球发明家们也在努力进行这项事业。总部在德国汉堡的天帆公司，率先研发了依靠安装在船上的巨型风筝拉动货轮的“白鲸天帆”号，航行（取决于天气和风力条件）节省了20%以上的油耗。在斯堪的纳维亚半岛，瑞典造船业巨头华轮威尔森造船公司，正研究设计一款依靠太阳能、风能和燃料电池供能的航船。

    商船三井、三菱重工业和三洋电机正在共同研发的“利用自然能源的混合动力汽车滚装船”被选为日本国土交通省“船舶二氧化碳减排技术开发业务”的扶持对象业务。目的是组合使用太阳能电池和锂离子充电电池，确立削减船舶二氧化碳排放量的技术。

　　此次开发的系统可以在航海过程中将通过太阳能电池发电的电力存储到锂离子充电电池中，然后在停泊时使用。停泊时停止使用现有的柴油发电机，可以实现零排放。配备该系统的“混合动力汽车滚装船”将在2012年完工，将通过实际航行检测二氧化碳的减排效果。船舶计划组合使用最大200kW的太阳能电池和3000kWh的锂离子充电电池。