綠色船舶技術(shù)

1、綠色船舶技術(shù)前瞻(2013-09-23) 編輯發(fā)布：中國(guó)船舶在線 閱讀次數(shù)：40次 日前，DNV在對(duì)海運(yùn)、造船、再生能源、核能、發(fā)電系統(tǒng)等工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，描繪出了2020年全球最受矚目的綠色船舶技術(shù)。那么，2020年在船舶領(lǐng)域我們將會(huì)擁有哪些先進(jìn)技術(shù)呢？ 節(jié)能相關(guān)技術(shù) 1、空氣潤(rùn)滑法圖1：兩種空氣潤(rùn)滑方式 減少船體阻力是改善能源效率的有效手段之一。自興波阻力被控制在最小限度的一些新船型被開(kāi)發(fā)出來(lái)后，可減少船體摩擦阻力的技術(shù)研究開(kāi)始顯得尤為重要?？諝鉂?rùn)滑法便是一個(gè)能夠在船底與海水之間使用空氣進(jìn)行潤(rùn)滑以減少船體摩擦阻力的新技術(shù)。 目前全球利用空氣潤(rùn)滑法的系統(tǒng)有兩種模式。一種是由船底開(kāi)

2、設(shè)的許多氣孔噴出空氣，形成空氣層來(lái)減少船底與海水的摩擦阻力。這種技術(shù)的關(guān)鍵在于控制空氣的噴量以達(dá)到在船底形成穩(wěn)定的空氣泡層的效果。 第二種是船底留有大塊凹陷區(qū)域，從中送入壓縮空氣，形成空氣膜來(lái)減少船底阻力。這個(gè)模式的關(guān)鍵在于如何維持空氣膜的穩(wěn)定存在，因?yàn)樵诓环€(wěn)定的情況下無(wú)法發(fā)揮應(yīng)有的降阻效果。 至于該系統(tǒng)是否會(huì)對(duì)螺旋槳性能帶來(lái)不好的影響是今后需要繼續(xù)研究的課題，不過(guò)兩種方式都可以減少10%20%的船底摩擦阻力，最終達(dá)到減少10%油耗的結(jié)果。 2、復(fù)合材料圖2：金屬/纖維復(fù)合材料 使用復(fù)合材料建造船體可減少船體重量，削減燃油消耗，同時(shí)還可減少有害氣體及溫室氣體的排放。比如纖維增強(qiáng)塑料，鋁，鈦等輕

3、型材料已作為小型船舶的建材所使用，而纖維和金屬?gòu)?fù)合的材料作為未來(lái)船舶的輕型材料受人矚目。 纖維和金屬?gòu)?fù)合材料是由金屬薄板和聚合物層積體相互交疊形成的材料，它同時(shí)擁有耐沖擊性、耐磨損性等金屬材料的特質(zhì)，以及高強(qiáng)度、耐疲勞性、耐腐蝕性等復(fù)合材料的性質(zhì)。金屬薄板可采用鋁合金板或者鋼板，聚合物的主要材料則可用碳纖維或者玻璃纖維來(lái)強(qiáng)化。這些材料目前廣泛用于航空航天產(chǎn)業(yè)，可以考慮將其中的一部分用于特殊船舶的建造。對(duì)于普通商船來(lái)說(shuō)將來(lái)也有可能使用，不過(guò)其價(jià)格十分高昂，推廣普及或許要到2020年以后。材料成本方面，制造技術(shù)、回收利用技術(shù)、防火性等方面的改善將是今后的課題。 3、混合推進(jìn)系統(tǒng)圖3：混合推進(jìn)系統(tǒng)

4、傳統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)是2沖程主機(jī)與推進(jìn)軸直接連接，通過(guò)常規(guī)螺旋槳推進(jìn)，整套系統(tǒng)的效率設(shè)計(jì)都是為了達(dá)到期望航速而服務(wù)，而在設(shè)計(jì)范圍之外的場(chǎng)合無(wú)法發(fā)揮全部性能。 混合推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念是將傳統(tǒng)軸螺旋槳推進(jìn)與吊艙推進(jìn)器組合，可改善上述推進(jìn)系統(tǒng)的缺點(diǎn)。例如，將吊艙推進(jìn)螺旋槳安置于調(diào)距螺旋槳后方并反轉(zhuǎn)，或者在船體中心線以上安裝主軸螺旋槳，其兩側(cè)安裝操舵式吊艙推進(jìn)螺旋槳。如果采用這樣的混合推進(jìn)系統(tǒng)，可增加推進(jìn)性能，獲得更好的有效速率，以達(dá)到高效航行的目的。如果再擁有最適船型設(shè)計(jì)，可減少最多10%的燃料消耗。當(dāng)然增設(shè)吊艙推進(jìn)器所帶來(lái)的成本增加，以及設(shè)計(jì)費(fèi)用的增加仍是一個(gè)問(wèn)題，但這無(wú)法阻擋混合推進(jìn)系統(tǒng)成為將來(lái)節(jié)能技

5、術(shù)的一大亮點(diǎn)。 4、無(wú)壓載水船舶圖4：DNV的無(wú)壓載水概念船 無(wú)壓載水船舶的理念久為人知，不過(guò)至今為止一直未能實(shí)現(xiàn)實(shí)船建造。但是隨著船舶氣體排放規(guī)則的日趨嚴(yán)格，以及壓載水管理?xiàng)l約的強(qiáng)制執(zhí)行漸漸臨近，無(wú)壓載水船舶漸漸成為一個(gè)受人矚目的環(huán)保技術(shù)。 無(wú)壓載水船舶在水面以下的船體形狀近似倒三角，這種構(gòu)造使得即使不搭載壓載水，也可保證足夠的吃水和復(fù)原性。但是想要維持與常規(guī)船舶一樣的排水量和載貨量的話，無(wú)論如何船體的總長(zhǎng)和總寬都要擴(kuò)大。同時(shí)，根據(jù)載貨狀態(tài)的變化，會(huì)產(chǎn)生船首船尾的平衡性問(wèn)題。考慮到實(shí)際情況，為了保證載貨的自由，在船首和船尾各設(shè)立1個(gè)調(diào)整平衡用的壓載水艙是比較好的解決方式。 根據(jù)壓載水管理?xiàng)l約

6、，如使用壓載水，船上必須安裝有壓載水處理裝置，不過(guò)與常規(guī)船舶相比選擇一個(gè)容量較小的處理設(shè)備亦可，處理裝置的小型化減少了整體重量，減少了電力消耗，這些都可使得燃費(fèi)得以削減。 伴隨著船體的大型化，建造設(shè)備也需要擴(kuò)張，特別是獨(dú)特的斷面形狀使得目前的建造方法和建造標(biāo)準(zhǔn)需要重新構(gòu)建，這些仍是有待突破的課題，想必在2020年無(wú)壓載水船舶將是高價(jià)型船舶。 清潔可替代能源 隨著NOX、SOX以及PM等排放規(guī)則的日益嚴(yán)苛，在不遠(yuǎn)的將來(lái)或許會(huì)推出對(duì)二氧化碳排放的限制規(guī)則?；谶@種背景下，以LNG、生物燃料為首的清潔能源倍受重視，而風(fēng)力、核能等能源的利用也正在被考慮。今后隨著石油價(jià)格的進(jìn)一步高企，船舶領(lǐng)域的燃料從傳

7、統(tǒng)石油逐漸轉(zhuǎn)向清潔能源的速度將更快。 1、LNG圖5：DNV“Quantum 9000”概念船的LNG燃料艙 使用LNG作為燃料的主機(jī)不會(huì)排放SOX和PM。并且采用稀薄燃燒方式的4沖程燃?xì)廨啓C(jī)比傳統(tǒng)柴油機(jī)能夠減少90%的NOX排放量。當(dāng)然如果大型商船改用2沖程的低速主機(jī)，減少的NOX排放量與燃?xì)廨啓C(jī)差別不大，但是后者更能符合日后的排放規(guī)則。 采用LNG燃料，比起傳統(tǒng)的石油燃料能減少25%的二氧化碳排放量。但是，根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)的型號(hào)不同，LNG中的甲烷無(wú)法在主機(jī)內(nèi)完全燃燒而造成殘留氣體排入大氣是一個(gè)無(wú)法忽視的問(wèn)題。如果不完全燃燒的殘留甲烷排放量較多的話，最終會(huì)稀釋了減少二氧化碳排放控制溫室效應(yīng)的成

8、果。 燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)常作為陸上發(fā)電設(shè)備使用已取得良好的效果，船用燃?xì)廨啓C(jī)的開(kāi)發(fā)也在繼續(xù)發(fā)展。在LNG用于船舶燃料的研究課題方面重點(diǎn)在于如何有效地配置燃料艙。要儲(chǔ)存LNG必須先進(jìn)行極低溫冷卻后液化，與常規(guī)的柴油燃料相比，燃料艙的容積需要大23倍。并且燃料艙造價(jià)較高，因此LNG燃料船的新船造價(jià)要比常規(guī)船高10%20%。而LNG的燃料補(bǔ)給站目前只在北歐地區(qū)有所展開(kāi)，地域限制較高，今后應(yīng)將更多的建造LNG補(bǔ)給站。 當(dāng)然LNG的價(jià)格與石油價(jià)格一樣會(huì)有波動(dòng)，不過(guò)在今后10年內(nèi)，在ECA區(qū)航行的短途船舶將會(huì)誕生不少LNG燃料船。 2、風(fēng)箏圖6：風(fēng)箏系統(tǒng) 目前，還有一型采用風(fēng)箏獲取風(fēng)力推進(jìn)的船舶十分醒目。該系統(tǒng)十

9、分簡(jiǎn)單，僅由風(fēng)箏、控制纜線、固定系船索組成。投入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的風(fēng)箏船舶，風(fēng)箏面積在160300m2左右，在蒲福風(fēng)級(jí)38級(jí)時(shí)可保持在100420米高度。船內(nèi)的自動(dòng)控制系統(tǒng)可控制風(fēng)箏發(fā)揮最大的性能，根據(jù)船速和風(fēng)力高低，最大可產(chǎn)生2000KW的推進(jìn)動(dòng)力。 船舶在裝備風(fēng)箏推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)需要注意的是，設(shè)計(jì)時(shí)不要讓裝載物和煙囪等甲板上的構(gòu)造物影響到風(fēng)箏作業(yè)。 3、生物燃料 生物燃料作為一種可再生能源，可以削減二氧化碳的排放。如果采用生物燃料，雖然會(huì)增加些許NOX的排放量，但是SOX和PM的減排效果十分卓越。目前的柴油主機(jī)可以使用生物燃料與柴油混合的燃料，甚至植物油也有望成為船舶的燃料。生物燃料的普及與否，受到其

10、價(jià)格、獎(jiǎng)勵(lì)制度以及流通量的影響，目前還存在的一些問(wèn)題或許到2020年可以得到解決。 4、核能圖7：小型核反應(yīng)堆 核能設(shè)備在工作中不排放NOX、SOX和其他會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)的氣體。而使用核能的推進(jìn)系統(tǒng)已廣泛用于各國(guó)的軍艦上，不過(guò)尚無(wú)使用核能的商船誕生。 如果將來(lái)能建造核能的商船，可以考慮使用低濃縮鈾。以陸地上所使用的反應(yīng)堆為原型設(shè)計(jì)的小型核反應(yīng)堆可以提供媲美于大型柴油主機(jī)的25MW功率。比如美國(guó)Hyperion公司開(kāi)發(fā)了一型小型核反應(yīng)堆，燃料壽命在10年以上，價(jià)格則為200萬(wàn)美元。 核能在核燃料的分裂、擴(kuò)散控制、分解、放射性廢料的處理、建造成本以及來(lái)自社會(huì)的理解等方面還有很多問(wèn)題有待解決。而對(duì)核能

11、設(shè)備需要進(jìn)行廣泛持久的實(shí)證試驗(yàn)，要在2020年就投入商用成為商船的主力推進(jìn)系統(tǒng)或許還很難，需要各國(guó)政府的支持。 電力推進(jìn) 1、混合供電系統(tǒng) 采用了結(jié)合多種發(fā)電方法的混合型供電系統(tǒng)的電力推進(jìn)船，是高效環(huán)保的船舶。如果是采用單一發(fā)電方式的推進(jìn)系統(tǒng)，在滿足設(shè)計(jì)條件范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)可以發(fā)揮最高的效率，但是當(dāng)發(fā)電量和供電量有所變動(dòng)，就會(huì)影響到發(fā)電效率。如果能夠搭載混合型供電系統(tǒng)，可以根據(jù)情況彈性供電，提高能源效率。 到2020年，或許會(huì)出現(xiàn)這樣的電力推進(jìn)船，它的供電系統(tǒng)會(huì)從常規(guī)的電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)發(fā)展到超導(dǎo)體電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)，甚至燃料電池、蓄電池組合而成的混合供電系統(tǒng)。另外對(duì)電力推進(jìn)船來(lái)說(shuō)，除了這些能源外，還可有

12、太陽(yáng)光發(fā)電以及風(fēng)車(chē)發(fā)電等可再生能源的組合供電系統(tǒng)。 同時(shí)還有一些課題有待攻破，比如復(fù)雜的系統(tǒng)控制、日常維護(hù)負(fù)擔(dān)增加、如何最佳配置系統(tǒng)以及設(shè)備的輕量化。 2、船用燃料電池圖8：瓦錫蘭20 KW級(jí)固體氧化物型燃料電池 所謂燃料電池，就是將從化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的能源直接轉(zhuǎn)化為電力使用，其最大轉(zhuǎn)化效率可達(dá)80%（氫燃料）。天然氣、生物氣體、甲醇、乙醇柴油、氫氣等都可以作為燃料。其中LNG燃料電池與常規(guī)柴油主機(jī)相比，每KW可減少50%的二氧化碳排放量。 目前，300KW級(jí)的船用燃料電池原型正在開(kāi)發(fā)中。燃料電池所面臨的問(wèn)題在于成本、重量和大小、使用壽命、載荷變動(dòng)時(shí)的聯(lián)動(dòng)性等。到2020年如能克服這些困難，燃料

13、電池或可將實(shí)用化。 3、蓄電池 蓄電池可儲(chǔ)存能量，在必要時(shí)可提供動(dòng)力。如果在供電系統(tǒng)中準(zhǔn)備足夠的蓄電池，可以保證無(wú)間斷地穩(wěn)定供電。例如在發(fā)生急劇的載荷變化而燃料電池還未跟上這一變化時(shí)，蓄電池可幫助補(bǔ)充斷檔時(shí)的電力供應(yīng)。另外，如果采用蓄電池提供載荷變動(dòng)時(shí)的銜接供電，可以使雙燃料主機(jī)以最佳的效率運(yùn)轉(zhuǎn)，并且抑制載荷變動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的過(guò)剩廢氣排放。在前文所介紹的混合供電系統(tǒng)中，為了在載荷變動(dòng)時(shí)發(fā)揮最高效率，在電力供應(yīng)系統(tǒng)中加入蓄電池是十分有效的手段。 到2020年，預(yù)計(jì)可開(kāi)發(fā)出400KW，峰值4000KW，重量在24t，容積1m3的電源組。 4、超導(dǎo)體 常規(guī)的發(fā)電機(jī)、變壓器等電力設(shè)備由于電阻的存在，總是會(huì)有

14、能量損失。超導(dǎo)體在-160的環(huán)境下為零電阻，超導(dǎo)體電線所傳導(dǎo)的電流是同規(guī)格的銅制電線的150倍。如果采用超導(dǎo)體則發(fā)電機(jī)等相關(guān)設(shè)備可大大減小體積規(guī)格，并且還可期待使用超導(dǎo)線圈的能源儲(chǔ)存設(shè)備技術(shù)發(fā)展。 但是如果要使用超導(dǎo)體材料，需要在液氮等超低溫環(huán)境下以及采用屏蔽罩裝置，如果沒(méi)有這些條件超導(dǎo)體無(wú)法保存。如何在超低溫環(huán)境下保證設(shè)備的穩(wěn)定性將是超導(dǎo)體船舶在設(shè)計(jì)上需要攻破的課題。 2009年美國(guó)海軍成功進(jìn)行了36500KW的超導(dǎo)體發(fā)電機(jī)用于船舶推進(jìn)系統(tǒng)的試驗(yàn)。 5、船舶岸電供電系統(tǒng)圖9：CrossTree公司提出的岸電供電系統(tǒng)方案 一般船舶燃料的年消費(fèi)量中5%是在港口停泊時(shí)消耗的。在人口密集的港口停靠時(shí)

15、，船舶發(fā)電機(jī)中排放的廢氣對(duì)環(huán)境和人類(lèi)的健康有無(wú)法忽視的影響。如果船舶岸電供電系統(tǒng)能夠普及的話，將消除船舶廢氣排放對(duì)港口周邊環(huán)境和人類(lèi)健康的損害。 到2020年，陸地與船舶之間的充電插口或許將標(biāo)準(zhǔn)化，不僅新造船舶，現(xiàn)有船舶也將統(tǒng)一配備。這個(gè)接口可將岸上的供電電壓轉(zhuǎn)化成船舶內(nèi)的供電電壓，使船舶可自由地在世界各個(gè)港口的岸上充電設(shè)備獲取電力。 為港口配備岸上供電系統(tǒng)將是今后有待突破的課題。 信息化航海技術(shù) 所謂信息化航海技術(shù)是指將船舶的精確方位數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、各類(lèi)測(cè)算數(shù)據(jù)、船舶性能數(shù)據(jù)等融合一體，將電子海圖打造成船內(nèi)信息集成平臺(tái)的技術(shù)。電子海圖系統(tǒng)將從其他設(shè)備上收集信息，如安保信息和危險(xiǎn)航道信息、出入

16、港口及天氣等，集成為航海計(jì)劃，統(tǒng)一顯示在一個(gè)屏幕上。這樣一來(lái)，可以降低事故發(fā)生頻率，使船舶航行在最安全、最經(jīng)濟(jì)的航道上。 1、電子海圖信息顯示設(shè)備圖10：ECDIS 觸礁不光對(duì)船舶本身有巨大的傷害，更有可能發(fā)生死亡或者漏油等重大事故，十分遺憾的是這樣的重大事故時(shí)有發(fā)生。如果船上安裝了電子海圖信息顯示設(shè)備（ECDIS），可以減少30%的觸礁或擱淺事故。因此IMO規(guī)定了到2020年所有的船舶都要安裝ECDIS。 ECDIS整合了船舶氣象定線、海盜預(yù)警、冰山識(shí)別、浮游生物警報(bào)等系統(tǒng)為一體，可以說(shuō)是支援系統(tǒng)的集成平臺(tái)。并且，除了以上航海時(shí)不可缺少的支援系統(tǒng)外，ECDIS還結(jié)合了出入港口、通關(guān)手續(xù)辦理系統(tǒng)，可以說(shuō)ECDIS是信息化航海技術(shù)中的核心。 2、船