船舶替代能源的發(fā)展與展望分析

胡 健

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 200032）

0 前 言

在傳統(tǒng)能源日趨緊張的今天，如何尋找新興能源逐步替代傳統(tǒng)能源，已成為擺在全人類面前的重要課題。而在高度依賴傳統(tǒng)柴油作為動力的船舶業(yè)界，毫無例外的將隨著全球能源大環(huán)境的變化而變化。

作為業(yè)界的制造商，要精準(zhǔn)地預(yù)測未來的發(fā)展趨向，加大該系列產(chǎn)品的研發(fā)和投入力度，才能搶占市場先機，從而在將來競爭更加激烈的配套市場上獲得更大的市場份額。

1 能源溯源和轉(zhuǎn)化

1.1 能源分類

地球上的能源種類很多，包括天然能源和人工能源。天然能源包括石油、煤炭、天然氣、可燃冰、狹義太陽能、風(fēng)能、水能、潮汐能、洋流能、地?zé)崮艿取Ｈ斯つ茉窗娔?、核能等。其中煤炭、石油、天然氣、以及可燃冰，都由于形成于遠(yuǎn)古時代而深埋地下或海底，故統(tǒng)稱為化石能。這些化石能都是以遠(yuǎn)古生物作為載體，以遠(yuǎn)古的太陽能作為能量來源，因此它們又同屬于生物能的范疇，是遠(yuǎn)古生物能在現(xiàn)世的開采和利用的表現(xiàn)形式。風(fēng)能是由于不同地域的空氣吸收太陽能的多少不同，導(dǎo)致溫度和密度的不同，最終促使空氣規(guī)模性的運動，而形成的洋流能基本上也是這個道理。而水能，雖然表現(xiàn)形式為勢能，但也是由太陽能蒸發(fā)洋海湖泊中的水分作為循環(huán)伊始的，根源還是太陽能。所謂現(xiàn)世生物質(zhì)能，就是現(xiàn)世的太陽能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式，即以生物質(zhì)為載體的能量。它直接或間接地來源于光合作用，可轉(zhuǎn)化為常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料，取之不盡、用之不竭，是一種可再生能源。所以從廣義上講，現(xiàn)世生物質(zhì)能，同樣也是太陽能的一種表現(xiàn)形式。

1.2 無窮性和珍貴性

能源本身是取之不盡用之不竭的，能源不會消亡，只是以不同的形態(tài)存在而已。同時，可利用的能源在不同時期和場合受到當(dāng)時當(dāng)?shù)厝祟惖募夹g(shù)水平和經(jīng)濟成本的制約，這種制約還包括人類賴以生存的環(huán)境的承載能力，以及能源的消耗和產(chǎn)出的關(guān)系，能源的珍貴性也恰恰體現(xiàn)在這里。一定時期內(nèi)，當(dāng)預(yù)期的能源消耗大于可利用的產(chǎn)出時，能源危機便出現(xiàn)了。因此，能源既具有無窮無盡的屬性，也同樣具有珍貴性。無窮是宏觀的，珍貴是微觀的，這種宏觀和微觀將伴隨著人類生存和發(fā)展的始終。

2 船舶和海洋結(jié)構(gòu)物在能源利用上的特點

船舶和海洋結(jié)構(gòu)物在能源的利用上，具有其自身的特點。這些特點有些與陸地上的車輛相通，卻亦有其它獨特之處。

1)不降低自身穩(wěn)性:船舶的穩(wěn)性是自身賴以維持的最重要的性能之一。某些新能源，例如風(fēng)能，在應(yīng)用過程中需要想方設(shè)法降低風(fēng)壓傾側(cè)力矩對于船舶穩(wěn)性的不利影響。

2)供給的穩(wěn)定性、持久性：能源供給的不間斷、持續(xù)、穩(wěn)定和持久是保障船舶航行安全和效率的必不可少的特征。

3)功率大：船舶航行時需要克服水的巨大的阻力，相應(yīng)的推進(jìn)功率也較大。

4)安全性：在能源的使用過程中，安全始終是放在第一位的。

5)經(jīng)濟性：對于采用新興能源的船舶，應(yīng)認(rèn)真剖析它的利弊得失和經(jīng)濟性，因為造船是現(xiàn)代經(jīng)濟利益鏈條上的一環(huán)。只顧及建造新型船舶，往往會因為經(jīng)濟性缺失而最終被放棄[1]。

6)環(huán)境友好性：對于某種新能源，除了看它在使用過程中是否環(huán)保，還要從整個產(chǎn)業(yè)鏈的流程來綜合分析和評判。

7)滯后性：為了保證船舶營運的安全，船舶的設(shè)計、建造和營運需獲得船級社規(guī)范和相關(guān)部門法律法規(guī)的約束，這些約束具體、謹(jǐn)慎而細(xì)致， 而規(guī)范、法律和法規(guī)的制定需要時間和實例的支撐和積累，相對于某些最新革命性的科技成果，可能具有一定的滯后性，雖然這些約束也具有相當(dāng)?shù)陌菪院颓罢靶?。另外，陸地上的科技成果成功轉(zhuǎn)移到海上，需要改型從而克服搖擺、振動、防火、防潮等限制條件，并通過船級社的產(chǎn)品認(rèn)證，這在一定程度上也具有滯后的效應(yīng)。

3 新能源在船舶和海洋結(jié)構(gòu)物上的應(yīng)用和展望

3.1 風(fēng)能

風(fēng)能在船舶上的應(yīng)用由來已久，在現(xiàn)代，風(fēng)帆船已經(jīng)不大見到。原因是穩(wěn)性太差、操作繁瑣、方向不易控制、碰到惡劣天氣，給船舶的安全性帶來嚴(yán)重隱患、占用面積空間過大，給貨物裝卸帶來不便以及相對大型船只其功率仍不夠，無法作為主動力。而且靠風(fēng)力可能讓航行增加不確定因素，對于必須嚴(yán)守交運時間的船運公司可能不愿冒風(fēng)險[2]。還有，要想完全遵循《避碰規(guī)則》，風(fēng)帆在布置上恐怕限制頗多。

隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，傳統(tǒng)風(fēng)帆船的上述缺點有望逐步得到改善和部分克服。比如研發(fā)自適應(yīng)型可調(diào)可倒可收的風(fēng)帆，當(dāng)風(fēng)向風(fēng)力穩(wěn)定在預(yù)期范圍時，風(fēng)帆升起，而風(fēng)向風(fēng)力不利時，則放倒。

盡管有著眾多的缺點有待克服，各發(fā)達(dá)國家對于現(xiàn)代風(fēng)帆船的研究和試制卻從來沒有停止過。其中日本在發(fā)展現(xiàn)代風(fēng)帆船方面一直處于領(lǐng)先地位。1980年8月，日本建成世界上第一艘現(xiàn)代風(fēng)帆油船——1600dwt的“新愛德丸”號。后來又制造了10艘沿?，F(xiàn)代風(fēng)帆船和1艘遠(yuǎn)洋現(xiàn)代風(fēng)帆船投入營運，其中最大的為26000dwt。實踐證明，現(xiàn)代風(fēng)帆船在節(jié)能性方面是顯著的，而要完全克服眾多缺點，恐怕還有很長的路要走。

另外，海上風(fēng)電場的建設(shè)需要考慮風(fēng)浪流和水文要素的影響[3]，具有一些海洋結(jié)構(gòu)物的特性，但因為它本身是以發(fā)電為目的，不屬于本文所討論的專屬用途船舶和海洋結(jié)構(gòu)物范疇。

3.2 直接太陽能

在船舶上直接應(yīng)用太陽能的例子少之又少。分析的原因有5個方面：一是光電轉(zhuǎn)化率很低，只有10%左右；二是因為效率低，因此需要很大的面積；三是光照指數(shù)變化很大，導(dǎo)致供給不穩(wěn)定、不持久；四是供給功率小，無法作為主動力；五是成本高昂，經(jīng)濟性差，面板的制作本身就是高耗能、高污染的過程。

雖然有著上述缺點，但并不是說太陽能在現(xiàn)代船舶中完全不能被利用。比如日本的某汽車運輸船，就采用了太陽能發(fā)電作為輔助住艙用電，發(fā)電量約占全船動力不足1%。再比如在鉆井采油平臺上的一些高空和運動部件上的燈具，由于電纜到達(dá)和維護(hù)不易，可以采用太陽能燈具，如平臺的鉆塔上方、自升式平臺樁腿的上部等等部位。顯然，太陽能發(fā)電系統(tǒng)全面應(yīng)用于船舶領(lǐng)域可能還為時尚早。

3.3 潮汐能、海流能和波浪能

目前潮汐能的應(yīng)用主要是指潮汐電站，但因投入產(chǎn)出比大，投入商業(yè)運營的并不多。海流能的應(yīng)用也只限于為燈塔和燈船提供電力，另外，曾有一種海流發(fā)電船，類似于駁船，在船舷側(cè)裝有兩個巨大的水輪，專門用于發(fā)電，發(fā)出的電力通過海底電纜輸送到岸上。目前世界上利用波浪能發(fā)電已取得了一定的成績，其中日本的“海明”波浪發(fā)電試驗船實現(xiàn)了海上浮體波浪電站向陸地小規(guī)模供電。另外，波浪發(fā)電也有望成為海上航標(biāo)和孤島供電的重要來源。

3.4 氫能源

目前在人類提取氫氣的手段還沒有成熟以前，無論從能源節(jié)約、利用角度，還是經(jīng)濟性上看，都不適合大面積使用。

3.5 可燃冰

可燃冰是天然氣和水結(jié)合在一起的固體化合物，外形與冰相似。由于含有大量甲烷等可燃?xì)怏w，因此極易燃燒。它廣泛分布于海底和大陸凍土帶中，儲量巨大，是一種新能源。但同時，如果開采不當(dāng)，則可能會帶來災(zāi)難性的大氣溫室效應(yīng)災(zāi)害和海底地質(zhì)塌陷[4]。在不遠(yuǎn)的將來，可燃冰很可能成為替代傳統(tǒng)能源的最主要的能源之一。

3.6 核動力

目前，核動力裝置主要用于大型軍艦和潛艇[5]。由于擔(dān)心放射性物質(zhì)污染航道、港口和城市環(huán)境，因此很多港口拒絕核動力船進(jìn)港。對核燃料使用后的核廢料也還缺乏妥善處理辦法。所以，目前核動力裝置還沒有被民用船舶所采用。一些已建成的核動力船都已改裝為常規(guī)動力裝置船。但隨著人類核技術(shù)應(yīng)用水平的不斷提升，相信使用核動力的船舶數(shù)量會越來越多。

3.7 生物柴油

現(xiàn)階段，主要可以提煉生物柴油的作物包括大豆、棕櫚、藻類等。根據(jù)統(tǒng)計，經(jīng)人工培育的異養(yǎng)藻類，單位養(yǎng)殖面積的產(chǎn)油效率是大豆的200倍，棕櫚的15倍，煉油后剩余的生物質(zhì)還可以轉(zhuǎn)化為沼氣和飼料，可以說是一種非常高效的太陽能衍生能源。生物柴油應(yīng)用于船舶和海洋結(jié)構(gòu)物，具有其它新能源無可比擬的優(yōu)勢。

由于生物柴油燃燒產(chǎn)生的碳排量源自生物生長過程中吸取大氣中（或其它工業(yè)生產(chǎn)中排放出）的碳，與將化石能源中的碳從地底排放至大氣相比，并未對大氣中的二氧化碳含量造成任何變化，因此可以從真正意義上稱之為“零排放”?？梢灶A(yù)見，如果生物柴油能夠大面積在船舶上應(yīng)用，全球的減排指標(biāo)將可以制定得更為嚴(yán)格，新船設(shè)計能效指數(shù)EEDI的計算公式亦將被重新改寫。

另外，同樣是太陽能，一個是在陸地上通過生物的方式吸取太陽能，一個是在海上通過太陽能面板的方式吸取太陽能，相比之下，可能前者的方式更適合船舶。因為對于船來說，通過使用新能源去帶動新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，可能比自身去吸收新能源更加適合。

4 傳統(tǒng)能源在船舶和海洋結(jié)構(gòu)物上的集約化應(yīng)用

在新能源尚未能成為大范圍替代傳統(tǒng)能源在船舶和海上建筑物上應(yīng)用的同時，提高集約化利用傳統(tǒng)能源的方式、效率，從而達(dá)到節(jié)能、低耗、環(huán)保。比如在FPSO和采油平臺上采用柴油與燃?xì)怆p燃料發(fā)電機組代替?zhèn)鹘y(tǒng)柴油發(fā)電機組，其中的燃?xì)獠捎迷瓉硗ㄟ^燃燒臂白白燒掉的油田伴生氣；鍋爐采用燃油燃?xì)怆p燃料鍋爐代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油鍋爐；通過熱回收機組回收冷卻水系統(tǒng)中的散熱量等值得推廣的實例。

5 結(jié) 語

新興能源，要想在船舶和海洋工程物上取得廣泛應(yīng)用并占據(jù)主要角色，還有很長的路要走。從基礎(chǔ)技術(shù)研究，到可行性論證，到陸上產(chǎn)品研發(fā)，最后改型移植至船上。現(xiàn)階段，對于目前經(jīng)濟性很差的那部分新興能源，人類更應(yīng)該將精力投入在基礎(chǔ)技術(shù)研究上，而不是真正大規(guī)模應(yīng)用上。

[1] 繆國平，等.以科學(xué)發(fā)展觀指導(dǎo)船型設(shè)計和優(yōu)化[J].上海造船，2008, (2).

[2] 黃朝明.船舶風(fēng)帆助航的試驗研究[M].大連海事大學(xué)，2008.

[3] 繆國平，等.海上風(fēng)電場建設(shè)與海洋工程裝備研發(fā)中若干水動力學(xué)關(guān)鍵技術(shù)問題[J].上海造船，2009, (1).

[4] 吳 震.新型潔凈能源可燃冰的研發(fā)現(xiàn)狀[J].節(jié)能，2009, (2).

[5] 美國CVN核動力航母[J].現(xiàn)代兵器，2004, (3).