綠色船舶未來(lái)方向

李 源

根據(jù)國(guó)際公約、地區(qū)性規(guī)定以及市場(chǎng)自身的需求，唯有發(fā)展綠色船舶才能滿(mǎn)足各項(xiàng)要求。當(dāng)前，海事界已著手于綠色船舶的研發(fā)，從多家公司提出的概念船型中可以發(fā)現(xiàn)，采用的綠色技術(shù)主要包括：船型優(yōu)化、采用清潔能源、混合電力推進(jìn)、加裝減排設(shè)備及采用新型材料等多種方式。通過(guò)綜合使用這些技術(shù)全方位地提升船舶的環(huán)保性能，以滿(mǎn)足新規(guī)則的要求。以三星重工開(kāi)發(fā)的一型概念船為例，該船采用13項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，包括優(yōu)化船型、使用輕質(zhì)材料、采用燃料電池、LNG動(dòng)力、可再生能源（太陽(yáng)能、風(fēng)能）、采用船底空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)、廢熱回收系統(tǒng)、安裝洗滌器、選擇性催化還原和廢氣循環(huán)等減排設(shè)備，以及采用節(jié)能鰭、舵球和節(jié)能導(dǎo)管、反轉(zhuǎn)螺旋槳、航線(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)、空氣動(dòng)力技術(shù)等。這些基本上涵蓋了目前海事界主流的提高能效和減排的手段。

——船型優(yōu)化

船型優(yōu)化包括優(yōu)化船舶主尺度、優(yōu)化船體線(xiàn)型、優(yōu)化船首和船尾形狀等，通過(guò)這些措施降低船體阻力，提升水動(dòng)力性能，從而達(dá)到提高能效的目的。

以大宇造船海洋的一艘30萬(wàn)載重噸VLCC為例，通過(guò)優(yōu)化主尺度參數(shù)和船體線(xiàn)型，分別節(jié)省了3%和2%的油耗。船首和船尾形狀優(yōu)化方面，過(guò)去設(shè)計(jì)者更多的是關(guān)注船尾形狀的優(yōu)化，但現(xiàn)在越來(lái)越關(guān)注對(duì)首柱的優(yōu)化，海事界已開(kāi)發(fā)出多種優(yōu)秀的船首。例如：挪威烏斯坦公司開(kāi)發(fā)的X船首，可有效減少船體振動(dòng)、噪聲、砰擊和縱搖，提高燃油效率，改善航行安全性；日本IHIMU開(kāi)發(fā)的鯨背球首，可大大降低肥大型船舶的興波阻力。

重新設(shè)計(jì)螺旋槳也是優(yōu)化船型的一個(gè)方面。根據(jù)具體船型，選擇適合的螺旋槳配置，如大宇造船海洋的一艘12000TEU集裝箱船，分別采用單槳和雙槳的配置，盡管后者比前者阻力增加了4%，但能效提高了13%，總體而言可節(jié)省9%的能耗。另外采用新型螺旋槳，如葉尖傾斜螺旋槳、反轉(zhuǎn)螺旋槳等，也可提升推進(jìn)效率。

——降低空船重量

通常降低空船重量的方法有兩種，一是優(yōu)化主船體結(jié)構(gòu)。通過(guò)減少肋骨和縱骨間距，在厚度不同處，分別使用不同厚度的鋼板等做法可優(yōu)化主船體結(jié)構(gòu)，降低空船重量。二是使用輕質(zhì)復(fù)合材料。輕質(zhì)復(fù)合材料在航空工業(yè)上已得到廣泛應(yīng)用，在船舶上目前多用于軍船的次級(jí)結(jié)構(gòu)以及游艇、漁船等小型商船。復(fù)合材料由多層金屬薄板疊加或多層聚合體碾壓復(fù)合而成。其中金屬板可以是鋁或鋼板，聚合體核心由碳或玻璃纖維進(jìn)行加強(qiáng)，具備抗沖擊、耐用、容易加工、重量輕、耐疲勞、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。

瑞典KockumsAB公司曾以一艘長(zhǎng)128米，航速42節(jié)的渡船作為目標(biāo)船型，對(duì)碳纖維增強(qiáng)塑料、鋼材、鋁分別作為建造材料在重量、成本、拆解上進(jìn)行過(guò)全面的比較，得出如下結(jié)論。

1、使用復(fù)合材料替代鋼材最大的優(yōu)點(diǎn)是可以明顯減少結(jié)構(gòu)重量。采用碳纖維增強(qiáng)塑料和鋁均可減輕重量，與鋼材相比，整船重量可減輕50%左右。

2、從純建造的觀點(diǎn)來(lái)看，鋼材是建造大型船舶最經(jīng)濟(jì)的材料，但如果將后期的營(yíng)運(yùn)和維護(hù)考慮在內(nèi)，進(jìn)行全生命周期的成本比較，則鋼材的成本最高，復(fù)合材料成本最低。

3、目前的狀況下，回收困難是復(fù)合材料難以推廣的障礙之一。

4、由于復(fù)合材料的易燃性，很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)在SOLAS的規(guī)定中復(fù)合材料不能被用于上層建筑、結(jié)構(gòu)性艙壁、甲板和甲板室。但實(shí)際上之前在軍船上，以及適用于HSC規(guī)則的小艇上復(fù)合材料已經(jīng)有超過(guò)30年的使用歷史。2002年，SOLAS規(guī)定只要具備與鋼材相同的阻燃性，其他材料也可用于船舶建造。這項(xiàng)規(guī)定開(kāi)啟了輕質(zhì)復(fù)合材料在軍船、小艇以外的船舶上應(yīng)用的可能性。因此現(xiàn)階段在“輕質(zhì)材料在船舶上應(yīng)用”的項(xiàng)目中，防火安全性是中心議題。

5、綜合而言，高速船上使用復(fù)合材料優(yōu)勢(shì)明顯，可以極大地減少燃油耗量，但在大型低速船上，完全使用復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)并不明顯，通常的做法是鋼材和復(fù)合材料混合使用。

西方漢學(xué)中沃爾夫林中國(guó)藝術(shù)研究的影響——兼論高居翰的視覺(jué)研究方法 ………………………………………………… 吳佩烔 4·112

——清潔能源

清潔能源包括LNG、太陽(yáng)能、風(fēng)能、波浪能、潮汐能和燃料電池等。目前普遍認(rèn)為L(zhǎng)NG是現(xiàn)階段滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的最有希望、最成熟的替代燃料，因此我們可以看到在許多的概念船型中，均以柴油和LNG或純LNG作為主燃料，再輔以太陽(yáng)能、風(fēng)能、燃料風(fēng)池以及岸電等技術(shù)。

1、LNG

與傳統(tǒng)重燃油相比，使用LNG可基本消除顆粒物的排放，減少90%～95%的SOX排放以及20%～25%的CO2排放。NOX排放的減少程度根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型的不同會(huì)有所差異，如果使用稀薄燃燒的4沖程氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，可減少90%的NOX排放，這類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)適用于旅游船、小型貨船和工程船舶，但對(duì)于大型商船適用的低速二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，NOX排放的減少量相對(duì)較少。經(jīng)濟(jì)性上，當(dāng)前在歐洲和美國(guó)，LNG價(jià)格與重燃油相差不多，并且比低硫汽油更具價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

船舶使用LNG的最主要的挑戰(zhàn)在于燃料艙的容積比傳統(tǒng)油艙大2～3倍，且需要冷卻加壓，因此燃料艙成本較高，通常LNG燃料船的建造成本比同等尺度的柴油驅(qū)動(dòng)船舶高10%～20%。另外補(bǔ)給LNG燃料的基礎(chǔ)設(shè)施目前比較缺乏，也使LNG的大量推廣有所限制。不過(guò)由于技術(shù)較成熟以及排放上和價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)，LNG是發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮那鍧嵞茉矗磥?lái)有望在多種船型上使用，特別是那些需要在排放控制區(qū)長(zhǎng)時(shí)間航行的船舶。

盡管海事界已開(kāi)發(fā)出多型LNG燃料概念船舶，但目前實(shí)船應(yīng)用最多的還是波羅的海沿岸，2000年首艘LNG燃料船在挪威境內(nèi)營(yíng)運(yùn)，2003年荷東船東訂購(gòu)的首艘LNG燃料油船在德國(guó)船廠完工。目前LNG燃料應(yīng)用最多的領(lǐng)域是渡船和海工支援船。

2、風(fēng)能、太陽(yáng)能

風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源的應(yīng)用也得到了海事界相當(dāng)大的關(guān)注，一些相關(guān)的概念船舶被提出，其中部分已進(jìn)行了實(shí)船試驗(yàn)，雖然可再生能源環(huán)保性極佳，但以目前的技術(shù)尚無(wú)法作為大型商船的主要能源供船舶推進(jìn)使用，絕大部分僅能作為一種補(bǔ)充，提供船上部分生活用電。

德國(guó)建造的太陽(yáng)能游艇“Turanor”號(hào)是世界上最大的完全由太陽(yáng)能提供動(dòng)力的船舶，該船利用太陽(yáng)能發(fā)電來(lái)給蓄電池充電，船長(zhǎng)31米，船寬15米，可供6人乘坐。

目前風(fēng)能的利用方式主要有風(fēng)力旋筒、剛性風(fēng)帆和風(fēng)箏等，根據(jù)各自的使用原理，具備不同的優(yōu)缺點(diǎn)。其中，風(fēng)力轉(zhuǎn)筒的優(yōu)點(diǎn)只要是空氣動(dòng)力學(xué)性能好。缺點(diǎn)是本身消耗能源，與船舶安全駕駛視線(xiàn)沖突，占用甲板面積較大；剛性風(fēng)帆的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用較多，技術(shù)成熟，相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究較全面。缺點(diǎn)是占用甲板面積較大。風(fēng)箏的優(yōu)點(diǎn)是占用甲板面積小，可利用的風(fēng)速較高。缺點(diǎn)是可利用的風(fēng)向范圍較窄，收放時(shí)間較長(zhǎng)，帆的總面積不大。

3、燃料電池

4、岸電

通常，船舶靠港時(shí)關(guān)閉主機(jī)，運(yùn)行輔機(jī)。全球船隊(duì)中每年約有5%的燃油消耗在船舶靠港期間，港口是人口密集區(qū)，船舶靠港期間的排放嚴(yán)重地影響了當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境和居民的健康。如果靠港期間可以直接使用岸上電力，那么船上的所有發(fā)動(dòng)機(jī)均可關(guān)閉，SOX、NOX、CO2和顆粒物的排放均會(huì)大幅減少。目前這項(xiàng)技術(shù)已有實(shí)船應(yīng)用。推廣岸電技術(shù)主要的障礙在于大型港口一般擁有充足的電網(wǎng)容量可以滿(mǎn)足要求，但小型港口缺乏必要的基礎(chǔ)設(shè)施。

——混合電力系統(tǒng)

為了充分地利用各種清潔能源，混合電力系統(tǒng)是未來(lái)船舶的發(fā)展趨勢(shì)之一，混合電力系統(tǒng)可以包括柴電裝置、燃料電池、電池組件、太陽(yáng)能板或風(fēng)力利用裝置以及超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)。采用混合電力系統(tǒng)能綜合利用多種能源，提升船舶的總體能效，特別適合那些動(dòng)力需求波動(dòng)大的船舶。

——減排設(shè)備

1、廢氣循環(huán)系統(tǒng)（EGR）

廢氣循環(huán)系統(tǒng)可將部分發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣重新送回發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中參與燃燒，減少燃燒室空氣的氧含量，從而降低燃燒溫度，達(dá)到NOX減排目的。MAN公司開(kāi)發(fā)的EGR系統(tǒng)應(yīng)用范圍十分廣泛，以HFO、精餾燃油或天然氣為燃料的主機(jī)均可使用。試驗(yàn)證明，采用該技術(shù)可達(dá)到將于2016年生效的IMO第三層級(jí)NOX排放控制要求。

圖9：EGR工作原理圖

2011年11月MAN公司獲得首個(gè)帶第二代EGR系統(tǒng)的主機(jī)訂單，安裝在現(xiàn)代重工為馬士基建造的4500 TEU集裝箱船上。該系統(tǒng)包含一臺(tái)冷卻器、一臺(tái)洗滌器、一臺(tái)水霧捕捉器和一個(gè)鼓風(fēng)機(jī)，同時(shí)該系統(tǒng)還可作為主機(jī)的進(jìn)氣冷卻器。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，第二代EGR系統(tǒng)可循環(huán)使用40%的廢氣。

2、洗滌器

洗滌器安裝在船上排氣管中，與主機(jī)、輔機(jī)和鍋爐連接，可有效減少顆粒物和SOX的排放，即使使用含硫量達(dá)3.5%的重油也能將排放中硫的含量控制在0.1%的限值之內(nèi)，可滿(mǎn)足排放控制區(qū)內(nèi)對(duì)低硫排放的要求。

3、選擇性催化還原系統(tǒng)（SCR）

選擇性催化還原系統(tǒng)安裝在主機(jī)渦輪增壓器渦輪前方，是一種主機(jī)排氣后處理裝置，優(yōu)化燃燒效率的同時(shí)還可減少85%～95%的NOX排放。SCR是目前減少船舶NOX排放最有效的方法。

4、廢熱回收系統(tǒng)

廢熱回收系統(tǒng)的工作原理是將發(fā)動(dòng)機(jī)排放廢氣中的熱量和壓力收集起來(lái)，用于驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)產(chǎn)生機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。如果沒(méi)有廢熱回收系統(tǒng)，船舶消耗燃料所產(chǎn)生的能量中，有25%將被浪費(fèi)。這種節(jié)能裝置目前在實(shí)船上應(yīng)用較多，馬士基公司的“3E”級(jí)集裝箱船上就配有先進(jìn)的廢熱回收系統(tǒng)，根據(jù)主機(jī)功率的不同，廢熱回收系統(tǒng)大小、價(jià)格會(huì)有不同，“3E”級(jí)船舶上配置的廢熱回收系統(tǒng)的費(fèi)用高達(dá)每套1000萬(wàn)美元，據(jù)估算，5～10年可收回投資成本，如果油價(jià)上漲，投資回收期將進(jìn)一步縮短。

圖10：廢熱回收系統(tǒng)原理圖

5、空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)

空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的原理是使用鼓風(fēng)機(jī)向船底輸送空氣泡，以降低船底摩擦阻力，船底安裝空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)可減少7%的燃油消耗，減少10%的CO2排放量。2010年4月，三菱重工和日本郵船共同開(kāi)發(fā)的空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)首次安裝在14538GT的“邪馬臺(tái)”號(hào)重載運(yùn)輸船上進(jìn)行測(cè)試，海試結(jié)果表明最多可以降低12%的能耗。

此外，還有安裝在螺旋槳和舵前、后方的節(jié)能裝置，優(yōu)化水動(dòng)力性能，提高能效，如預(yù)旋定子、螺旋槳轂帽鰭、低粘性阻力鰭、伴流平衡導(dǎo)管、舵鰭等。

作為一種歷史悠久的運(yùn)輸方式，船舶在全球經(jīng)濟(jì)和世界貿(mào)易中始終扮演著重要的角色，今后仍將作為最環(huán)保和最有效率的運(yùn)輸方式活躍于全球。IMO對(duì)船舶環(huán)保性越來(lái)越嚴(yán)格的要求體現(xiàn)了人類(lèi)社會(huì)追求健康和可持續(xù)發(fā)展的訴求，也體現(xiàn)了海事界對(duì)社會(huì)的責(zé)任感。

航運(yùn)業(yè)從過(guò)去對(duì)實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的追求，發(fā)展到對(duì)高品質(zhì)航運(yùn)的追求，與此同時(shí)造船業(yè)也將從粗放型逐漸向精細(xì)化轉(zhuǎn)型，在這一進(jìn)程中造船新技術(shù)層出不窮，船型飛速發(fā)展。2004年馬士基訂購(gòu)了世界上首艘萬(wàn)箱以上的超大型集裝箱船，今天全世界超大型集裝箱船的保有量已達(dá)195艘，馬士基最新的18000TEU集裝箱船已經(jīng)投入到亞歐航線(xiàn)。1953年世界第一艘鉆井船投入使用，作業(yè)水深僅120米，2013年三星重工建造的鉆井船在3165米深的海底成功鉆井。五年前，一艘8萬(wàn)噸左右的干散貨船油耗每天37噸左右，今天同等尺度的干散貨船油耗每天僅29噸。除了資金密集型和勞動(dòng)力密集型，造船業(yè)也是一個(gè)技術(shù)密集型的產(chǎn)業(yè)，今后造船產(chǎn)業(yè)將越來(lái)越以技術(shù)作為主要競(jìng)爭(zhēng)力。