零排放新概念PCTC

日本郵船與Elomatic的合作，帶來了引人注目的新概念汽車運(yùn)輸船。

大約10年前，船東及船舶運(yùn)營商日本郵船株式會(huì)社（NYK Line）委托芬蘭船舶設(shè)計(jì)及咨詢公司Elomatic制定可再生能源及創(chuàng)新技術(shù)路線圖，為未來的船舶設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)；并在此基礎(chǔ)上，與日本郵船旗下Monohakobi技術(shù)研究所、意大利設(shè)計(jì)公司Garroni Progatti三方合作，以形成未來新概念船舶設(shè)計(jì)方案。

2013年，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出名為“Super Eco Ship 2030” 的 8000TEU集裝箱船，并于此后獲得多個(gè)業(yè)內(nèi)獎(jiǎng)項(xiàng)。通過減少船舶自重、采用新的裝載概念及增加新型推進(jìn)系統(tǒng)，該型船的二氧化碳（CO2）排放量與同期類似尺度的集裝箱船相比大幅減少了70%。該型船采用的其他革新技術(shù)還包括：采用燃料電池以打造高效的電力系統(tǒng)，優(yōu)化貨物存儲(chǔ)功能及利用風(fēng)能、太陽能等。

“Super Eco Ship 2050”與2014年建造的汽車滾裝船技術(shù)參數(shù)對(duì)比

盡管“Super Eco Ship 2030”的部分技術(shù)目前較難大規(guī)模商用，但日本郵船將Elomatic的研究作為其投資和新技術(shù)研究指南，并于去年再度委托Elomatic展望2050年，制定新的路線圖，繼續(xù)進(jìn)行新概念船型設(shè)計(jì)。由太陽能電池板、氫燃料電池提供動(dòng)力的零碳排放新概念汽車運(yùn)輸船（PCTC）“Super Eco Ship 2050”由此誕生。

Elomatic高級(jí)海事咨詢顧問托馬斯·阿米諾夫（Tomas Aminoff）表示，其客戶的前瞻性令人印象深刻：“他們?cè)趪H海事組織（IMO）確定二氧化碳減排戰(zhàn)略前就已經(jīng)委托了這一項(xiàng)目；當(dāng)該戰(zhàn)略被宣布時(shí)，日本郵船已經(jīng)有了路線圖！”

日本郵船的減排總目標(biāo)是，到2050年使其船隊(duì)的碳排放量減少50%，與IMO的減排戰(zhàn)略目標(biāo)一致。不過，鑒于其船舶的平均壽命為15—30年， 2020年至2035年之間建造的船舶很可能在本世紀(jì)中葉時(shí)仍將被運(yùn)營。

對(duì)此，日本郵船表示：“到那時(shí)將船隊(duì)的800艘船全部更換為零排放船舶是不現(xiàn)實(shí)的。顯然，這意味著我們船隊(duì)不可能在2050年整體實(shí)現(xiàn)零排放。我們的減排目標(biāo)是關(guān)注船舶減排量的平均值。我們預(yù)計(jì)，部分船舶將在2008年排放量的基礎(chǔ)上減排30%；部分船舶則將減排約50%，還有一些可實(shí)現(xiàn)100%減排。

新概念汽車運(yùn)輸船

日本郵船希望， Super Eco Ship 2050項(xiàng)目聚焦于：與2014年的汽車運(yùn)輸船相比，該型船所能取得的技術(shù)進(jìn)步。不過，該公司也強(qiáng)調(diào)，這一新概念船型的所有創(chuàng)新同樣可廣泛適用于其他類型、尺度的船舶。該型船基于減少能源需求、提高能效和使用清潔燃料等理念，采用振動(dòng)翼推進(jìn)器，輕質(zhì)船體和主動(dòng)穩(wěn)定裝置等一系列創(chuàng)新技術(shù)。

太陽能電池板覆蓋了該型船表面區(qū)域的80%，其中頂部的面積就達(dá)8000平方米，并從頂部往船體兩側(cè)向下延伸了5—10米。不僅如此，由于其太陽能電池板采用了雙軸跟蹤系統(tǒng)（一種使太陽能電池板隨時(shí)正對(duì)太陽，確保光線一直垂直照射的動(dòng)力裝置），與普通的產(chǎn)品相比，其能效提高了40%。根據(jù)在實(shí)驗(yàn)室中取得的效果，預(yù)計(jì)該太陽能電池板的能量轉(zhuǎn)化效率為45%。

總體而言，與2014年的新造船相比，預(yù)計(jì)這一新概念汽車運(yùn)輸船可使燃油消耗減少67%。 托馬斯·阿米諾夫介紹說，太陽能電池板僅可為該船提供15%的能源，其他能源主要來自于氫燃料電池，此外還有10%來自廢熱回收。

托馬斯·阿米諾夫強(qiáng)調(diào)，“Super Eco Ship 2050”采用的大多是30年后可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，而非當(dāng)下成熟的商業(yè)化技術(shù) 。其中，“固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種現(xiàn)有的技術(shù)，其生產(chǎn)商有Convion、Bloom Energy等公司。然而，目前此類電池的體積太大且價(jià)格昂貴，不能將其作為船上MW級(jí)電能的唯一來源。不過，目前還有一些其他技術(shù)，如低溫質(zhì)子交換膜（PEM）乃至高溫質(zhì)子交換膜等，這些技術(shù)已經(jīng)足夠成熟，可以在一定程度上應(yīng)用于航運(yùn)業(yè)。”

日本郵船也表示，盡管氫是由可再生能源產(chǎn)生的環(huán)保能源，但可能到2050年其價(jià)格仍然高昂，且其密度遠(yuǎn)低于化石燃料，船上僅可儲(chǔ)存氫1900立方米，只能供其使用 21天。

托馬斯·阿米諾夫認(rèn)為，對(duì)船舶來說，燃料未來或?qū)⑹亲顬殛P(guān)鍵的因素：“你在船上使用的可替代燃料很可能（比傳統(tǒng)燃料）需要更大的存儲(chǔ)空間，且存儲(chǔ)成本、購買成本更高。因此，要使這些可替代燃料方案可行，就需要船舶具有極高的能效，并且很可能還需要調(diào)整船舶運(yùn)營方式?！?/p>

他進(jìn)一步解釋說：“運(yùn)營商不能還像以前4個(gè)月才加一次油，甚至往返整個(gè)歐洲到亞洲的航線都無需加油。如今的汽車運(yùn)輸船一次加油后便可運(yùn)營于全球航線，而我們的新概念汽車運(yùn)輸船需要每3周加裝一次氫，否則，就無法在不影響載貨容量的情況下儲(chǔ)存足夠的氫。”

有趣的是，盡管“Super Eco Ship 2030”采用了硬帆，但“Super Eco Ship 2050”卻沒用使用任何風(fēng)力推進(jìn)裝置。對(duì)此，托馬斯·阿米諾夫解釋說：“鑒于汽車運(yùn)輸船運(yùn)營的航線多在赤道附近，其風(fēng)向不適合使用風(fēng)帆。若船舶運(yùn)營于南北航線，則風(fēng)力條件更好，更適合使用轉(zhuǎn)子風(fēng)帆等風(fēng)力推進(jìn)裝置?！?/p>

輕質(zhì)船體及振動(dòng)翼推進(jìn)器

“Super Eco Ship 2050”最具視覺沖擊力的是其輕質(zhì)船體，是一種仿生設(shè)計(jì)，其靈感來自于自然界。托馬斯·阿米諾夫介紹，這種理念在3D打印中很常見，且正在進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)。其本質(zhì)是拓?fù)鋬?yōu)化（topology optimisation），即在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本不變的前提下不斷降低原有結(jié)構(gòu)質(zhì)量，直至不能繼續(xù)降低，從而實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。盡管拓?fù)鋬?yōu)化需要大量計(jì)算，但并非無法實(shí)現(xiàn)，其已被應(yīng)用于空中客車公司（Airbus）某些飛機(jī)部件的設(shè)計(jì)建模過程中。

Super Eco Ship 2050”采用特殊設(shè)計(jì)的輕質(zhì)船體

除此之外，這一新概念船采用的多個(gè)技術(shù)、材料僅處于實(shí)驗(yàn)室階段，如麻省理工學(xué)院等高校的實(shí)驗(yàn)室。

“Super Eco Ship 2050”從大自然中汲取的另一個(gè)靈感是海豚上下擺尾的游動(dòng)方式。據(jù)此，技術(shù)人員產(chǎn)生了采用振動(dòng)翼推進(jìn)器來取代傳統(tǒng)螺旋槳的想法。 托馬斯·阿米諾夫介紹，這并非一個(gè)全新的想法，不僅有學(xué)生已在學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行類似的試驗(yàn)，更有知名船東和設(shè)備制造商進(jìn)行了相關(guān)的模型測(cè)試，并發(fā)布了白皮書。

他表示，從流體力學(xué)的角度來看，采用振動(dòng)翼推進(jìn)器在理論上絕對(duì)可行，而該裝置實(shí)船應(yīng)用的挑戰(zhàn)是如何能使其在船舶全壽命期間均發(fā)揮作用。為此，技術(shù)人員對(duì)振動(dòng)翼的速度、形狀和運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行了一些優(yōu)化研究，但還要針對(duì)不同類型的材料作進(jìn)一步研究，并提高其運(yùn)動(dòng)靈活性以改善流體動(dòng)力學(xué)性能。

他補(bǔ)充說，振動(dòng)翼推進(jìn)器裝船使用還面臨其他一些挑戰(zhàn)，如船體怎樣防水，該裝置如何避免漏油等。

船體穩(wěn)定性

“Super Eco Ship 2050”最具創(chuàng)新性的或許是其穩(wěn)定系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩個(gè)裝置構(gòu)成：在常規(guī)條件下，該型船的主動(dòng)穩(wěn)定性由計(jì)算機(jī)控制的裝置（或安裝在船體底部的陀螺穩(wěn)定器）來提供；風(fēng)浪較大的情況下，位于水面上的浮筒將為船舶提供額外的穩(wěn)性，使阻力最小化。

浮筒可謂“Super Eco Ship 2050”的主要特點(diǎn)之一。托馬斯·阿米諾夫介紹，對(duì)于該型船船體的浮力、阻力和穩(wěn)性，設(shè)計(jì)人員主要關(guān)注前兩點(diǎn)，以盡可能提高其能效；穩(wěn)性問題則通過穩(wěn)定系統(tǒng)來解決。

為此，技術(shù)人員首先決定采用某種由計(jì)算機(jī)控制的平衡裝置，如一些游艇、工作船使用的陀螺穩(wěn)定器或郵輪采用的穩(wěn)定翼——事實(shí)上后者主要用于提高乘客的舒適度而不是船體穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，基于可靠性方面的考慮，技術(shù)人員將浮筒作為了備用設(shè)備，其在天氣惡劣或船舶停電時(shí)才會(huì)自動(dòng)下降并接觸水面，為該型船提供額外的穩(wěn)性。

“Super Eco Ship 2050”新概念船設(shè)計(jì)效果圖

Super Eco Ship 2050”的浮筒裝置

智能航運(yùn)

日本郵船表示，預(yù)計(jì)到2050年，港口設(shè)施建設(shè)將取得重大進(jìn)展，屆時(shí)“Super Eco Ship 2050”的其他功能如自動(dòng)系泊、靠泊等將得以發(fā)揮作用，從而實(shí)現(xiàn)船—港乃至船—船的貨物運(yùn)轉(zhuǎn)，以使船舶靠港時(shí)間最小化。據(jù)悉，盡管該型船49米的寬度對(duì)某些港口而言有些過寬，但其能夠通過新的巴拿馬運(yùn)河。就服務(wù)航速而言，該型船與目前的汽車滾裝船相同。

在智能航運(yùn)領(lǐng)域，該船型無疑會(huì)增加船岸交互，并為船舶“數(shù)字雙胞胎”及航線優(yōu)化等技術(shù)做好準(zhǔn)備。不過，盡管日本郵船認(rèn)為該型船的船員要少于目前運(yùn)營的船舶，但并未將其設(shè)定為遠(yuǎn)程操控或自動(dòng)駕駛的無人船。

有觀點(diǎn)認(rèn)為，智能航運(yùn)意味著船員人數(shù)較少，因而要避免裝船使用內(nèi)燃機(jī)等需要大量維護(hù)工作的傳統(tǒng)設(shè)備。對(duì)此，托馬斯·阿米諾夫個(gè)人認(rèn)為，在當(dāng)前的環(huán)保熱潮中，內(nèi)燃機(jī)往往被誤認(rèn)為不夠環(huán)保，但其實(shí)這種傳統(tǒng)設(shè)備非常善于適應(yīng)新燃料，在未來一段時(shí)間內(nèi)還有望繼續(xù)裝船使用。尤其是在現(xiàn)階段，燃料電池與其相比盡管能效略高，但其實(shí)差異不大。

新技術(shù)展望

托馬斯·阿米諾夫介紹，就“Super Eco Ship 2050”的可行性而言，在項(xiàng)目開展之初，技術(shù)人員就已設(shè)想到，該型船約三分之一的新技術(shù)將在2050年實(shí)現(xiàn)，還有三分之一有望提前實(shí)現(xiàn)，剩余部分則永遠(yuǎn)不會(huì)實(shí)現(xiàn)。

即便如此，媒體對(duì)“Super Eco Ship 2050”仍很感興趣。參加日本郵船該型船新聞發(fā)布會(huì)的記者，比該公司近兩三年中任何一次發(fā)布會(huì)的記者人數(shù)都多。

展望未來的技術(shù)發(fā)展，托馬斯·阿米諾夫表示，要實(shí)現(xiàn)從當(dāng)下到真正無碳航運(yùn)的巨大跨越，還需要更多陸用技術(shù)的支撐。如，電網(wǎng)能否提供足夠多的低碳或零碳電能，用于電解產(chǎn)生氫、氨或甲醇等船用新能源？“另一方面，預(yù)計(jì)到2030年，太陽能和風(fēng)能有望成為最廉價(jià)的新能源。如果這一預(yù)言成真，那么它們同樣將是最廉價(jià)的無碳能源，可以實(shí)船使用，幫助實(shí)現(xiàn)零碳航運(yùn)?！?/p>