風(fēng)帆助航，下一個(gè)技術(shù)熱點(diǎn)？

中國(guó)船舶信息中心 馮書桓

風(fēng)能在船上的應(yīng)用已有數(shù)千年的歷史。如今船舶通過改善發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排幾乎已達(dá)到極致，而利用清潔、可再生的風(fēng)能或太陽(yáng)能作為輔助能源推進(jìn)船舶已成為各國(guó)新的研究方向，以在保持船舶航速不變的同時(shí)減小燃油消耗，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

風(fēng)帆船舶概述

古代船舶風(fēng)帆主要為軟質(zhì)帆，按船舶桅桿數(shù)可分為單桅帆船、雙桅帆船和多桅桿帆船等，通常為單體船，也有少數(shù)抗風(fēng)浪能力較強(qiáng)的雙體船，主要靠帆具借助風(fēng)力航行，靠槳、櫓和篙作為無風(fēng)時(shí)起航、推進(jìn)和靠泊的手段。20世紀(jì)，隨著內(nèi)燃機(jī)和蒸汽機(jī)在船舶上的大量使用，風(fēng)帆在船舶貨物運(yùn)輸領(lǐng)域逐漸退出了歷史舞臺(tái)，但卻作為一種娛樂活動(dòng)保留了下來。帆船運(yùn)動(dòng)起源于16～17世紀(jì)的荷蘭，19世紀(jì)英美等國(guó)紛紛成立帆船俱樂部，1900年在第二屆奧運(yùn)會(huì)上被列為比賽項(xiàng)目。近年來，隨著IMO限硫令與溫室氣體減排戰(zhàn)略的實(shí)施，船東對(duì)新燃料、新能源技術(shù)興趣不斷提升。風(fēng)帆助航技術(shù)經(jīng)過了長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，目前船上應(yīng)用的技術(shù)可分為以下幾類：

一是翼型風(fēng)帆。翼型風(fēng)帆剖面與機(jī)翼相似，按其剖面形狀可分為層流型、圓弧型、普通型、臥背型等。常見的包括矩形帆和三角形帆，可采用液壓裝置對(duì)風(fēng)帆的展縮與角度進(jìn)行控制，最早在競(jìng)爭(zhēng)激烈的美洲杯帆船賽上應(yīng)用，后逐步擴(kuò)展到商船。由于翼型風(fēng)帆會(huì)帶來一定程度的視野遮擋，所以通常會(huì)設(shè)置一根帶有攝像機(jī)的前桅保證船只的視野。

二是天帆。天帆形似風(fēng)箏，由牽引繩索與船體相連，下掛控制吊艙，裝有控制器件與驅(qū)動(dòng)器件，以控制風(fēng)帆飛行姿態(tài)，是專門為現(xiàn)代商船開發(fā)的技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于可有效利用上層穩(wěn)定而強(qiáng)勁的風(fēng)力，且不占用甲板面積，不影響船舶主尺度。

三是轉(zhuǎn)筒帆。轉(zhuǎn)筒帆由可以旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)筒和轉(zhuǎn)筒兩端的端板構(gòu)成，其原理為瑪格努斯效應(yīng)，即圓柱體在流動(dòng)的氣流中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直于氣流方向的橫向力，推動(dòng)船舶前進(jìn)。

圖1 翼型風(fēng)帆

圖2 天帆

圖3 轉(zhuǎn)筒帆

風(fēng)帆助航技術(shù)實(shí)船應(yīng)用情況

自上世紀(jì)70年代末80年代初以來，受能源危機(jī)影響，日、美、英、法、荷蘭等國(guó)相繼開展了新型風(fēng)帆船舶的研究和開發(fā)工作。歐美各國(guó)的研究主要側(cè)重于“帆主機(jī)從”的方式，即以風(fēng)帆作為主要?jiǎng)恿碓?，?nèi)燃機(jī)作為補(bǔ)充；日本則側(cè)重于“機(jī)主帆從”，以風(fēng)帆作為補(bǔ)充。

圖4 “新愛德丸”號(hào)

圖5 “海翼”風(fēng)帆裝置

日本于1980年建成世界上第一艘翼型風(fēng)帆助航船舶“新愛德丸”號(hào)，該船由翼型風(fēng)帆所節(jié)省的主機(jī)功率達(dá)11%～14%，效果非常顯著。此后，日本又陸續(xù)建造了“扇蓉丸”“日產(chǎn)丸”“日德丸”等風(fēng)帆助航貨船，在千噸和萬噸級(jí)遠(yuǎn)洋船舶上也進(jìn)行了試驗(yàn)。上世紀(jì)90年代，日本還在一些噸位較小的遠(yuǎn)洋船舶上開展了硬質(zhì)帆的實(shí)船試驗(yàn)，但因石油價(jià)格下跌，技術(shù)不完善和操作復(fù)雜等原因沒有得到進(jìn)一步推廣。

近年來隨著IMO溫室氣體減排戰(zhàn)略的推進(jìn)，日本再次加大了對(duì)風(fēng)帆技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的力度。2019年6月，日本航運(yùn)巨頭川崎汽船與法國(guó)船舶自動(dòng)風(fēng)帆動(dòng)力研發(fā)商Airseas公司簽署為期20年的協(xié)議，為川崎汽船的一艘船安裝“海翼”（Seawing）風(fēng)帆裝置并提供服務(wù)，意向訂購(gòu)50套。該裝置能實(shí)現(xiàn)超過20%的燃料節(jié)約和污染減排，以好望角船為例，每年可減少5200噸二氧化碳排放。

2019年10月，日本商船三井宣布與日本東北電力公司合作，在煤炭運(yùn)輸船上安裝風(fēng)帆動(dòng)力裝置，為東北電力公司的火力發(fā)電廠運(yùn)輸煤炭。據(jù)悉，裝置將使用硬翼型帆，是商船三井與大島造船主導(dǎo)的“Wind Challenger Project”的關(guān)鍵技術(shù)，2019年10月初獲得日本船級(jí)社（NK）頒發(fā)的原則性批準(zhǔn)。該技術(shù)能使每次航行的燃料消耗降低5%至8%，預(yù)計(jì)日本-澳大利亞航線上將能減少5%的溫室氣體排放，日本-北美西海岸航線上能夠削減8%的溫室氣體排放。如果搭載4個(gè)風(fēng)帆裝置，船舶最多將能夠減少30%的能源消耗。

2019年11月，歐盟啟動(dòng)了風(fēng)帆助航船舶計(jì)劃（Wind Assisted Ship Project， WASP項(xiàng)目），通過歐洲區(qū)域發(fā)展基金為相關(guān)技術(shù)發(fā)展提供540萬歐元資金支持，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員包括船東、高校、科研機(jī)構(gòu)等。據(jù)估計(jì)，直接將風(fēng)力助航系統(tǒng)安裝在現(xiàn)有船舶上可減少5%～20%的燃料和排放，若通過改裝或優(yōu)化新船設(shè)計(jì)，燃料消耗和溫室氣體排放減少可達(dá)30%。WASP項(xiàng)目將通過實(shí)船應(yīng)用為市場(chǎng)和政策制定者提供相關(guān)運(yùn)營(yíng)參數(shù)、燃料節(jié)省和商業(yè)模式相關(guān)信息，以加速航運(yùn)業(yè)去碳化進(jìn)程。

我國(guó)自80年代開始在廣東、浙江、上海、山東、武漢等地相繼開展了翼型風(fēng)帆的研究工作，1990年5月建成第一艘電子控制的全自動(dòng)3000噸風(fēng)帆貨輪，但總體上研究主要集中于小型內(nèi)河與沿海船舶。近年來受IMO政策影響，我國(guó)提高了對(duì)風(fēng)帆助航船舶技術(shù)研發(fā)與實(shí)船應(yīng)用的支持力度。2018年10月，由大連船舶重工集團(tuán)為招商輪船建造的30萬噸VLCC風(fēng)帆樣機(jī)完成實(shí)船試驗(yàn)，該試驗(yàn)是我國(guó)首次在大型遠(yuǎn)洋船舶上應(yīng)用風(fēng)帆，充分證明了翼型風(fēng)帆在超大型船舶節(jié)能減排方面的有效性，不論從風(fēng)帆樣機(jī)的尺寸，還是所安裝船舶的噸位，均為國(guó)際領(lǐng)先，標(biāo)志著我國(guó)在船舶風(fēng)力資源推廣應(yīng)用方面取得重要進(jìn)展。目前，翼型風(fēng)帆二期項(xiàng)目正在穩(wěn)步推進(jìn)中。

圖7 2019年11月，歐盟啟動(dòng)了風(fēng)帆助航船舶計(jì)劃（Wind Assisted Ship Project, WASP項(xiàng)目)

圖8 翼型風(fēng)帆VLCC

風(fēng)帆助航技術(shù)在國(guó)際海事工業(yè)界中的討論

一是關(guān)于IMO關(guān)于溫室氣體減排的討論。風(fēng)帆助航技術(shù)近年來的蓬勃發(fā)展與IMO推動(dòng)溫室氣體減排戰(zhàn)略密切相關(guān)。推動(dòng)海事工業(yè)界節(jié)能減排的呼聲由來已久，早在1997年召開的聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約（UNFCCC）締約方第三次會(huì)議的決議附錄中，就提出了“國(guó)際航運(yùn)界應(yīng)和國(guó)際航空界一起在專業(yè)國(guó)際機(jī)構(gòu)的指導(dǎo)下，致力于減少溫室氣體的排放量”的要求。按照該項(xiàng)要求，國(guó)際海事組織在2003年第23次大會(huì)上通過了“國(guó)際海事組織關(guān)于船舶溫室氣體減排的政策和實(shí)踐”的大會(huì)決議 A.963（23）；2018年4月9日至13日，國(guó)際海事組織（IMO）海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（MEPC）第72屆會(huì)議上以第 MEPC.304（72）號(hào)決議通過了《IMO船舶溫室氣體減排初步戰(zhàn)略》，該初步戰(zhàn)略從背景、愿景、減排力度和指導(dǎo)原則、短期/中期/長(zhǎng)期候選減排措施及其影響、存在的障礙及支持性措施、后續(xù)行動(dòng)、定期審議等7個(gè)方面，對(duì)國(guó)際航運(yùn)業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)作了總體安排，旨在與氣候變化協(xié)定《巴黎協(xié)定》中規(guī)定的溫控目標(biāo)保持一致，推動(dòng)國(guó)際航運(yùn)業(yè)盡快減排，并在本世紀(jì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫室氣體零排放。這是全球航運(yùn)業(yè)首次為應(yīng)對(duì)氣候變化制定的溫室氣體減排目標(biāo)，向國(guó)際社會(huì)傳遞出航運(yùn)業(yè)加快向低碳轉(zhuǎn)型的強(qiáng)有力信號(hào)。以此為背景，當(dāng)前國(guó)際海事組織正在不斷推進(jìn)溫室氣體減排的技術(shù)手段（改善新建造船舶的能效）、操作手段（減速航行、最佳航線選擇等）、基于市場(chǎng)機(jī)制的經(jīng)濟(jì)手段（燃油附加稅、排放權(quán)交易機(jī)制等）的研究和制定工作。

IMO溫室氣體減排戰(zhàn)略帶來了市場(chǎng)需求的變化，影響了產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局，新燃料、新能源技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用成為船東以及整個(gè)海事工業(yè)最為關(guān)心的話題。目前較為成熟的船舶溫室氣體減排技術(shù)發(fā)展方向包括：LNG、LPG、甲醇、生物燃料、氫、風(fēng)帆助航、電池、燃料電池等。

二是關(guān)于風(fēng)帆的討論。除風(fēng)帆助航外，大部分新燃料和新能源技術(shù)的市場(chǎng)供應(yīng)機(jī)制和產(chǎn)業(yè)鏈尚待形成，岸上基礎(chǔ)設(shè)施需要進(jìn)一步建設(shè)，且LNG、LPG、甲醇、氫等在生產(chǎn)環(huán)節(jié)本身就會(huì)產(chǎn)生溫室氣體或其他廢氣，因此對(duì)環(huán)保的貢獻(xiàn)程度有限。風(fēng)帆作為船舶的動(dòng)力來源歷史悠久，工業(yè)界積累了大量經(jīng)驗(yàn)，前期實(shí)船應(yīng)用已經(jīng)證明可有效減少燃料消耗與溫室氣體和廢氣排放。在價(jià)格方面，風(fēng)帆助航裝置的成本主要集中在安裝和維護(hù)，運(yùn)營(yíng)過程中盡管需要船舶提供電能，但并不會(huì)帶來明顯的燃料消耗，所占比例幾乎可以忽略不計(jì)。風(fēng)帆的使用不涉及到岸上基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，但需要對(duì)船員進(jìn)行相應(yīng)的培訓(xùn)。法規(guī)方面，SOLAS公約允許使用風(fēng)能作為船舶動(dòng)力來源，但不可是唯一來源，否則無法滿足安全性和現(xiàn)代商業(yè)對(duì)貨物運(yùn)輸時(shí)間的嚴(yán)格要求。當(dāng)前針對(duì)風(fēng)帆助航裝置的設(shè)計(jì)和建造并無國(guó)際法規(guī)或船級(jí)社規(guī)范的要求。

圖9 IMO MEPC 72

圖10 會(huì)場(chǎng)外標(biāo)語(yǔ)“IMO，不要讓巴黎公約沉入海底”

IMO規(guī)定的EEDI指數(shù)計(jì)算為新技術(shù)的應(yīng)用留下了空間，風(fēng)帆技術(shù)也可在船舶能效中體現(xiàn)出來。值得一提的是，在風(fēng)帆領(lǐng)域國(guó)際海事規(guī)則制定方面，我國(guó)結(jié)合國(guó)內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn)積極發(fā)聲，傳遞中國(guó)智慧。在2019年5月召開的國(guó)際海事組織環(huán)境保護(hù)委員會(huì)第74屆會(huì)議（IMO MEPC 74）上，我國(guó)結(jié)合翼型風(fēng)帆在VLCC上的實(shí)船應(yīng)用案例，向大會(huì)提交了《基于風(fēng)洞模型試驗(yàn)獲取船舶風(fēng)力推進(jìn)系統(tǒng)風(fēng)力矩陣方法》技術(shù)主提案和《針對(duì)IMO若干通函中風(fēng)推進(jìn)系統(tǒng)相關(guān)評(píng)估框架補(bǔ)充與修改的建議》信息提案，就風(fēng)力推進(jìn)系統(tǒng)風(fēng)力矩陣獲取方法及風(fēng)帆技術(shù)應(yīng)用過程中遇到的法規(guī)適用問題提出相關(guān)修訂完善建議，并把我國(guó)關(guān)于風(fēng)帆系統(tǒng)在超大型船舶上應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)全面分享給全球海事業(yè)界，引起IMO對(duì)船舶輔助動(dòng)力技術(shù)應(yīng)用的關(guān)注，并將在2020年召開的MEPC75次會(huì)議作進(jìn)一步討論。

風(fēng)帆作為船舶動(dòng)力裝置在船上的應(yīng)用已有幾千年的歷史。現(xiàn)代風(fēng)帆助航技術(shù)的發(fā)展與能源市場(chǎng)供應(yīng)和國(guó)際海事規(guī)則變動(dòng)密切相關(guān)。隨著IMO MEPC 72次會(huì)議上通過《IMO船舶溫室氣體減排初步戰(zhàn)略》，風(fēng)帆以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)重新受到了海事工業(yè)界的關(guān)注。目前，國(guó)際海事法規(guī)的修訂、技術(shù)開發(fā)、實(shí)船應(yīng)用都在如火如荼開展之中，日本、歐洲、中國(guó)均在加大投入，風(fēng)帆助航有望成為海事工業(yè)界新的技術(shù)熱點(diǎn)。