將概念想法變成革命創(chuàng)新

本刊記者 趙 博

在前一篇文章中，我們大致了解了當(dāng)前正在航運業(yè)中開展的清潔能源船舶項目或技術(shù)，并可從中了解海事界的節(jié)能減排新動向。在這一部分文章中，我們選擇其中四個項目，將更詳細的信息展示給讀者。

“ZEEDS”倡議：暢想未來

“ZEEDS”倡議設(shè)想看似科幻，但可能是對未來的最好投資。

由瓦錫蘭牽頭領(lǐng)導(dǎo)的“ZEEDS”倡議（海上零排放能源分配倡議）設(shè)想了這樣一種未來：海上航線和設(shè)施可以像陸路交通和設(shè)施一樣被有效組織，在這個廣泛的網(wǎng)絡(luò)下，風(fēng)能生產(chǎn)清潔能源，船舶在海上補充燃料，整個海上清潔燃料的生產(chǎn)/分配中心和生態(tài)系統(tǒng)將被戰(zhàn)略性地部署在全球各地。

“ZEEDS”倡議下的海上加注設(shè)想圖在“ZEEDS”倡議設(shè)想下，未來的樞紐設(shè)施由設(shè)置在海上風(fēng)力渦輪機旁邊的燃料中心組成，每個設(shè)施由約75臺大型風(fēng)力發(fā)電機提供動力，另為有效利用海洋能源，太陽能和海浪技術(shù)也可被視為潛在應(yīng)用。這些樞紐在淺水區(qū)被設(shè)計成以重力為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)，而在深水區(qū)則被設(shè)計為半潛式漂浮結(jié)構(gòu)。

燃料中心被建造成雙層平臺，風(fēng)力渦輪機產(chǎn)生的能量將用于從海水中生產(chǎn)氫氣（平臺第一層），而在第二層平臺，氨燃料將被制出（由提取的氫氣和氮氣制成）并有效儲存、使用。值得一提的是，氨將被存儲在平臺上或使用水壓將燃料液體儲于海底儲罐中。盡管“ZEEDS”倡議的重點是綠色氨燃料，但在未來可能也包括氫或液態(tài)沼氣等燃料的生產(chǎn)。

這或許是業(yè)界實現(xiàn)零排放運輸?shù)淖羁焱緩街?。在“ZEEDS”倡議中，加注船隊可以由一種能源供應(yīng)船（EPV）組成，這些運力自載燃料為待加注船提供動力源，并在主樞紐平臺或燃料儲存基地周圍的50海里范圍內(nèi)自由航行。無人機從EPV上面引出加油軟管，并使其與接收單元配合。在設(shè)想中，預(yù)計加注時長為兩小時（兩船以六節(jié)的速度航行）。

瓦錫蘭表示 ：“ ‘ZEEDS’倡議希望將航運業(yè)向碳中和運輸?shù)倪^渡提高到更高水平。海事行業(yè)需要進行全面轉(zhuǎn)型。也就是說，除船隊轉(zhuǎn)型外，還需要解決從加油和分銷開始供應(yīng)鏈及物流環(huán)節(jié)的問題，因此需要快速建立起能夠支持全球船隊加注的基礎(chǔ)設(shè)施?！?/p>

在“ZEEDS”倡議設(shè)想下，氨將利用水壓存儲在海底儲罐中，以保持燃料液體的狀態(tài)，隨后通過加油浮標(biāo)將其帶出水面并有EPV加注。“這種方法旨在避免在主樞紐區(qū)域內(nèi)發(fā)生‘交通擁堵’，且船只將減少對港口加注的依賴度，有助于環(huán)節(jié)港口擁塞，降低運輸總時長。”

據(jù)瓦錫蘭透露，“ZEEDS”倡議最初是為北海和波羅的海區(qū)域暢想的，因該區(qū)域可再生能源開發(fā)已經(jīng)非常先進?！?5臺風(fēng)力渦輪機每天將能夠支撐2500立方米的氨制取，這個數(shù)量足以為147艘船服務(wù)。而通過五個樞紐供應(yīng)，我們可為大約750艘船提供燃料支持，這相當(dāng)于北海和波羅的海區(qū)域船隊數(shù)量的50%?！?/p>

“這是對未來的最好投資?！蓖咤a蘭表示，可以將相同的模型移植到遠洋運輸中，“雖然我們不能在一夜之間獲得成功，但我們正在尋找更多區(qū)域和不同的解決方案，用更少的船只為更多的船舶加注氨燃料?！?/p>

將電池系統(tǒng)裝入集裝箱

集裝箱式電池儲能系統(tǒng)或許是又一次集裝箱化革命。

馬士基與Trident Maritime Systems合作制造的一種600千瓦時集裝箱式船舶電池儲能系統(tǒng)可被置于集裝箱船上，為其以提供所需動力。這種電池已被安裝在載箱量為4500TEU的“馬士基·開普敦”輪上（Maersk Cape Town）。

這項試驗有助于加深業(yè)界對儲能系統(tǒng)的了解，支持集裝箱船隊和港口碼頭進一步電氣化進程。這是業(yè)內(nèi)首例測試電池儲能系統(tǒng)的試驗，在將展示電池技術(shù)不斷改善船舶性能的同時，還可以減少非動力推進電氣系統(tǒng)的油耗。這套集裝箱式船舶電池儲能系統(tǒng)的大部分設(shè)備存放于40英尺集裝箱內(nèi)，包括6支電池架（包含108個電池模塊）、功率轉(zhuǎn)換裝置和變壓器（用以改變船上使用的交流電和電池所需的直流電之間的電壓）、邏輯控制器，以及一個用來管理電池箱和電池系統(tǒng)之間的連接和電流的斷路器。與此同時，內(nèi)置的溫控和通風(fēng)系統(tǒng)可以使所有部件保持在恰當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟确秶畠?nèi)。這個40英尺集裝箱被安置于“馬士基·開普敦”輪艉部的系泊甲板上方。

該系統(tǒng)可以在電力負荷快速變化期間（如船舶推進器運行），支持高達1800千伏安發(fā)電機輸出功率，從而減少發(fā)電機的維護要求，并能夠提供冗余電源，確保連續(xù)供電，提高航行可靠性。同時提高電氣系統(tǒng)（如船舶發(fā)電機）效率，將船舶輔助發(fā)電機維持在最佳負荷狀態(tài)，避免其在不需要時運行，進而降低總體燃料油消耗。

這次馬士基在“馬士基·開普敦”輪上進行的電池試驗，旨在測試這項技術(shù)的價值，并幫助業(yè)界建立對如何最大限度地利用這項技術(shù)的理解?！榜R士基·開普敦”輪上使用的廢熱回收系統(tǒng)是其旗下很多集裝箱船特有的系統(tǒng)，可將動力裝置廢氣排放系統(tǒng)中的熱能進行轉(zhuǎn)化，并給電池充電，從而提高船隊整體收益，預(yù)計將大大減少輔助發(fā)動機的運轉(zhuǎn)時間，而更有效的發(fā)動機負載，或?qū)崿F(xiàn)260噸燃料油/年的節(jié)省效果(以“馬士基·開普敦”輪為例)，更重要的是，對于現(xiàn)役的3E型集裝箱船而言，也將有相同比例的燃料油節(jié)約。除減少燃料油消耗和溫室氣體排放，這套集裝箱式船舶電池儲能系統(tǒng)還強調(diào)了船舶噪音污染的降低。

“馬士基·開普敦”輪上的集裝箱式電池儲能系統(tǒng)外觀

“馬士基·開普敦”輪上的集裝箱式電池儲能系統(tǒng)內(nèi)部圖

Trident Maritime Systems則表示，電池儲能系統(tǒng)可以被用在除船隊之外的馬士基集團旗下運營的其它相關(guān)資產(chǎn)，比如碼頭領(lǐng)域。碼頭運營和船舶運營非常相像，電力發(fā)揮至關(guān)重要的作用，其照明、岸吊、集疏運、軟件系統(tǒng)、冷藏箱堆場運轉(zhuǎn)均需要電力支持，而且相較于船舶減排，港口減排的方式較少，例如船舶在當(dāng)前可以通過切換燃料油、調(diào)整航速等多種即時可行的方式減排、增益，而港口減排的方法多被聚焦于岸電技術(shù)，且碼頭自動化的建設(shè)投資非常大，成本回收周期長，因此將船用電池儲能系統(tǒng)的試驗成果和實踐經(jīng)驗復(fù)制到碼頭運營，或是業(yè)界期待。相信在未來，電池儲能也將成為一種成本可行的港口解決方案。而其他類型船舶（如拖輪和打撈船）也可以了解并使用這種電池儲能系統(tǒng)，從而最大限度地在其發(fā)揮的效益中獲得更多收益。

“NYK Super Eco Ship 2050”概念船：既用氫，也很輕

這艘氫能概念船的設(shè)計獨特，且用新材料降低了船體重量。

日本郵船研發(fā)的“NYK Super Eco Ship 2050”概念船除使用氫燃料作為電力推進裝置外，還通過減輕船體重量、應(yīng)用太陽能電池板等方式促進脫碳。這艘概念船以汽車運輸船為模型，設(shè)計采用創(chuàng)新技術(shù)，通過改造船體減少水摩擦、降低船體重量、引入用于電池并依賴其他高效推進設(shè)備，使得運營船舶所需動力減少70%。船舶動力將來自于太陽能和可再生能源產(chǎn)生的氫氣，二氧化碳排放量降至為零。

在燃料創(chuàng)新方面，“NYK Super Eco Ship 2050”概念船中的氫基由可再生能源生產(chǎn)，氫氣儲罐容量為1900立方米，可提供21天的續(xù)航能力。由于儲氫裝備較為昂貴，該船也可通過約9000平方米的太陽能板提供額外動力，其能動轉(zhuǎn)化率約為45%，可提供約15%的船舶動力。

該概念船船體重量已經(jīng)通過動態(tài)的數(shù)學(xué)設(shè)計優(yōu)化，使用輕質(zhì)材料作為上部結(jié)構(gòu)，船上安裝計算機控制的設(shè)備，從而為輕質(zhì)船體提供主動穩(wěn)定性。另外，該船還采用了空氣潤滑系統(tǒng)，有效降低船舶底部和海水之間的摩擦阻力。在港口停留期間，自動船體清潔系統(tǒng)可以防止對船舶效率產(chǎn)生任何負面影響。同時，概念船通過操作多個類似翼片的鰭片而非傳統(tǒng)螺旋槳來提高推進效率。

具體而言，“NYK Super Eco Ship 2050”概念船有幾點特別之處。在正常情況下，船舶配備的浮箱（Pontoon）高于水面以使阻力最小化，但在特殊情況下，浮箱會下沉到海面以提供額外的穩(wěn)定。由計算機系統(tǒng)控制的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器將安裝在船舶底部，以提供穩(wěn)定性。常規(guī)的螺旋槳被模仿金屬膜片運動襟翼代替，這會給船舶提供更高的動力效率。在船舶航行期間，潤滑系統(tǒng)產(chǎn)生的氣泡會從船底釋放，以減少海水與船體之間的摩擦阻力。船體清潔機器人的作用則在于船舶在港停留期間自動清潔船體，以減少下次航行時可能造成的船舶阻力，并將收集到的雜質(zhì)回交給港口防污系統(tǒng)處理。

“NYK Super Eco Ship 2050”概念船效果圖

船舶新材料創(chuàng)新

船舶配備的浮箱位置

創(chuàng)新的襟翼設(shè)計

可提供額外動力的太陽能電池板

高效的貨物裝卸能力也是“NYK Super Eco Ship 2050”概念船的特點，可同時進行“船對泊”和“船對船”操作，節(jié)省港口資源。得益于岸上基礎(chǔ)設(shè)施的改善，“NYK Super Eco Ship 2050”概念船還配備了自動系泊系統(tǒng)，從而最大限度地減少在港停留時間。

“風(fēng)挑戰(zhàn)者”與“風(fēng)捕捉者”：借風(fēng)揚帆

商船三井進一步創(chuàng)新探索，尋求風(fēng)能在海事界的新應(yīng)用。

商船三井與大島造船株式會社設(shè)計的硬帆系統(tǒng)利用伸縮式硬帆可將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為船舶推進力，被認為是“風(fēng)挑戰(zhàn)者”項目的基礎(chǔ)技術(shù)。這套硬帆系統(tǒng)將應(yīng)用于運煤船，為日本東北電力公司的熱力工廠運輸煤炭，其安裝的風(fēng)帆能夠根據(jù)風(fēng)的強度在四個階段進行自動伸縮，并能自動旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整到可以充分利用風(fēng)力的方向。

全球首艘安裝有硬帆系統(tǒng)的運煤船預(yù)計在2022年后投入運營，根據(jù)評估，該船在日本-澳大利亞航線上的溫室氣體排放量可減少約5%，在日本-北美西海岸航線上減少約8%。

“風(fēng)挑戰(zhàn)者”項目船舶概念圖

商船三井表示：“從船用發(fā)動機角度來看，燃料從碳基轉(zhuǎn)變?yōu)榉翘蓟剂匣蛟S是未來航運業(yè)的主流，但這些燃料將非常昂貴，而風(fēng)力節(jié)能技術(shù)在任何時代都具有市場競爭力。而且‘風(fēng)挑戰(zhàn)者’項目的硬帆角度和高度是由全覆蓋的傳感器全自動控制，可確保冗余度。之所以選擇硬帆而不是旋筒風(fēng)帆，我們考慮的是在相同風(fēng)況下，機翼形風(fēng)帆產(chǎn)生的推力比轉(zhuǎn)子大，當(dāng)然由于成本，硬帆系統(tǒng)無法覆蓋所有船舶，因此旋筒風(fēng)帆技術(shù)未來也是我們的選擇之一?！?/p>

在開發(fā)過程中，商船三井解決了諸多問題。如“風(fēng)挑戰(zhàn)者”項目使用纖維增強復(fù)合材料（FRP）減輕系統(tǒng)重量。

“風(fēng)捕捉者”項目是對“風(fēng)挑戰(zhàn)者”項目的進一步創(chuàng)新探索，最終目的是實現(xiàn)船舶零排放，它結(jié)合了風(fēng)力推進航行技術(shù)和通過風(fēng)能轉(zhuǎn)換產(chǎn)生穩(wěn)定氫氣供應(yīng)的技術(shù)，將風(fēng)能和燃料電池與電解槽產(chǎn)生的氫氣結(jié)合起來（電解槽的電力由風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生），使船舶能夠在強風(fēng)氣候下捕獲風(fēng)能，并在低風(fēng)速段的航行過程中產(chǎn)生氫氣，保證船舶常規(guī)航行。

商船三井表示：“我們將繼續(xù)進行‘建造更大尺寸船舶’的探索，并將必要的關(guān)鍵設(shè)備（如電解水槽、燃料電池、MCH發(fā)電機、脫氫發(fā)電機）裝在船上，而新技術(shù)的特征之一是在船上制造氫氣，并且可以將其轉(zhuǎn)化為推進力以及必要的電力。同時，商船三井提出了‘到2030年部署具有零溫室氣體凈排放的商業(yè)深海船舶’目標(biāo)，并加快我們在五個方面的行動以實現(xiàn)路線圖策略?！?/p>

行業(yè)對綠色船舶充滿了期望。但從客觀上講，這是新事物。其發(fā)展面臨一些挑戰(zhàn)，如法規(guī)、燃料安全等。“就‘風(fēng)捕捉者’項目而言，我們目前關(guān)注的問題之一是對船上處理氫氣沒有特定的類別/標(biāo)志要求，行業(yè)必須深切關(guān)注安全方面?！睋?jù)悉，商船三井將使用一艘帆船演示該概念的可行性，驗證一系列循環(huán)操作的功能和性能，即渦輪發(fā)電、制氫/儲氫和燃料電池相關(guān)推進。未來，該項目團隊還計劃研究如何將海上產(chǎn)生的氫氣供應(yīng)陸上使用，以創(chuàng)造一個完全沒有任何溫室氣體排放的零排放運輸系統(tǒng)。

“風(fēng)挑戰(zhàn)者”項目船舶硬帆系統(tǒng)

“風(fēng)捕捉者”項目船舶靜態(tài)示意圖