綠色船舶理念與船舶動力技術發展

吳中強

(武漢交通職業學院,湖北 武漢 430065)

當今世界由于消耗石油資源而帶來的氮氧化物、硫氧化物及二氧化碳等溫室氣體排放所造成的環境污染及全球變暖趨勢已經產生了嚴重的生態危機并引起了廣泛的關注。自 2009年 12月 7日聯合國哥本哈根氣候變化大會召開以來,經濟發展模式向“低碳經濟”轉型已成為全球發展的總趨勢,各國都加快了發展“低碳經濟”的速度來提高自己的競爭力。在目前民用船舶依然是以采用消耗傳統石油能源為主的動力裝置的情況下,其節能減排壓力依然不小。

一、當今船舶動力技術發展面臨的挑戰

國際海事組織的研究報告認為,全球航運業目前每年消耗 20億桶燃油,排放超過 12億噸的二氧化碳,約占全球總排放量的 6%。業內人士預測,到 2020年全球航運業的溫室氣體排放量將在目前基礎上增加 75%。這一情況日益成為國際社會關注的焦點之一。為此,國際海事組織出臺了一系列有關節能減排的新規則。比如 EEDI(能效設計指數)、Tier系列標準 (柴油機排放標準)等,船舶動力裝置的節能減排首當其沖。

在此背景下,船舶動力技術面臨的挑戰也愈加嚴峻,各國紛紛通過技術創新,研究發展安全、環保、節能的“綠色船舶動力技術”。

二、綠色船舶的理念及內涵

所謂“綠色”理念就是人類所從事的一切活動都要以保護人類健康和賴以生存的環境為本,以促進經濟社會的可持續發展為目的。綠色船舶就是在整個生命周期中 (從設計、制造、營運、到最后報廢拆解的整個過程),通過采用先進的綠色技術,最大程度上實現其低能耗、低排放、低污染、高能效、安全環保的功能目標,同時能經濟地滿足用戶的要求,并節省資源和能源,且對生產者和使用者具有良好保護的船舶。綠色船舶的打造必須靠綠色船舶技術來保證。綠色船舶技術的核心就是環境友好型和資源節約型技術,而船舶動力技術又是綠色船舶技術中能否實現“綠色”的關鍵。由于在目前技術條件下,船舶動力技術要實現真正意義上的無污染、零排放的綠色技術還有一定的難度,因此,綠色船舶動力技術的發展大致要經歷三個階段:第一階段是節約能源、節約資源、減少排放;第二階段是高效能源、高效資源、輕度污染;第三階段是再生能源、循環資源、沒有污染。

三、新型綠色船舶動力技術研發現狀

為了更好地應對日益嚴格的環保要求,更加積極主動地應對未來船舶市場的需求,世界各大船舶研究機構、先進造船企業以及相關機構都在加大研發力度,不斷推出滿足綠色船舶要求的新技術、新動力等。

(一)傳統能源船舶動力裝置的綠色技術研發

目前民用船舶動力裝置以使用傳統石油能源的柴油機動力裝置為主,其綠色技術的研發主要以節能減排為突破口。主要有以下幾方面。

1.節能減排技術

節能減排技術的目的是通過優化技術來改善柴油機的燃燒效果和控制柴油機廢氣排放量和排放物以提高柴油機能效從而實現節能減排。節能減排技術主要包括前端 (燃燒端)技術和后端 (排氣端)技術。前端技術是通過優化柴油機燃油噴射和燃燒過程以及優化進氣過程來達到提高柴油機燃燒能效從而實現節能減排的目的。該技術主要包括有電控高壓共軌噴射技術和柴油機增壓中冷技術以及高品質燃油技術 (低硫燃油、乳化柴油等)、雙燃料技術、臭氧助燃氣體技術、汽缸潤滑優化技術和掃氣加濕技術等來提高柴油機功率和效率,從而提高柴油機能效和降低排放。后端技術是通過控制柴油機排放技術和余熱綜合回收利用技術來實現節能減排。此類技術包括控制排放的廢氣再循環技術 (可有效降低氮氧化物的排放)、排氣后處理技術 (包括二氧化碳收集技術、催化氧化技術、微粒過濾沉淀技術等),該技術可大大降低氮氧化物和顆粒物的排放。排氣后處理技術將承擔柴油機排氣凈化的主要任務。余熱回收利用技術主要是通過廢氣渦輪增壓、廢氣余熱發電、廢氣鍋爐、熱管鍋爐等對廢氣余熱的多重利用來實現柴油機節能的目的。

有資料顯示世界各國利用柴油機節能減排技術已經取得了以下許多研發成果。在當前及未來的船舶結構和燃料構成不會發生根本變化的情況下,若要大幅減少二氧化碳排放,必須開發超低排放的柴油機。在此背景下,歐洲各國聯合進行的船用超低排放燃燒高效率柴油機研發項目 (Hercules)第一期的研發成果實現了與同期最先進的技術和排放標準相比的各項指標的優化,如燃油消耗降低 1.4%,氮氧化物減排 50%,硫氧化物減排 90%,顆粒物質減排 40%,碳氫化合物減排20%。第二期項目的研發目標是到 2020年,通過將船用柴油機的燃油消耗降低 10%,效率提高60%來大幅減少二氧化碳的排放。與此同時,將氮氧化物排放量減少 70%,顆粒物質的排放量減少 50%,達到同期規定的 Tier3的最高的排放要求,這代表著環保型船用柴油機的發展趨勢。

德國MAN柴油機公司與韓國大宇造船集團合作,將大宇的低溫高壓氣體供應系統技術用于MAN低速柴油機從而研發出低溫高壓天然氣船舶推進系統。該發動機是一種雙燃料低速柴油機,能以任何比例的燃油和天然氣混合作燃料。非天然氣運輸船舶使用該推進系統能降低營運成本,同時也能減少污染物排放。該系統可降低23%的二氧化碳排放,13%的氮氧化物和 92%的硫氧化物排放。

日本三菱重工研發出了可使氮氧化物排放降低 15%的 8UEC60LSIIEco環保型船用電控柴油發動機。該機將作為新建造的 6400車位大型 Ro-Ro船的主機。

我國在船用柴油機節能減排技術中也與其它國家積極合作,例如中國船舶重工集團公司下屬的上海船用柴油機研究所和宜昌船舶柴油機廠、芬蘭瓦錫蘭集團和日本三菱重工共同組建的QMD船用柴油機有限公司采用瓦錫蘭和三菱的專利技術,生產全系列的低速環保發動機,包括缸徑 50cm及以上的瓦錫蘭 RTA、RT-flex及三菱的UE系列機型,該類機型以程序控制共軌系統取代了傳統的機械凸輪軸、燃油噴射泵、換向伺服馬達、排氣閥驅動裝置和啟動空氣分配器等系統并且采用電子控制汽缸潤滑優化系統。其環保節能減排技術達到了世界先進水平,是目前中國最先進的發動機生產企業之一。

2.燃料多樣性技術

所謂燃料多樣性技術就是研發能夠排放低硫氧化物、低氮氧化物及二氧化碳等溫室氣體的并可用來替代柴油的清潔能源。

天然氣制油的研究:天然氣是寶貴的不可再生資源,通常情況下,開采出來的天然氣大部分是通過管道直接輸送或將天然氣處理加工成 LPG和 LNG等形式進行儲存和運輸。但是,天然氣制油技術可將天然氣燃料轉化為常溫常壓下的液體燃料。該工藝提供了另一種新的天然氣利用方式。該燃料在性能上接近于柴油,非常適合作為船用柴油機的燃料。它的最大優點是清潔,從而能大幅降低硫氧化物、顆粒等大氣污染物排放,還能提高船用柴油機燃燒效率并減少氮氧化物的排放,因此具有廣闊的船用前景。

LNG燃料動力裝置的研究:與普通船用柴油機動力裝置相比,LNG燃料動力裝置的氮氧化物的排放量可減少 80%,二氧化碳的排放量可減少20%,氧化硫排放量則可減少 100%,即每艘船每年可減少上千噸的排放物。據悉,使用 LNG能源可以使船舶的燃料燃燒效率增加 30%。由此可見,LNG燃料船已成為綠色船舶動力技術發展的一個方向。

多年來,相關船廠以及權威人士一直在進行LNG燃料船相關技術的研發,不斷地將 LNG燃料應用到除 LNG船以外的船舶上。目前一些使用LNG燃料作為動力的船已投入使用。

韓國現代重工采用稀燃技術研發出了大功率環保型氣體發動機。所謂稀燃技術就是通過加大發動機燃料混合氣中的空燃比,這樣,燃料能完全燃燒,也減少了換氣損失,從而可降低油耗,提高功率,減少排放。這臺功率高達 13000馬力的發動機與現有的柴油發動機相比,減少了超過 20%的二氧化碳排放,氮氧化物排放更是大幅減少97%。

3.推進器優化技術

船舶推進器是船舶動力裝置的重要組成部分,優化的推進器能顯著提高推進效率,從而實現動力裝置的節能減排。韓國 STX造船集團已成功開發出改進的船舶推進系統,并采用該成果建造出了新型節能生態船 (ECO一 Ship),該船能大幅減少污染氣體排放量,節省燃油費用 50%以上。

[4]指出該船最大特點是采用了 3項技術刨新。一是減少螺旋槳推進器的葉片數量。傳統的船用螺旋槳一般有 4～5個葉片,STX新推出的螺旋槳葉片減少為 3個,起到了加大推進力量的作用。其中,STX利用獨立開發的“低振動推進器技術”,設計出全新概念的葉片,解決了減少螺旋槳葉片帶來的技術難題,將振動和噪音降低到可接受水平。二是在船上新增輔助葉片裝置。為減少和改善船艉水流帶來的阻力,STX開發出節能型輔助葉片裝置,使船舶實現最優化改進,進一步提高了能源效率。三是船上采用了“風能和太陽能余熱發電設備”,該設備能將發動機排氣熱能轉換為電能。環保船將不再使用傳統的船用 C級重油作燃料,而改用環保性能更高的燃料,可提升燃料效能 41%,減少 45%二氧化碳排放量,同時大幅降低氮氧化物和硫氧化物排放。

(二)新型能源船舶動力裝置的綠色技術研發

1.燃料電池動力推進裝置

燃料電池是將燃料 (如氫、天然氣、丙烷和甲醇等)中的化學能直接轉化為電能的機電裝置。燃料電池動力單元結合了新型電子技術、電子動力以及控制系統技術。燃料電池應用到船舶之上具有柴油機無可比擬的優點,一是應用燃料電池的船舶將比現有的柴油機推進船舶的效率提高50%,且實現零污染排放;二是使用燃料電池不會產生噪音和振動,將提高乘客的舒適感,并大大改善船員的工作環境;三是燃料電池的設計簡單,可移動部件較少,因此維護方面的投入將大大減少;四是燃料電池是標準模塊化設計,可以更加方便合理地利用船上空間。目前雖然燃料電池的使用存在初期投入成本較高的問題,這也間接地制約了燃料電池的廣泛使用,但由于燃料電池的燃料消耗低以及燃料電池運行成本較低,可以預見,未來燃料電池動力一定有廣闊的發展前景。

2.復合能源動力技術

所謂復合能源動力技術就是將各種可再生能源、清潔能源和傳統能源相結合綜合運用在船舶動力上,這樣既可以逐漸減少對于傳統能源的依賴,又可為今后完全使用再生能源、循環資源、從而實現零污染、零排放的綠色船舶動力探索技術的可行性。在目前技術條件下,一般以傳統能源動力裝置為主,而以其它各種能源動力裝置作為動力的補充。世界上一些造船發達國家在這方面已經有了實船的應用。

法國設計出的環保游輪主要使用液化天然氣作為動力燃料,此外,為減少溫室氣體排放量,輔以使用可再生能源,桅桿上的風帆在為船舶提供風能動力的同時,能將收集的空氣導入船底產生氣泡形成氣墊,從而減少船體阻力,提高船舶水動力性能。同時,船上還安裝了太陽能電池板為船舶供電。其設計充分體現了節能環保的理念。

日本郵輪公司的“超級生態 2030”集裝箱船集最佳能源與動力組合,利用液化天然氣、太陽帆,風帆以及環保電池提供動力。該船設計以環保為主導,突出再生能源的應用,通過這種新設計,預計整體二氧化碳排量可降低 70%。這將成為未來新一代船舶的主流。預計該船于 2030年正式面世。

我國中遠集團也與澳洲環保公司合作,嘗試在其船隊的一艘散貨輪與油輪上安裝由澳洲研制的太陽能風帆。該太陽能風帆由鋁制成,每張高30米,相當于一面波音客機機翼的長度。該帆能夠自動偵測風向和太陽光而調整最佳的角度,船舶可借風力推動,預計可節省二成至四成的燃油消耗,同時可為船上設備提供 5%的總電力。

四、綠色船舶動力技術未來發展方向

綠色船舶動力技術未來發展方向就是向完全使用再生能源、循環資源、從而實現零污染、零排放的最終目標而努力。自然界提供的太陽能、風能、波浪能、潮汐能等等,都是未來綠色船舶動力技術可供使用的可再生能源。

太陽能可以通過太陽帆吸收并轉化為太陽能電池板的電能直接使用或儲存起來,太陽帆還可調整角度以吸收更多的太陽能。

日本在太陽能船舶動力方面進行了積極地探索,在 2008年就研制出了全球首個以太陽能為動力的大型貨船“御夫座領袖”。該船長 200米,排水量達 60213噸,研制出的太陽能動力系統安裝有 328個太陽能電池板,供電量可達 40千瓦 /時。“御夫座領袖”號貨船上的太陽能電池板發電能力很強,即使在陰天,也能產生足夠的能量,并且把多出的能量儲存下來。等到完全黑暗的時候,貨船可利用儲存的那部分能量繼續航行。此外,“御夫座領袖”號太陽能貨船的駕駛艙內還安裝有先進的電腦控制系統,能夠合理地安排電池的電量,最大限度地提升貨船的續航能力。

風能可通過由輕質材料制成的風帆獲得,風帆的方位可以根據風向和風力自動調節,從而產生船舶所需的拖拽力。另外利用風能發電也能為船舶提供動力。

波浪能和潮汐能可以通過合理布置減搖鰭,調整波浪與減搖鰭之間的相對運動來吸收能量并將其轉化為其它形式的能量作用在減搖鰭上來推船前進。

五、結語

綜上所述,“綠色”技術是船舶動力技術發展的必然趨勢,盡管在發展的過程當中還存在著許多認識上的不足和技術上的難題,但隨著人類環保意識的不斷增強和科技水平的不斷提高,相信在不久的將來,一定能夠實現船舶的零污染、零排放的終極目標。

參考文獻:

[1]王傳榮.綠色船舶發展現狀及方向分析 [EB/OL].(2008-11-17).http://www.shipol.com.cn/document/20081117092538299068.pdf.

[2]韓光,劉嘯波.歐洲船舶工業的低碳行動 [J].中國船檢,2010,(6).

[3]韓光,劉嘯波.日韓船舶工業綠色風向 [J].中國船檢,2010,(7).

[4]李積軒.綠色船舶世界航運業發展主旋律 [N].中國水運報,2010-06-04(8).