绿色船舶理念与船舶动力技术发展

吴中强

(武汉交通职业学院,湖北 武汉 430065)

当今世界由于消耗石油资源而带来的氮氧化物、硫氧化物及二氧化碳等温室气体排放所造成的环境污染及全球变暖趋势已经产生了严重的生态危机并引起了广泛的关注。自 2009年 12月 7日联合国哥本哈根气候变化大会召开以来,经济发展模式向“低碳经济”转型已成为全球发展的总趋势,各国都加快了发展“低碳经济”的速度来提高自己的竞争力。在目前民用船舶依然是以采用消耗传统石油能源为主的动力装置的情况下,其节能减排压力依然不小。

一、当今船舶动力技术发展面临的挑战

国际海事组织的研究报告认为,全球航运业目前每年消耗 20亿桶燃油,排放超过 12亿吨的二氧化碳,约占全球总排放量的 6%。业内人士预测,到 2020年全球航运业的温室气体排放量将在目前基础上增加 75%。这一情况日益成为国际社会关注的焦点之一。为此,国际海事组织出台了一系列有关节能减排的新规则。比如 EEDI(能效设计指数)、Tier系列标准 (柴油机排放标准)等,船舶动力装置的节能减排首当其冲。

在此背景下,船舶动力技术面临的挑战也愈加严峻,各国纷纷通过技术创新,研究发展安全、环保、节能的“绿色船舶动力技术”。

二、绿色船舶的理念及内涵

所谓“绿色”理念就是人类所从事的一切活动都要以保护人类健康和赖以生存的环境为本,以促进经济社会的可持续发展为目的。绿色船舶就是在整个生命周期中 (从设计、制造、营运、到最后报废拆解的整个过程),通过采用先进的绿色技术,最大程度上实现其低能耗、低排放、低污染、高能效、安全环保的功能目标,同时能经济地满足用户的要求,并节省资源和能源,且对生产者和使用者具有良好保护的船舶。绿色船舶的打造必须靠绿色船舶技术来保证。绿色船舶技术的核心就是环境友好型和资源节约型技术,而船舶动力技术又是绿色船舶技术中能否实现“绿色”的关键。由于在目前技术条件下,船舶动力技术要实现真正意义上的无污染、零排放的绿色技术还有一定的难度,因此,绿色船舶动力技术的发展大致要经历三个阶段:第一阶段是节约能源、节约资源、减少排放;第二阶段是高效能源、高效资源、轻度污染;第三阶段是再生能源、循环资源、没有污染。

三、新型绿色船舶动力技术研发现状

为了更好地应对日益严格的环保要求,更加积极主动地应对未来船舶市场的需求,世界各大船舶研究机构、先进造船企业以及相关机构都在加大研发力度,不断推出满足绿色船舶要求的新技术、新动力等。

(一)传统能源船舶动力装置的绿色技术研发

目前民用船舶动力装置以使用传统石油能源的柴油机动力装置为主,其绿色技术的研发主要以节能减排为突破口。主要有以下几方面。

1.节能减排技术

节能减排技术的目的是通过优化技术来改善柴油机的燃烧效果和控制柴油机废气排放量和排放物以提高柴油机能效从而实现节能减排。节能减排技术主要包括前端 (燃烧端)技术和后端 (排气端)技术。前端技术是通过优化柴油机燃油喷射和燃烧过程以及优化进气过程来达到提高柴油机燃烧能效从而实现节能减排的目的。该技术主要包括有电控高压共轨喷射技术和柴油机增压中冷技术以及高品质燃油技术 (低硫燃油、乳化柴油等)、双燃料技术、臭氧助燃气体技术、汽缸润滑优化技术和扫气加湿技术等来提高柴油机功率和效率,从而提高柴油机能效和降低排放。后端技术是通过控制柴油机排放技术和余热综合回收利用技术来实现节能减排。此类技术包括控制排放的废气再循环技术 (可有效降低氮氧化物的排放)、排气后处理技术 (包括二氧化碳收集技术、催化氧化技术、微粒过滤沉淀技术等),该技术可大大降低氮氧化物和颗粒物的排放。排气后处理技术将承担柴油机排气净化的主要任务。余热回收利用技术主要是通过废气涡轮增压、废气余热发电、废气锅炉、热管锅炉等对废气余热的多重利用来实现柴油机节能的目的。

有资料显示世界各国利用柴油机节能减排技术已经取得了以下许多研发成果。在当前及未来的船舶结构和燃料构成不会发生根本变化的情况下,若要大幅减少二氧化碳排放,必须开发超低排放的柴油机。在此背景下,欧洲各国联合进行的船用超低排放燃烧高效率柴油机研发项目 (Hercules)第一期的研发成果实现了与同期最先进的技术和排放标准相比的各项指标的优化,如燃油消耗降低 1.4%,氮氧化物减排 50%,硫氧化物减排 90%,颗粒物质减排 40%,碳氢化合物减排20%。第二期项目的研发目标是到 2020年,通过将船用柴油机的燃油消耗降低 10%,效率提高60%来大幅减少二氧化碳的排放。与此同时,将氮氧化物排放量减少 70%,颗粒物质的排放量减少 50%,达到同期规定的 Tier3的最高的排放要求,这代表着环保型船用柴油机的发展趋势。

德国MAN柴油机公司与韩国大宇造船集团合作,将大宇的低温高压气体供应系统技术用于MAN低速柴油机从而研发出低温高压天然气船舶推进系统。该发动机是一种双燃料低速柴油机,能以任何比例的燃油和天然气混合作燃料。非天然气运输船舶使用该推进系统能降低营运成本,同时也能减少污染物排放。该系统可降低23%的二氧化碳排放,13%的氮氧化物和 92%的硫氧化物排放。

日本三菱重工研发出了可使氮氧化物排放降低 15%的 8UEC60LSIIEco环保型船用电控柴油发动机。该机将作为新建造的 6400车位大型 Ro-Ro船的主机。

我国在船用柴油机节能减排技术中也与其它国家积极合作,例如中国船舶重工集团公司下属的上海船用柴油机研究所和宜昌船舶柴油机厂、芬兰瓦锡兰集团和日本三菱重工共同组建的QMD船用柴油机有限公司采用瓦锡兰和三菱的专利技术,生产全系列的低速环保发动机,包括缸径 50cm及以上的瓦锡兰 RTA、RT-flex及三菱的UE系列机型,该类机型以程序控制共轨系统取代了传统的机械凸轮轴、燃油喷射泵、换向伺服马达、排气阀驱动装置和启动空气分配器等系统并且采用电子控制汽缸润滑优化系统。其环保节能减排技术达到了世界先进水平,是目前中国最先进的发动机生产企业之一。

2.燃料多样性技术

所谓燃料多样性技术就是研发能够排放低硫氧化物、低氮氧化物及二氧化碳等温室气体的并可用来替代柴油的清洁能源。

天然气制油的研究:天然气是宝贵的不可再生资源,通常情况下,开采出来的天然气大部分是通过管道直接输送或将天然气处理加工成 LPG和 LNG等形式进行储存和运输。但是,天然气制油技术可将天然气燃料转化为常温常压下的液体燃料。该工艺提供了另一种新的天然气利用方式。该燃料在性能上接近于柴油,非常适合作为船用柴油机的燃料。它的最大优点是清洁,从而能大幅降低硫氧化物、颗粒等大气污染物排放,还能提高船用柴油机燃烧效率并减少氮氧化物的排放,因此具有广阔的船用前景。

LNG燃料动力装置的研究:与普通船用柴油机动力装置相比,LNG燃料动力装置的氮氧化物的排放量可减少 80%,二氧化碳的排放量可减少20%,氧化硫排放量则可减少 100%,即每艘船每年可减少上千吨的排放物。据悉,使用 LNG能源可以使船舶的燃料燃烧效率增加 30%。由此可见,LNG燃料船已成为绿色船舶动力技术发展的一个方向。

多年来,相关船厂以及权威人士一直在进行LNG燃料船相关技术的研发,不断地将 LNG燃料应用到除 LNG船以外的船舶上。目前一些使用LNG燃料作为动力的船已投入使用。

韩国现代重工采用稀燃技术研发出了大功率环保型气体发动机。所谓稀燃技术就是通过加大发动机燃料混合气中的空燃比,这样,燃料能完全燃烧,也减少了换气损失,从而可降低油耗,提高功率,减少排放。这台功率高达 13000马力的发动机与现有的柴油发动机相比,减少了超过 20%的二氧化碳排放,氮氧化物排放更是大幅减少97%。

3.推进器优化技术

船舶推进器是船舶动力装置的重要组成部分,优化的推进器能显著提高推进效率,从而实现动力装置的节能减排。韩国 STX造船集团已成功开发出改进的船舶推进系统,并采用该成果建造出了新型节能生态船 (ECO一 Ship),该船能大幅减少污染气体排放量,节省燃油费用 50%以上。

[4]指出该船最大特点是采用了 3项技术刨新。一是减少螺旋桨推进器的叶片数量。传统的船用螺旋桨一般有 4～5个叶片,STX新推出的螺旋桨叶片减少为 3个,起到了加大推进力量的作用。其中,STX利用独立开发的“低振动推进器技术”,设计出全新概念的叶片,解决了减少螺旋桨叶片带来的技术难题,将振动和噪音降低到可接受水平。二是在船上新增辅助叶片装置。为减少和改善船艉水流带来的阻力,STX开发出节能型辅助叶片装置,使船舶实现最优化改进,进一步提高了能源效率。三是船上采用了“风能和太阳能余热发电设备”,该设备能将发动机排气热能转换为电能。环保船将不再使用传统的船用 C级重油作燃料,而改用环保性能更高的燃料,可提升燃料效能 41%,减少 45%二氧化碳排放量,同时大幅降低氮氧化物和硫氧化物排放。

(二)新型能源船舶动力装置的绿色技术研发

1.燃料电池动力推进装置

燃料电池是将燃料 (如氢、天然气、丙烷和甲醇等)中的化学能直接转化为电能的机电装置。燃料电池动力单元结合了新型电子技术、电子动力以及控制系统技术。燃料电池应用到船舶之上具有柴油机无可比拟的优点,一是应用燃料电池的船舶将比现有的柴油机推进船舶的效率提高50%,且实现零污染排放;二是使用燃料电池不会产生噪音和振动,将提高乘客的舒适感,并大大改善船员的工作环境;三是燃料电池的设计简单,可移动部件较少,因此维护方面的投入将大大减少;四是燃料电池是标准模块化设计,可以更加方便合理地利用船上空间。目前虽然燃料电池的使用存在初期投入成本较高的问题,这也间接地制约了燃料电池的广泛使用,但由于燃料电池的燃料消耗低以及燃料电池运行成本较低,可以预见,未来燃料电池动力一定有广阔的发展前景。

2.复合能源动力技术

所谓复合能源动力技术就是将各种可再生能源、清洁能源和传统能源相结合综合运用在船舶动力上,这样既可以逐渐减少对于传统能源的依赖,又可为今后完全使用再生能源、循环资源、从而实现零污染、零排放的绿色船舶动力探索技术的可行性。在目前技术条件下,一般以传统能源动力装置为主,而以其它各种能源动力装置作为动力的补充。世界上一些造船发达国家在这方面已经有了实船的应用。

法国设计出的环保游轮主要使用液化天然气作为动力燃料,此外,为减少温室气体排放量,辅以使用可再生能源,桅杆上的风帆在为船舶提供风能动力的同时,能将收集的空气导入船底产生气泡形成气垫,从而减少船体阻力,提高船舶水动力性能。同时,船上还安装了太阳能电池板为船舶供电。其设计充分体现了节能环保的理念。

日本邮轮公司的“超级生态 2030”集装箱船集最佳能源与动力组合,利用液化天然气、太阳帆,风帆以及环保电池提供动力。该船设计以环保为主导,突出再生能源的应用,通过这种新设计,预计整体二氧化碳排量可降低 70%。这将成为未来新一代船舶的主流。预计该船于 2030年正式面世。

我国中远集团也与澳洲环保公司合作,尝试在其船队的一艘散货轮与油轮上安装由澳洲研制的太阳能风帆。该太阳能风帆由铝制成,每张高30米,相当于一面波音客机机翼的长度。该帆能够自动侦测风向和太阳光而调整最佳的角度,船舶可借风力推动,预计可节省二成至四成的燃油消耗,同时可为船上设备提供 5%的总电力。

四、绿色船舶动力技术未来发展方向

绿色船舶动力技术未来发展方向就是向完全使用再生能源、循环资源、从而实现零污染、零排放的最终目标而努力。自然界提供的太阳能、风能、波浪能、潮汐能等等,都是未来绿色船舶动力技术可供使用的可再生能源。

太阳能可以通过太阳帆吸收并转化为太阳能电池板的电能直接使用或储存起来,太阳帆还可调整角度以吸收更多的太阳能。

日本在太阳能船舶动力方面进行了积极地探索,在 2008年就研制出了全球首个以太阳能为动力的大型货船“御夫座领袖”。该船长 200米,排水量达 60213吨,研制出的太阳能动力系统安装有 328个太阳能电池板,供电量可达 40千瓦 /时。“御夫座领袖”号货船上的太阳能电池板发电能力很强,即使在阴天,也能产生足够的能量,并且把多出的能量储存下来。等到完全黑暗的时候,货船可利用储存的那部分能量继续航行。此外,“御夫座领袖”号太阳能货船的驾驶舱内还安装有先进的电脑控制系统,能够合理地安排电池的电量,最大限度地提升货船的续航能力。

风能可通过由轻质材料制成的风帆获得,风帆的方位可以根据风向和风力自动调节,从而产生船舶所需的拖拽力。另外利用风能发电也能为船舶提供动力。

波浪能和潮汐能可以通过合理布置减摇鳍,调整波浪与减摇鳍之间的相对运动来吸收能量并将其转化为其它形式的能量作用在减摇鳍上来推船前进。

五、结语

综上所述,“绿色”技术是船舶动力技术发展的必然趋势,尽管在发展的过程当中还存在着许多认识上的不足和技术上的难题,但随着人类环保意识的不断增强和科技水平的不断提高,相信在不久的将来,一定能够实现船舶的零污染、零排放的终极目标。

参考文献:

[1]王传荣.绿色船舶发展现状及方向分析 [EB/OL].(2008-11-17).http://www.shipol.com.cn/document/20081117092538299068.pdf.

[2]韩光,刘啸波.欧洲船舶工业的低碳行动 [J].中国船检,2010,(6).

[3]韩光,刘啸波.日韩船舶工业绿色风向 [J].中国船检,2010,(7).

[4]李积轩.绿色船舶世界航运业发展主旋律 [N].中国水运报,2010-06-04(8).