绿色船舶发展框架

CCS江苏分社 杨世知

图1.全球ECA分布图

环境问题日益凸显，低碳、节能减排已经成为世界各国关注的焦点。绿色经济正在成为继信息化之后经济领域的又一场重大革命。国际海事组织（IMO）作为联合国负责海上航行安全和防止船舶造成海洋污染的专门机构，一直致力于海洋防污染和航行安全公约的制定和相关技术的推广。目前，有关油污排放标准日益完备成熟，压载水管理公约也已进入生效程序，截止至2013年6月，缔约国超过30个；同时，EEDI被写入MARPOL公约，并于今年强制生效；大气排放限制区域（ECA）不断扩大。IMO有关绿色船舶公约框架雏形初具，并日益完善。

绿色船舶公约体系

绿色船舶分绿色造船和绿色航运，本文着重探讨新型船舶及绿色航运技术。绿色船舶公约体系目前主要由以下几个公约和规则组成。《MARPOL公约》、《船舶能效规则》、《防污底公约》、《拆船公约》（尚未生效）、《压载水管理公约》（尚未生效）、《噪声规则》（2014年7月1日生效）、《国际干预公海油污事故公约》1969、《国际油污损害民事责任公约》、《国际油污损害赔偿基金公约》、《1972国际防止废弃物和其他物质倾倒污染海洋公约》《1990国际油污防备、反应和合作公约》（OPRC）。

图3.部分防污染公约生效时间表

2012年国外研究机构对绿色公约生效时间表做过预测（图3），其中，EEDI能效规则以及北美排放控制区以及生效。但压载水管理尚未生效，截止至2013年6月30日，缔约国为37个，占世界船舶总吨位30.32%，尚未达到35%的生效条件。从图3中可以看出未来几年排放标准不断收紧，有关大气排放几近苛刻，如不从设计上、能源替代上做出调整，航运成本将大大增加。

绿色船舶技术

为应对能效规则的出台，国外船舶设计单位、研究机构纷纷开展新能源应用研究，在推进方面，主要研究包括天帆、太阳能推进、核能推进、LNG双燃料动力推进等等；从减阻方面，主要包括，线型优化设计、整流装置、以及气膜减阻等等；在减排方面，开展SOx、COx、NOx洗涤塔设计研究。为应对压载水管理公约的生效，主要包括无压载水船型和贯通流船型设计。

1、天帆设计

天帆（Sky Sails）设计理念来源于风筝，等效于帆船。天帆系统一般布置在船艏露天甲板，可于驾驶室遥控，危险状况下可自动切断，目前最大天帆能提供的动力相当于6800hp的主机。

实船试验数据表明，天帆技术的使用至少能节省10%～15%的燃油，稍加改进，可望突破30%，甚至更多。

目前该技术还处于前期摸索阶段，全球近10艘船配备该推进系统，主要用于可行性、经济性试验。

优点：环保、经济性好。

缺点：成本较高、使用过程中对于船舶的稳性影响较大，对于船员操纵要求较高（可应急切断）、收帆操纵难度较大。

图4.天帆设计实例

2、太阳能船舶

MS Turanor Planet Solar是一艘碳纤维双体太阳能动力船舶，由新西兰LOMOcean设计，德国基尔Knierim Yaehtbau船厂建造，挂瑞士旗。该船中心船体的外壳长30米，宽15米，由4mm厚的碳纤维增强外壳和50mm厚的C70.130高密度芯材构成。船重60吨，其上层配备了约600平方米的太阳能电池板。据制造商称，该船储存的能量能在缺乏阳光的情况下进行大约3天旅行，最高时速约15海里。2010年9月27日，MS Turanor PlanetSolar从摩纳哥出发，开始环球之旅。它宁静的航行在蔚蓝色的海洋上，向世界展示可持续能源的发展前景。

3、气膜减阻

瑞典著名油轮公司斯特纳（Stena）经过7年研发，终于在钢壳船船底气垫润滑，减少钢板与水接触的科学实验设计上有所突破，在一艘名为Stena AirMax的船体设计试验中，利用在船底制造一个充满空气的空腔，减少船身与水摩擦的阻力，可为船舶航行节省燃油超过20%（图6）。在当今燃油价格不断上升，柴油引擎效能开发几近顶峰的情况下，这将为全球船舶设计者带来革命性的新选择。

Stena AirMAX设计模型的技术参数：

缩尺比 ：1∶12

船长：15m

船宽：3.3m

满载吃水：0.9m

满载排水量： 35t

航速：5kn

主机： 2×10kW。

4、LNG动力船

据不完全统计，船舶采用柴油LNG双燃料动力后，柴油的平均替代率达到60%至70%，可实现硫氧化合物减排85%～90%，二氧化碳减排15%～20%，同时，噪声污染、烟尘、废油水排放也大大降低。目前制约LNG动力船发展最主要的因素是加气配置设施滞后，而国内加气设施滞后的根本原因是规范、法规体系的滞后。目前国内正在开展LNG加注趸船试点建造工作，相关规范、法规及主管机关管理规定等政策性文件有望近期生效出台。北欧一些国家大力推广LNG最为船舶动力燃料，其LNG加注设施网络已基本形成，目前正大力推广ship to ship的加注模式。2013年3月20日，世界上首艘LNG加注船Seagas在瑞典斯德哥尔摩命名交，该船由car & passenger ferry改装而成，其LNG储罐容积187m3，载重84t（图7）。

图8.Rolls-Royce公司开发的节能型船首和整合型桨舵系统

5、节能型船型设计

Rolls-Royce公司从上世纪70年代开始就致力于各种船型研发，目前推出的新船型中采用穿浪型垂直船首设计，独具特色，并迅速抢占新造船市场。穿浪型垂直船首由Rolls-Royce公司和挪威科技大学共同研制开发，与传统的球鼻舷相比，穿浪型船首能够使船舶所受阻力降低8%～10%。此外，Rolls-Royce开发的Promas整合型桨舵推进系统，能有效地改善螺旋桨尾流，减少推力损失。数据表明，仅整合型桨舵推进系统一项技术就可有望使船舶的效率提高4%～9%。

6、无压载水船舶设计

对于传统型船舶，压载水是确保船舶航行的重要手段，是船舶稳性管理的重要步骤之一。但伴随在压载水管理而产生的海洋生物入侵危害巨大，因此国内外部分研究机构开始致力于研究——如何在不使用压载水的情况下确保船舶航行时的稳定性。目前压载水船舶理念有大致可分为三种，分别为：美国密西根大学研发设计的贯通流系统船体（Through-Flow System Hull）、日本造船研究中心（SRC）提出的无压载水船舶（NOBS）理念、荷兰代尔夫特大学试造的单一结构船体。

其中，日本和荷兰的无压载水理念较相近，均是以改变船体浮性以达到无压载水目的。

贯通流系统船体设计目标既可阻止压载水中的非本土生物入侵，又无需使用昂贵的杀菌设备。严格来讲，该型设计并不是“纯”无压载水船舶，而是采用“活水”以达到压载目的。具体来讲，就是在其水线下拥有一个由大型管道组成的管路网络，海水从船首进入，船尾排出，并形成稳定的流场。从某种意义上来说，这种船舶更像潜艇，部分船体是开放的，流动缓慢的海水始终充满了整个船底部以取代压载水的作用。由于采用的始终是当地海域的海水，因此不会造成外来物种入侵这一情况。

从结构上来讲，为了在稳定性、安全性、装载量等方面同于典型远洋散货船，该型设计在船体结构方面需做出不少改变，如为了能布置足够的压载水管路，内底就需要有所增高，如此一来，为了确保足够的装载量，船深必然也随之加大，目前生产的船舶在性能方面的参数对此类船舶基本不能满足，因此该类船舶可能成为后续研究的方向之一。

图9.贯通流系统船体（Through-Flow System Hull）和传统压载水船原理

影响分析

近几年IMO就环境保护等陆续出台若干修正案，从压载水的管理，到无石棉产品的要求，再到2013年1月1日的能效规则生效，IMO近些年在环境保护方面大做文章。一方面，全球环境逐年恶化，空气污染加剧，气候变暖等一系列议题在全世界范围引起广泛热议，其中以哥本哈根世界气候大会的召开尤为突出。发展中国家和发达国家就碳排放标准、碳排放的责任划分等展开激烈角逐，最终诸国无果而返，发展中国家和西方发达国家无法就碳排放的控制问题、分工问题达成一致。另一方面，以西方发达国家为主导的IMO强制通过了碳排放标准及生效日期。且不谈碳排放责任分摊制度的合理性，在IMO框架下，公约规则一旦生效，各国唯有遵照其体系运行，方能在全球航运界立足。因此，唯有做大做强，增加话语权，跻身游戏规则制定者行列，才能引领行业发展。如何做大做强，如何让中国的造船业走出低效、低端、低竞争力的局面是我们整个社会层面需要重视和探讨的问题。

虽然我国已跻身造船大国行列，但跻身造船强国行列尚需时日。目前，我国造船业面临的最大问题，就是各方各自为战，急功近利，技术上浅尝辄止，管理上停滞不前。如今中国的发展已经步入一个十字路口，造船业面临向左转、还是向右转的艰难抉择。是继续低端、继续以巨大的环境代价、资源代价建造低端船舶，还是提升自身的产业优势，因地制宜，形成自身独特的造船模式以及盈利模式。以科技为主导，提升船舶配套业的跨越式发展，以先进的管理理念，优化产业结构，整合优势资源，才是彻底摆脱船舶产业低端、被动的根本途径。