零排放新概念PCTC

日本邮船与Elomatic的合作，带来了引人注目的新概念汽车运输船。

大约10年前，船东及船舶运营商日本邮船株式会社（NYK Line）委托芬兰船舶设计及咨询公司Elomatic制定可再生能源及创新技术路线图，为未来的船舶设计奠定基础；并在此基础上，与日本邮船旗下Monohakobi技术研究所、意大利设计公司Garroni Progatti三方合作，以形成未来新概念船舶设计方案。

2013年，项目团队设计出名为“Super Eco Ship 2030” 的 8000TEU集装箱船，并于此后获得多个业内奖项。通过减少船舶自重、采用新的装载概念及增加新型推进系统，该型船的二氧化碳（CO2）排放量与同期类似尺度的集装箱船相比大幅减少了70%。该型船采用的其他革新技术还包括：采用燃料电池以打造高效的电力系统，优化货物存储功能及利用风能、太阳能等。

“Super Eco Ship 2050”与2014年建造的汽车滚装船技术参数对比

尽管“Super Eco Ship 2030”的部分技术目前较难大规模商用，但日本邮船将Elomatic的研究作为其投资和新技术研究指南，并于去年再度委托Elomatic展望2050年，制定新的路线图，继续进行新概念船型设计。由太阳能电池板、氢燃料电池提供动力的零碳排放新概念汽车运输船（PCTC）“Super Eco Ship 2050”由此诞生。

Elomatic高级海事咨询顾问托马斯·阿米诺夫（Tomas Aminoff）表示，其客户的前瞻性令人印象深刻：“他们在国际海事组织（IMO）确定二氧化碳减排战略前就已经委托了这一项目；当该战略被宣布时，日本邮船已经有了路线图！”

日本邮船的减排总目标是，到2050年使其船队的碳排放量减少50%，与IMO的减排战略目标一致。不过，鉴于其船舶的平均寿命为15—30年， 2020年至2035年之间建造的船舶很可能在本世纪中叶时仍将被运营。

对此，日本邮船表示：“到那时将船队的800艘船全部更换为零排放船舶是不现实的。显然，这意味着我们船队不可能在2050年整体实现零排放。我们的减排目标是关注船舶减排量的平均值。我们预计，部分船舶将在2008年排放量的基础上减排30%；部分船舶则将减排约50%，还有一些可实现100%减排。

新概念汽车运输船

日本邮船希望， Super Eco Ship 2050项目聚焦于：与2014年的汽车运输船相比，该型船所能取得的技术进步。不过，该公司也强调，这一新概念船型的所有创新同样可广泛适用于其他类型、尺度的船舶。该型船基于减少能源需求、提高能效和使用清洁燃料等理念，采用振动翼推进器，轻质船体和主动稳定装置等一系列创新技术。

太阳能电池板覆盖了该型船表面区域的80%，其中顶部的面积就达8000平方米，并从顶部往船体两侧向下延伸了5—10米。不仅如此，由于其太阳能电池板采用了双轴跟踪系统（一种使太阳能电池板随时正对太阳，确保光线一直垂直照射的动力装置），与普通的产品相比，其能效提高了40%。根据在实验室中取得的效果，预计该太阳能电池板的能量转化效率为45%。

总体而言，与2014年的新造船相比，预计这一新概念汽车运输船可使燃油消耗减少67%。 托马斯·阿米诺夫介绍说，太阳能电池板仅可为该船提供15%的能源，其他能源主要来自于氢燃料电池，此外还有10%来自废热回收。

托马斯·阿米诺夫强调，“Super Eco Ship 2050”采用的大多是30年后可实现的技术，而非当下成熟的商业化技术 。其中，“固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种现有的技术，其生产商有Convion、Bloom Energy等公司。然而，目前此类电池的体积太大且价格昂贵，不能将其作为船上MW级电能的唯一来源。不过，目前还有一些其他技术，如低温质子交换膜（PEM）乃至高温质子交换膜等，这些技术已经足够成熟，可以在一定程度上应用于航运业。”

日本邮船也表示，尽管氢是由可再生能源产生的环保能源，但可能到2050年其价格仍然高昂，且其密度远低于化石燃料，船上仅可储存氢1900立方米，只能供其使用 21天。

托马斯·阿米诺夫认为，对船舶来说，燃料未来或将是最为关键的因素：“你在船上使用的可替代燃料很可能（比传统燃料）需要更大的存储空间，且存储成本、购买成本更高。因此，要使这些可替代燃料方案可行，就需要船舶具有极高的能效，并且很可能还需要调整船舶运营方式。”

他进一步解释说：“运营商不能还像以前4个月才加一次油，甚至往返整个欧洲到亚洲的航线都无需加油。如今的汽车运输船一次加油后便可运营于全球航线，而我们的新概念汽车运输船需要每3周加装一次氢，否则，就无法在不影响载货容量的情况下储存足够的氢。”

有趣的是，尽管“Super Eco Ship 2030”采用了硬帆，但“Super Eco Ship 2050”却没用使用任何风力推进装置。对此，托马斯·阿米诺夫解释说：“鉴于汽车运输船运营的航线多在赤道附近，其风向不适合使用风帆。若船舶运营于南北航线，则风力条件更好，更适合使用转子风帆等风力推进装置。”

轻质船体及振动翼推进器

“Super Eco Ship 2050”最具视觉冲击力的是其轻质船体，是一种仿生设计，其灵感来自于自然界。托马斯·阿米诺夫介绍，这种理念在3D打印中很常见，且正在进行大量实验。其本质是拓扑优化（topology optimisation），即在保证结构强度基本不变的前提下不断降低原有结构质量，直至不能继续降低，从而实现轻量化设计。尽管拓扑优化需要大量计算，但并非无法实现，其已被应用于空中客车公司（Airbus）某些飞机部件的设计建模过程中。

Super Eco Ship 2050”采用特殊设计的轻质船体

除此之外，这一新概念船采用的多个技术、材料仅处于实验室阶段，如麻省理工学院等高校的实验室。

“Super Eco Ship 2050”从大自然中汲取的另一个灵感是海豚上下摆尾的游动方式。据此，技术人员产生了采用振动翼推进器来取代传统螺旋桨的想法。 托马斯·阿米诺夫介绍，这并非一个全新的想法，不仅有学生已在学校的实验室进行类似的试验，更有知名船东和设备制造商进行了相关的模型测试，并发布了白皮书。

他表示，从流体力学的角度来看，采用振动翼推进器在理论上绝对可行，而该装置实船应用的挑战是如何能使其在船舶全寿命期间均发挥作用。为此，技术人员对振动翼的速度、形状和运动方式进行了一些优化研究，但还要针对不同类型的材料作进一步研究，并提高其运动灵活性以改善流体动力学性能。

他补充说，振动翼推进器装船使用还面临其他一些挑战，如船体怎样防水，该装置如何避免漏油等。

船体稳定性

“Super Eco Ship 2050”最具创新性的或许是其稳定系统。该系统由两个装置构成：在常规条件下，该型船的主动稳定性由计算机控制的装置（或安装在船体底部的陀螺稳定器）来提供；风浪较大的情况下，位于水面上的浮筒将为船舶提供额外的稳性，使阻力最小化。

浮筒可谓“Super Eco Ship 2050”的主要特点之一。托马斯·阿米诺夫介绍，对于该型船船体的浮力、阻力和稳性，设计人员主要关注前两点，以尽可能提高其能效；稳性问题则通过稳定系统来解决。

为此，技术人员首先决定采用某种由计算机控制的平衡装置，如一些游艇、工作船使用的陀螺稳定器或邮轮采用的稳定翼——事实上后者主要用于提高乘客的舒适度而不是船体稳定性。在此基础上，基于可靠性方面的考虑，技术人员将浮筒作为了备用设备，其在天气恶劣或船舶停电时才会自动下降并接触水面，为该型船提供额外的稳性。

“Super Eco Ship 2050”新概念船设计效果图

Super Eco Ship 2050”的浮筒装置

智能航运

日本邮船表示，预计到2050年，港口设施建设将取得重大进展，届时“Super Eco Ship 2050”的其他功能如自动系泊、靠泊等将得以发挥作用，从而实现船—港乃至船—船的货物运转，以使船舶靠港时间最小化。据悉，尽管该型船49米的宽度对某些港口而言有些过宽，但其能够通过新的巴拿马运河。就服务航速而言，该型船与目前的汽车滚装船相同。

在智能航运领域，该船型无疑会增加船岸交互，并为船舶“数字双胞胎”及航线优化等技术做好准备。不过，尽管日本邮船认为该型船的船员要少于目前运营的船舶，但并未将其设定为远程操控或自动驾驶的无人船。

有观点认为，智能航运意味着船员人数较少，因而要避免装船使用内燃机等需要大量维护工作的传统设备。对此，托马斯·阿米诺夫个人认为，在当前的环保热潮中，内燃机往往被误认为不够环保，但其实这种传统设备非常善于适应新燃料，在未来一段时间内还有望继续装船使用。尤其是在现阶段，燃料电池与其相比尽管能效略高，但其实差异不大。

新技术展望

托马斯·阿米诺夫介绍，就“Super Eco Ship 2050”的可行性而言，在项目开展之初，技术人员就已设想到，该型船约三分之一的新技术将在2050年实现，还有三分之一有望提前实现，剩余部分则永远不会实现。

即便如此，媒体对“Super Eco Ship 2050”仍很感兴趣。参加日本邮船该型船新闻发布会的记者，比该公司近两三年中任何一次发布会的记者人数都多。

展望未来的技术发展，托马斯·阿米诺夫表示，要实现从当下到真正无碳航运的巨大跨越，还需要更多陆用技术的支撑。如，电网能否提供足够多的低碳或零碳电能，用于电解产生氢、氨或甲醇等船用新能源？“另一方面，预计到2030年，太阳能和风能有望成为最廉价的新能源。如果这一预言成真，那么它们同样将是最廉价的无碳能源，可以实船使用，帮助实现零碳航运。”