将概念想法变成革命创新

本刊记者 赵 博

在前一篇文章中，我们大致了解了当前正在航运业中开展的清洁能源船舶项目或技术，并可从中了解海事界的节能减排新动向。在这一部分文章中，我们选择其中四个项目，将更详细的信息展示给读者。

“ZEEDS”倡议：畅想未来

“ZEEDS”倡议设想看似科幻，但可能是对未来的最好投资。

由瓦锡兰牵头领导的“ZEEDS”倡议（海上零排放能源分配倡议）设想了这样一种未来：海上航线和设施可以像陆路交通和设施一样被有效组织，在这个广泛的网络下，风能生产清洁能源，船舶在海上补充燃料，整个海上清洁燃料的生产/分配中心和生态系统将被战略性地部署在全球各地。

“ZEEDS”倡议下的海上加注设想图在“ZEEDS”倡议设想下，未来的枢纽设施由设置在海上风力涡轮机旁边的燃料中心组成，每个设施由约75台大型风力发电机提供动力，另为有效利用海洋能源，太阳能和海浪技术也可被视为潜在应用。这些枢纽在浅水区被设计成以重力为基础的结构，而在深水区则被设计为半潜式漂浮结构。

燃料中心被建造成双层平台，风力涡轮机产生的能量将用于从海水中生产氢气（平台第一层），而在第二层平台，氨燃料将被制出（由提取的氢气和氮气制成）并有效储存、使用。值得一提的是，氨将被存储在平台上或使用水压将燃料液体储于海底储罐中。尽管“ZEEDS”倡议的重点是绿色氨燃料，但在未来可能也包括氢或液态沼气等燃料的生产。

这或许是业界实现零排放运输的最快途径之一。在“ZEEDS”倡议中，加注船队可以由一种能源供应船（EPV）组成，这些运力自载燃料为待加注船提供动力源，并在主枢纽平台或燃料储存基地周围的50海里范围内自由航行。无人机从EPV上面引出加油软管，并使其与接收单元配合。在设想中，预计加注时长为两小时（两船以六节的速度航行）。

瓦锡兰表示 ：“ ‘ZEEDS’倡议希望将航运业向碳中和运输的过渡提高到更高水平。海事行业需要进行全面转型。也就是说，除船队转型外，还需要解决从加油和分销开始供应链及物流环节的问题，因此需要快速建立起能够支持全球船队加注的基础设施。”

在“ZEEDS”倡议设想下，氨将利用水压存储在海底储罐中，以保持燃料液体的状态，随后通过加油浮标将其带出水面并有EPV加注。“这种方法旨在避免在主枢纽区域内发生‘交通拥堵’，且船只将减少对港口加注的依赖度，有助于环节港口拥塞，降低运输总时长。”

据瓦锡兰透露，“ZEEDS”倡议最初是为北海和波罗的海区域畅想的，因该区域可再生能源开发已经非常先进。“75台风力涡轮机每天将能够支撑2500立方米的氨制取，这个数量足以为147艘船服务。而通过五个枢纽供应，我们可为大约750艘船提供燃料支持，这相当于北海和波罗的海区域船队数量的50%。”

“这是对未来的最好投资。”瓦锡兰表示，可以将相同的模型移植到远洋运输中，“虽然我们不能在一夜之间获得成功，但我们正在寻找更多区域和不同的解决方案，用更少的船只为更多的船舶加注氨燃料。”

将电池系统装入集装箱

集装箱式电池储能系统或许是又一次集装箱化革命。

马士基与Trident Maritime Systems合作制造的一种600千瓦时集装箱式船舶电池储能系统可被置于集装箱船上，为其以提供所需动力。这种电池已被安装在载箱量为4500TEU的“马士基·开普敦”轮上（Maersk Cape Town）。

这项试验有助于加深业界对储能系统的了解，支持集装箱船队和港口码头进一步电气化进程。这是业内首例测试电池储能系统的试验，在将展示电池技术不断改善船舶性能的同时，还可以减少非动力推进电气系统的油耗。这套集装箱式船舶电池储能系统的大部分设备存放于40英尺集装箱内，包括6支电池架（包含108个电池模块）、功率转换装置和变压器（用以改变船上使用的交流电和电池所需的直流电之间的电压）、逻辑控制器，以及一个用来管理电池箱和电池系统之间的连接和电流的断路器。与此同时，内置的温控和通风系统可以使所有部件保持在恰当的工作温度范围之内。这个40英尺集装箱被安置于“马士基·开普敦”轮艉部的系泊甲板上方。

该系统可以在电力负荷快速变化期间（如船舶推进器运行），支持高达1800千伏安发电机输出功率，从而减少发电机的维护要求，并能够提供冗余电源，确保连续供电，提高航行可靠性。同时提高电气系统（如船舶发电机）效率，将船舶辅助发电机维持在最佳负荷状态，避免其在不需要时运行，进而降低总体燃料油消耗。

这次马士基在“马士基·开普敦”轮上进行的电池试验，旨在测试这项技术的价值，并帮助业界建立对如何最大限度地利用这项技术的理解。“马士基·开普敦”轮上使用的废热回收系统是其旗下很多集装箱船特有的系统，可将动力装置废气排放系统中的热能进行转化，并给电池充电，从而提高船队整体收益，预计将大大减少辅助发动机的运转时间，而更有效的发动机负载，或将实现260吨燃料油/年的节省效果(以“马士基·开普敦”轮为例)，更重要的是，对于现役的3E型集装箱船而言，也将有相同比例的燃料油节约。除减少燃料油消耗和温室气体排放，这套集装箱式船舶电池储能系统还强调了船舶噪音污染的降低。

“马士基·开普敦”轮上的集装箱式电池储能系统外观

“马士基·开普敦”轮上的集装箱式电池储能系统内部图

Trident Maritime Systems则表示，电池储能系统可以被用在除船队之外的马士基集团旗下运营的其它相关资产，比如码头领域。码头运营和船舶运营非常相像，电力发挥至关重要的作用，其照明、岸吊、集疏运、软件系统、冷藏箱堆场运转均需要电力支持，而且相较于船舶减排，港口减排的方式较少，例如船舶在当前可以通过切换燃料油、调整航速等多种即时可行的方式减排、增益，而港口减排的方法多被聚焦于岸电技术，且码头自动化的建设投资非常大，成本回收周期长，因此将船用电池储能系统的试验成果和实践经验复制到码头运营，或是业界期待。相信在未来，电池储能也将成为一种成本可行的港口解决方案。而其他类型船舶（如拖轮和打捞船）也可以了解并使用这种电池储能系统，从而最大限度地在其发挥的效益中获得更多收益。

“NYK Super Eco Ship 2050”概念船：既用氢，也很轻

这艘氢能概念船的设计独特，且用新材料降低了船体重量。

日本邮船研发的“NYK Super Eco Ship 2050”概念船除使用氢燃料作为电力推进装置外，还通过减轻船体重量、应用太阳能电池板等方式促进脱碳。这艘概念船以汽车运输船为模型，设计采用创新技术，通过改造船体减少水摩擦、降低船体重量、引入用于电池并依赖其他高效推进设备，使得运营船舶所需动力减少70%。船舶动力将来自于太阳能和可再生能源产生的氢气，二氧化碳排放量降至为零。

在燃料创新方面，“NYK Super Eco Ship 2050”概念船中的氢基由可再生能源生产，氢气储罐容量为1900立方米，可提供21天的续航能力。由于储氢装备较为昂贵，该船也可通过约9000平方米的太阳能板提供额外动力，其能动转化率约为45%，可提供约15%的船舶动力。

该概念船船体重量已经通过动态的数学设计优化，使用轻质材料作为上部结构，船上安装计算机控制的设备，从而为轻质船体提供主动稳定性。另外，该船还采用了空气润滑系统，有效降低船舶底部和海水之间的摩擦阻力。在港口停留期间，自动船体清洁系统可以防止对船舶效率产生任何负面影响。同时，概念船通过操作多个类似翼片的鳍片而非传统螺旋桨来提高推进效率。

具体而言，“NYK Super Eco Ship 2050”概念船有几点特别之处。在正常情况下，船舶配备的浮箱（Pontoon）高于水面以使阻力最小化，但在特殊情况下，浮箱会下沉到海面以提供额外的稳定。由计算机系统控制的回转稳定器将安装在船舶底部，以提供稳定性。常规的螺旋桨被模仿金属膜片运动襟翼代替，这会给船舶提供更高的动力效率。在船舶航行期间，润滑系统产生的气泡会从船底释放，以减少海水与船体之间的摩擦阻力。船体清洁机器人的作用则在于船舶在港停留期间自动清洁船体，以减少下次航行时可能造成的船舶阻力，并将收集到的杂质回交给港口防污系统处理。

“NYK Super Eco Ship 2050”概念船效果图

船舶新材料创新

船舶配备的浮箱位置

创新的襟翼设计

可提供额外动力的太阳能电池板

高效的货物装卸能力也是“NYK Super Eco Ship 2050”概念船的特点，可同时进行“船对泊”和“船对船”操作，节省港口资源。得益于岸上基础设施的改善，“NYK Super Eco Ship 2050”概念船还配备了自动系泊系统，从而最大限度地减少在港停留时间。

“风挑战者”与“风捕捉者”：借风扬帆

商船三井进一步创新探索，寻求风能在海事界的新应用。

商船三井与大岛造船株式会社设计的硬帆系统利用伸缩式硬帆可将风能转化为船舶推进力，被认为是“风挑战者”项目的基础技术。这套硬帆系统将应用于运煤船，为日本东北电力公司的热力工厂运输煤炭，其安装的风帆能够根据风的强度在四个阶段进行自动伸缩，并能自动旋转，以调整到可以充分利用风力的方向。

全球首艘安装有硬帆系统的运煤船预计在2022年后投入运营，根据评估，该船在日本-澳大利亚航线上的温室气体排放量可减少约5%，在日本-北美西海岸航线上减少约8%。

“风挑战者”项目船舶概念图

商船三井表示：“从船用发动机角度来看，燃料从碳基转变为非碳基燃料或许是未来航运业的主流，但这些燃料将非常昂贵，而风力节能技术在任何时代都具有市场竞争力。而且‘风挑战者’项目的硬帆角度和高度是由全覆盖的传感器全自动控制，可确保冗余度。之所以选择硬帆而不是旋筒风帆，我们考虑的是在相同风况下，机翼形风帆产生的推力比转子大，当然由于成本，硬帆系统无法覆盖所有船舶，因此旋筒风帆技术未来也是我们的选择之一。”

在开发过程中，商船三井解决了诸多问题。如“风挑战者”项目使用纤维增强复合材料（FRP）减轻系统重量。

“风捕捉者”项目是对“风挑战者”项目的进一步创新探索，最终目的是实现船舶零排放，它结合了风力推进航行技术和通过风能转换产生稳定氢气供应的技术，将风能和燃料电池与电解槽产生的氢气结合起来（电解槽的电力由风力发电产生），使船舶能够在强风气候下捕获风能，并在低风速段的航行过程中产生氢气，保证船舶常规航行。

商船三井表示：“我们将继续进行‘建造更大尺寸船舶’的探索，并将必要的关键设备（如电解水槽、燃料电池、MCH发电机、脱氢发电机）装在船上，而新技术的特征之一是在船上制造氢气，并且可以将其转化为推进力以及必要的电力。同时，商船三井提出了‘到2030年部署具有零温室气体净排放的商业深海船舶’目标，并加快我们在五个方面的行动以实现路线图策略。”

行业对绿色船舶充满了期望。但从客观上讲，这是新事物。其发展面临一些挑战，如法规、燃料安全等。“就‘风捕捉者’项目而言，我们目前关注的问题之一是对船上处理氢气没有特定的类别/标志要求，行业必须深切关注安全方面。”据悉，商船三井将使用一艘帆船演示该概念的可行性，验证一系列循环操作的功能和性能，即涡轮发电、制氢/储氢和燃料电池相关推进。未来，该项目团队还计划研究如何将海上产生的氢气供应陆上使用，以创造一个完全没有任何温室气体排放的零排放运输系统。

“风挑战者”项目船舶硬帆系统

“风捕捉者”项目船舶静态示意图