船舶替代能源的發展與展望分析

胡 健

（上海船舶研究設計院，上海 200032）

0 前 言

在傳統能源日趨緊張的今天，如何尋找新興能源逐步替代傳統能源，已成為擺在全人類面前的重要課題。而在高度依賴傳統柴油作為動力的船舶業界，毫無例外的將隨著全球能源大環境的變化而變化。

作為業界的制造商，要精準地預測未來的發展趨向，加大該系列產品的研發和投入力度，才能搶占市場先機，從而在將來競爭更加激烈的配套市場上獲得更大的市場份額。

1 能源溯源和轉化

1.1 能源分類

地球上的能源種類很多，包括天然能源和人工能源。天然能源包括石油、煤炭、天然氣、可燃冰、狹義太陽能、風能、水能、潮汐能、洋流能、地熱能等。人工能源包括電能、核能等。其中煤炭、石油、天然氣、以及可燃冰，都由于形成于遠古時代而深埋地下或海底，故統稱為化石能。這些化石能都是以遠古生物作為載體，以遠古的太陽能作為能量來源，因此它們又同屬于生物能的范疇，是遠古生物能在現世的開采和利用的表現形式。風能是由于不同地域的空氣吸收太陽能的多少不同，導致溫度和密度的不同，最終促使空氣規模性的運動，而形成的洋流能基本上也是這個道理。而水能，雖然表現形式為勢能，但也是由太陽能蒸發洋海湖泊中的水分作為循環伊始的，根源還是太陽能。所謂現世生物質能，就是現世的太陽能以化學能形式貯存在生物質中的能量形式，即以生物質為載體的能量。它直接或間接地來源于光合作用，可轉化為常規的固態、液態和氣態燃料，取之不盡、用之不竭，是一種可再生能源。所以從廣義上講，現世生物質能，同樣也是太陽能的一種表現形式。

1.2 無窮性和珍貴性

能源本身是取之不盡用之不竭的，能源不會消亡，只是以不同的形態存在而已。同時，可利用的能源在不同時期和場合受到當時當地人類的技術水平和經濟成本的制約，這種制約還包括人類賴以生存的環境的承載能力，以及能源的消耗和產出的關系，能源的珍貴性也恰恰體現在這里。一定時期內，當預期的能源消耗大于可利用的產出時，能源危機便出現了。因此，能源既具有無窮無盡的屬性，也同樣具有珍貴性。無窮是宏觀的，珍貴是微觀的，這種宏觀和微觀將伴隨著人類生存和發展的始終。

2 船舶和海洋結構物在能源利用上的特點

船舶和海洋結構物在能源的利用上，具有其自身的特點。這些特點有些與陸地上的車輛相通，卻亦有其它獨特之處。

1)不降低自身穩性:船舶的穩性是自身賴以維持的最重要的性能之一。某些新能源，例如風能，在應用過程中需要想方設法降低風壓傾側力矩對于船舶穩性的不利影響。

2)供給的穩定性、持久性：能源供給的不間斷、持續、穩定和持久是保障船舶航行安全和效率的必不可少的特征。

3)功率大：船舶航行時需要克服水的巨大的阻力，相應的推進功率也較大。

4)安全性：在能源的使用過程中，安全始終是放在第一位的。

5)經濟性：對于采用新興能源的船舶，應認真剖析它的利弊得失和經濟性，因為造船是現代經濟利益鏈條上的一環。只顧及建造新型船舶，往往會因為經濟性缺失而最終被放棄[1]。

6)環境友好性：對于某種新能源，除了看它在使用過程中是否環保，還要從整個產業鏈的流程來綜合分析和評判。

7)滯后性：為了保證船舶營運的安全，船舶的設計、建造和營運需獲得船級社規范和相關部門法律法規的約束，這些約束具體、謹慎而細致， 而規范、法律和法規的制定需要時間和實例的支撐和積累，相對于某些最新革命性的科技成果，可能具有一定的滯后性，雖然這些約束也具有相當的包容性和前瞻性。另外，陸地上的科技成果成功轉移到海上，需要改型從而克服搖擺、振動、防火、防潮等限制條件，并通過船級社的產品認證，這在一定程度上也具有滯后的效應。

3 新能源在船舶和海洋結構物上的應用和展望

3.1 風能

風能在船舶上的應用由來已久，在現代，風帆船已經不大見到。原因是穩性太差、操作繁瑣、方向不易控制、碰到惡劣天氣，給船舶的安全性帶來嚴重隱患、占用面積空間過大，給貨物裝卸帶來不便以及相對大型船只其功率仍不夠，無法作為主動力。而且靠風力可能讓航行增加不確定因素，對于必須嚴守交運時間的船運公司可能不愿冒風險[2]。還有，要想完全遵循《避碰規則》，風帆在布置上恐怕限制頗多。

隨著現代控制技術的進一步發展，傳統風帆船的上述缺點有望逐步得到改善和部分克服。比如研發自適應型可調可倒可收的風帆，當風向風力穩定在預期范圍時，風帆升起，而風向風力不利時，則放倒。

盡管有著眾多的缺點有待克服，各發達國家對于現代風帆船的研究和試制卻從來沒有停止過。其中日本在發展現代風帆船方面一直處于領先地位。1980年8月，日本建成世界上第一艘現代風帆油船——1600dwt的“新愛德丸”號。后來又制造了10艘沿海現代風帆船和1艘遠洋現代風帆船投入營運，其中最大的為26000dwt。實踐證明，現代風帆船在節能性方面是顯著的，而要完全克服眾多缺點，恐怕還有很長的路要走。

另外，海上風電場的建設需要考慮風浪流和水文要素的影響[3]，具有一些海洋結構物的特性，但因為它本身是以發電為目的，不屬于本文所討論的專屬用途船舶和海洋結構物范疇。

3.2 直接太陽能

在船舶上直接應用太陽能的例子少之又少。分析的原因有5個方面：一是光電轉化率很低，只有10%左右；二是因為效率低，因此需要很大的面積；三是光照指數變化很大，導致供給不穩定、不持久；四是供給功率小，無法作為主動力；五是成本高昂，經濟性差，面板的制作本身就是高耗能、高污染的過程。

雖然有著上述缺點，但并不是說太陽能在現代船舶中完全不能被利用。比如日本的某汽車運輸船，就采用了太陽能發電作為輔助住艙用電，發電量約占全船動力不足1%。再比如在鉆井采油平臺上的一些高空和運動部件上的燈具，由于電纜到達和維護不易，可以采用太陽能燈具，如平臺的鉆塔上方、自升式平臺樁腿的上部等等部位。顯然，太陽能發電系統全面應用于船舶領域可能還為時尚早。

3.3 潮汐能、海流能和波浪能

目前潮汐能的應用主要是指潮汐電站，但因投入產出比大，投入商業運營的并不多。海流能的應用也只限于為燈塔和燈船提供電力，另外，曾有一種海流發電船，類似于駁船，在船舷側裝有兩個巨大的水輪，專門用于發電，發出的電力通過海底電纜輸送到岸上。目前世界上利用波浪能發電已取得了一定的成績，其中日本的“海明”波浪發電試驗船實現了海上浮體波浪電站向陸地小規模供電。另外，波浪發電也有望成為海上航標和孤島供電的重要來源。

3.4 氫能源

目前在人類提取氫氣的手段還沒有成熟以前，無論從能源節約、利用角度，還是經濟性上看，都不適合大面積使用。

3.5 可燃冰

可燃冰是天然氣和水結合在一起的固體化合物，外形與冰相似。由于含有大量甲烷等可燃氣體，因此極易燃燒。它廣泛分布于海底和大陸凍土帶中，儲量巨大，是一種新能源。但同時，如果開采不當，則可能會帶來災難性的大氣溫室效應災害和海底地質塌陷[4]。在不遠的將來，可燃冰很可能成為替代傳統能源的最主要的能源之一。

3.6 核動力

目前，核動力裝置主要用于大型軍艦和潛艇[5]。由于擔心放射性物質污染航道、港口和城市環境，因此很多港口拒絕核動力船進港。對核燃料使用后的核廢料也還缺乏妥善處理辦法。所以，目前核動力裝置還沒有被民用船舶所采用。一些已建成的核動力船都已改裝為常規動力裝置船。但隨著人類核技術應用水平的不斷提升，相信使用核動力的船舶數量會越來越多。

3.7 生物柴油

現階段，主要可以提煉生物柴油的作物包括大豆、棕櫚、藻類等。根據統計，經人工培育的異養藻類，單位養殖面積的產油效率是大豆的200倍，棕櫚的15倍，煉油后剩余的生物質還可以轉化為沼氣和飼料，可以說是一種非常高效的太陽能衍生能源。生物柴油應用于船舶和海洋結構物，具有其它新能源無可比擬的優勢。

由于生物柴油燃燒產生的碳排量源自生物生長過程中吸取大氣中（或其它工業生產中排放出）的碳，與將化石能源中的碳從地底排放至大氣相比，并未對大氣中的二氧化碳含量造成任何變化，因此可以從真正意義上稱之為“零排放”?？梢灶A見，如果生物柴油能夠大面積在船舶上應用，全球的減排指標將可以制定得更為嚴格，新船設計能效指數EEDI的計算公式亦將被重新改寫。

另外，同樣是太陽能，一個是在陸地上通過生物的方式吸取太陽能，一個是在海上通過太陽能面板的方式吸取太陽能，相比之下，可能前者的方式更適合船舶。因為對于船來說，通過使用新能源去帶動新能源產業的發展，可能比自身去吸收新能源更加適合。

4 傳統能源在船舶和海洋結構物上的集約化應用

在新能源尚未能成為大范圍替代傳統能源在船舶和海上建筑物上應用的同時，提高集約化利用傳統能源的方式、效率，從而達到節能、低耗、環保。比如在FPSO和采油平臺上采用柴油與燃氣雙燃料發電機組代替傳統柴油發電機組，其中的燃氣采用原來通過燃燒臂白白燒掉的油田伴生氣；鍋爐采用燃油燃氣雙燃料鍋爐代替傳統燃油鍋爐；通過熱回收機組回收冷卻水系統中的散熱量等值得推廣的實例。

5 結 語

新興能源，要想在船舶和海洋工程物上取得廣泛應用并占據主要角色，還有很長的路要走。從基礎技術研究，到可行性論證，到陸上產品研發，最后改型移植至船上?，F階段，對于目前經濟性很差的那部分新興能源，人類更應該將精力投入在基礎技術研究上，而不是真正大規模應用上。

[1] 繆國平，等.以科學發展觀指導船型設計和優化[J].上海造船，2008, (2).

[2] 黃朝明.船舶風帆助航的試驗研究[M].大連海事大學，2008.

[3] 繆國平，等.海上風電場建設與海洋工程裝備研發中若干水動力學關鍵技術問題[J].上海造船，2009, (1).

[4] 吳 震.新型潔凈能源可燃冰的研發現狀[J].節能，2009, (2).

[5] 美國CVN核動力航母[J].現代兵器，2004, (3).