綠色船舶未來方向

李 源

根據國際公約、地區性規定以及市場自身的需求，唯有發展綠色船舶才能滿足各項要求。當前，海事界已著手于綠色船舶的研發，從多家公司提出的概念船型中可以發現，采用的綠色技術主要包括：船型優化、采用清潔能源、混合電力推進、加裝減排設備及采用新型材料等多種方式。通過綜合使用這些技術全方位地提升船舶的環保性能，以滿足新規則的要求。以三星重工開發的一型概念船為例，該船采用13項節能技術，包括優化船型、使用輕質材料、采用燃料電池、LNG動力、可再生能源（太陽能、風能）、采用船底空氣潤滑系統、廢熱回收系統、安裝洗滌器、選擇性催化還原和廢氣循環等減排設備，以及采用節能鰭、舵球和節能導管、反轉螺旋槳、航線優化系統、空氣動力技術等。這些基本上涵蓋了目前海事界主流的提高能效和減排的手段。

——船型優化

船型優化包括優化船舶主尺度、優化船體線型、優化船首和船尾形狀等，通過這些措施降低船體阻力，提升水動力性能，從而達到提高能效的目的。

以大宇造船海洋的一艘30萬載重噸VLCC為例，通過優化主尺度參數和船體線型，分別節省了3%和2%的油耗。船首和船尾形狀優化方面，過去設計者更多的是關注船尾形狀的優化，但現在越來越關注對首柱的優化，海事界已開發出多種優秀的船首。例如：挪威烏斯坦公司開發的X船首，可有效減少船體振動、噪聲、砰擊和縱搖，提高燃油效率，改善航行安全性；日本IHIMU開發的鯨背球首，可大大降低肥大型船舶的興波阻力。

重新設計螺旋槳也是優化船型的一個方面。根據具體船型，選擇適合的螺旋槳配置，如大宇造船海洋的一艘12000TEU集裝箱船，分別采用單槳和雙槳的配置，盡管后者比前者阻力增加了4%，但能效提高了13%，總體而言可節省9%的能耗。另外采用新型螺旋槳，如葉尖傾斜螺旋槳、反轉螺旋槳等，也可提升推進效率。

——降低空船重量

通常降低空船重量的方法有兩種，一是優化主船體結構。通過減少肋骨和縱骨間距，在厚度不同處，分別使用不同厚度的鋼板等做法可優化主船體結構，降低空船重量。二是使用輕質復合材料。輕質復合材料在航空工業上已得到廣泛應用，在船舶上目前多用于軍船的次級結構以及游艇、漁船等小型商船。復合材料由多層金屬薄板疊加或多層聚合體碾壓復合而成。其中金屬板可以是鋁或鋼板，聚合體核心由碳或玻璃纖維進行加強，具備抗沖擊、耐用、容易加工、重量輕、耐疲勞、耐腐蝕等優點。

瑞典KockumsAB公司曾以一艘長128米，航速42節的渡船作為目標船型，對碳纖維增強塑料、鋼材、鋁分別作為建造材料在重量、成本、拆解上進行過全面的比較，得出如下結論。

1、使用復合材料替代鋼材最大的優點是可以明顯減少結構重量。采用碳纖維增強塑料和鋁均可減輕重量，與鋼材相比，整船重量可減輕50%左右。

2、從純建造的觀點來看，鋼材是建造大型船舶最經濟的材料，但如果將后期的營運和維護考慮在內，進行全生命周期的成本比較，則鋼材的成本最高，復合材料成本最低。

3、目前的狀況下，回收困難是復合材料難以推廣的障礙之一。

4、由于復合材料的易燃性，很長時間以來在SOLAS的規定中復合材料不能被用于上層建筑、結構性艙壁、甲板和甲板室。但實際上之前在軍船上，以及適用于HSC規則的小艇上復合材料已經有超過30年的使用歷史。2002年，SOLAS規定只要具備與鋼材相同的阻燃性，其他材料也可用于船舶建造。這項規定開啟了輕質復合材料在軍船、小艇以外的船舶上應用的可能性。因此現階段在“輕質材料在船舶上應用”的項目中，防火安全性是中心議題。

5、綜合而言，高速船上使用復合材料優勢明顯，可以極大地減少燃油耗量，但在大型低速船上，完全使用復合材料的優勢并不明顯，通常的做法是鋼材和復合材料混合使用。

西方漢學中沃爾夫林中國藝術研究的影響——兼論高居翰的視覺研究方法 ………………………………………………… 吳佩烔 4·112

——清潔能源

清潔能源包括LNG、太陽能、風能、波浪能、潮汐能和燃料電池等。目前普遍認為LNG是現階段滿足經濟性和環保性的最有希望、最成熟的替代燃料，因此我們可以看到在許多的概念船型中，均以柴油和LNG或純LNG作為主燃料，再輔以太陽能、風能、燃料風池以及岸電等技術。

1、LNG

與傳統重燃油相比，使用LNG可基本消除顆粒物的排放，減少90%～95%的SOX排放以及20%～25%的CO2排放。NOX排放的減少程度根據發動機類型的不同會有所差異，如果使用稀薄燃燒的4沖程氣體燃料發動機，可減少90%的NOX排放，這類發動機適用于旅游船、小型貨船和工程船舶，但對于大型商船適用的低速二沖程發動機，NOX排放的減少量相對較少。經濟性上，當前在歐洲和美國，LNG價格與重燃油相差不多，并且比低硫汽油更具價格優勢。

船舶使用LNG的最主要的挑戰在于燃料艙的容積比傳統油艙大2～3倍，且需要冷卻加壓，因此燃料艙成本較高，通常LNG燃料船的建造成本比同等尺度的柴油驅動船舶高10%～20%。另外補給LNG燃料的基礎設施目前比較缺乏，也使LNG的大量推廣有所限制。不過由于技術較成熟以及排放上和價格上的優勢，LNG是發展潛力最大的清潔能源，未來有望在多種船型上使用，特別是那些需要在排放控制區長時間航行的船舶。

盡管海事界已開發出多型LNG燃料概念船舶，但目前實船應用最多的還是波羅的海沿岸，2000年首艘LNG燃料船在挪威境內營運，2003年荷東船東訂購的首艘LNG燃料油船在德國船廠完工。目前LNG燃料應用最多的領域是渡船和海工支援船。

2、風能、太陽能

風能、太陽能等可再生能源的應用也得到了海事界相當大的關注，一些相關的概念船舶被提出，其中部分已進行了實船試驗，雖然可再生能源環保性極佳，但以目前的技術尚無法作為大型商船的主要能源供船舶推進使用，絕大部分僅能作為一種補充，提供船上部分生活用電。

德國建造的太陽能游艇“Turanor”號是世界上最大的完全由太陽能提供動力的船舶，該船利用太陽能發電來給蓄電池充電，船長31米，船寬15米，可供6人乘坐。

目前風能的利用方式主要有風力旋筒、剛性風帆和風箏等，根據各自的使用原理，具備不同的優缺點。其中，風力轉筒的優點只要是空氣動力學性能好。缺點是本身消耗能源，與船舶安全駕駛視線沖突，占用甲板面積較大；剛性風帆的優點是應用較多，技術成熟，相關實驗研究較全面。缺點是占用甲板面積較大。風箏的優點是占用甲板面積小，可利用的風速較高。缺點是可利用的風向范圍較窄，收放時間較長，帆的總面積不大。

3、燃料電池

4、岸電

通常，船舶靠港時關閉主機，運行輔機。全球船隊中每年約有5%的燃油消耗在船舶靠港期間，港口是人口密集區，船舶靠港期間的排放嚴重地影響了當地的環境和居民的健康。如果靠港期間可以直接使用岸上電力，那么船上的所有發動機均可關閉，SOX、NOX、CO2和顆粒物的排放均會大幅減少。目前這項技術已有實船應用。推廣岸電技術主要的障礙在于大型港口一般擁有充足的電網容量可以滿足要求，但小型港口缺乏必要的基礎設施。

——混合電力系統

為了充分地利用各種清潔能源，混合電力系統是未來船舶的發展趨勢之一，混合電力系統可以包括柴電裝置、燃料電池、電池組件、太陽能板或風力利用裝置以及超導電動機。采用混合電力系統能綜合利用多種能源，提升船舶的總體能效，特別適合那些動力需求波動大的船舶。

——減排設備

1、廢氣循環系統（EGR）

廢氣循環系統可將部分發動機廢氣重新送回發動機氣缸中參與燃燒，減少燃燒室空氣的氧含量，從而降低燃燒溫度，達到NOX減排目的。MAN公司開發的EGR系統應用范圍十分廣泛，以HFO、精餾燃油或天然氣為燃料的主機均可使用。試驗證明，采用該技術可達到將于2016年生效的IMO第三層級NOX排放控制要求。

圖9：EGR工作原理圖

2011年11月MAN公司獲得首個帶第二代EGR系統的主機訂單，安裝在現代重工為馬士基建造的4500 TEU集裝箱船上。該系統包含一臺冷卻器、一臺洗滌器、一臺水霧捕捉器和一個鼓風機，同時該系統還可作為主機的進氣冷卻器。經過優化，第二代EGR系統可循環使用40%的廢氣。

2、洗滌器

洗滌器安裝在船上排氣管中，與主機、輔機和鍋爐連接，可有效減少顆粒物和SOX的排放，即使使用含硫量達3.5%的重油也能將排放中硫的含量控制在0.1%的限值之內，可滿足排放控制區內對低硫排放的要求。

3、選擇性催化還原系統（SCR）

選擇性催化還原系統安裝在主機渦輪增壓器渦輪前方，是一種主機排氣后處理裝置，優化燃燒效率的同時還可減少85%～95%的NOX排放。SCR是目前減少船舶NOX排放最有效的方法。

4、廢熱回收系統

廢熱回收系統的工作原理是將發動機排放廢氣中的熱量和壓力收集起來，用于驅動渦輪機產生機械能，從而驅動發電機運轉。如果沒有廢熱回收系統，船舶消耗燃料所產生的能量中，有25%將被浪費。這種節能裝置目前在實船上應用較多，馬士基公司的“3E”級集裝箱船上就配有先進的廢熱回收系統，根據主機功率的不同，廢熱回收系統大小、價格會有不同，“3E”級船舶上配置的廢熱回收系統的費用高達每套1000萬美元，據估算，5～10年可收回投資成本，如果油價上漲，投資回收期將進一步縮短。

圖10：廢熱回收系統原理圖

5、空氣潤滑系統

空氣潤滑系統的原理是使用鼓風機向船底輸送空氣泡，以降低船底摩擦阻力，船底安裝空氣潤滑系統可減少7%的燃油消耗，減少10%的CO2排放量。2010年4月，三菱重工和日本郵船共同開發的空氣潤滑系統首次安裝在14538GT的“邪馬臺”號重載運輸船上進行測試，海試結果表明最多可以降低12%的能耗。

此外，還有安裝在螺旋槳和舵前、后方的節能裝置，優化水動力性能，提高能效，如預旋定子、螺旋槳轂帽鰭、低粘性阻力鰭、伴流平衡導管、舵鰭等。

作為一種歷史悠久的運輸方式，船舶在全球經濟和世界貿易中始終扮演著重要的角色，今后仍將作為最環保和最有效率的運輸方式活躍于全球。IMO對船舶環保性越來越嚴格的要求體現了人類社會追求健康和可持續發展的訴求，也體現了海事界對社會的責任感。

航運業從過去對實用性和經濟性的追求，發展到對高品質航運的追求，與此同時造船業也將從粗放型逐漸向精細化轉型，在這一進程中造船新技術層出不窮，船型飛速發展。2004年馬士基訂購了世界上首艘萬箱以上的超大型集裝箱船，今天全世界超大型集裝箱船的保有量已達195艘，馬士基最新的18000TEU集裝箱船已經投入到亞歐航線。1953年世界第一艘鉆井船投入使用，作業水深僅120米，2013年三星重工建造的鉆井船在3165米深的海底成功鉆井。五年前，一艘8萬噸左右的干散貨船油耗每天37噸左右，今天同等尺度的干散貨船油耗每天僅29噸。除了資金密集型和勞動力密集型，造船業也是一個技術密集型的產業，今后造船產業將越來越以技術作為主要競爭力。