新能源之殤

中國船級社 辛吉誠

新能源動力裝置的推廣對于我國船舶工業的發展而言既是機遇也是挑戰。

目前液化天然氣（LNG）、生物柴油、海洋風能、太陽能、燃料電池等新能源技術已陸續開始應用于船舶推進，各類新能源動力裝置也在不斷完善。這些新能源普遍具有供應充足、低碳環保、價格適中的特點，不僅可以基本滿足航運業對于能源的需求，還能夠有效地減少船舶營運過程中的碳排放，進而降低船舶的EEDI值，確保船舶能夠滿足國際范圍內日趨嚴格的環保要求。然而，目前世界范圍內主流船型依然傾向于采用傳統的礦物燃料作為推進能源，新能源動力裝置在船舶上的應用并不普遍。這些新能源動力裝置在某些方面與當前國際航運業的需求還存在較大的差距。

能量密度普遍不足

能量密度不足是制約新能源動力裝置在大型船舶上運用的根本原因。新能源動力裝置能量密度不足最典型的表現形式是在輸出相同的功率時，新能源動力裝置往往需要占據船上更多的空間。新能源動力裝置的這一特點將對船舶總體的經濟性產生不可忽略的影響。以目前已在實船上采用的氣體燃料動力裝置為例，盡管氣體燃料發動機本身與傳統的柴油機在體積上沒有太大區別，但氣體燃料儲存與輸送系統相比柴油機燃油儲存與供應系統而言要復雜很多，其中最為典型的代表是氣體燃料動力裝置的燃料儲存艙。盡管在燃燒熱值相同的情況下燃油需要比液化氣體燃料占據更大的空間，但燃油艙可以見縫插針地布置在船上的大部分位置。然而無論是采用壓縮還是液化技術，氣體燃料儲存艙本身都不可避免地具有一定的幾何形狀；加上氣體燃料儲存艙與燃油艙相比具有更高的潛在風險，因此氣體燃料儲存艙在船上的布置無法像燃油艙那樣靈活。在船上尋找特定的位置安置氣體燃料的儲存與輸送系統，必然會在一定程度上減少船舶的盈利空間，對于集裝箱船、滾裝船這類型船舶的布置而言氣體燃料動力裝置的這一弱點將更加突出。

在古代海運中廣泛采用的風能如果運用于現代船舶也存在能量密度不足的問題。歐洲最大的帆船“普魯士”號滿載排水量11330噸，載重量8100噸，采用5桅風帆推進，海上平均航速16節。我國明朝所建的鄭和寶船采用9桅風帆推進，排水量約為22848噸，載重量約為9824噸，海上平均航速約15節。相對“普魯士”號而言，鄭和寶船的排水量增加了近萬噸，而載重量僅增加了2000噸左右。可見如果完全采用風帆作為推進動力，隨著船舶尺度的增加所需風帆及其他配套設備將占用大量的空船重量，這將進一步減少動力裝置的能量密度，對于船舶經濟性而言是非常不利的。與此同時，“普魯士”號船長131.9米，型寬16.4米，吃水8.3米，據此估算其方形系數為0.63，這在現代屬于非常瘦削的船型。現代集裝箱船方形系數一般為0.63～0.68，而散貨船、油船等載重型船舶方形系數可達0.84～0.89，在排水量相同的前提下其航行時的阻力將遠大于“普魯士”號。一艘載重量為8000噸左右的現代貨船如果采用類似“普魯士”號的風帆推進型式，其在海上的平均航速可能只有7～9節左右。由此可見，如果僅采用風帆這類能量密度偏低的動力裝置作為推進動力將無法滿足現代大型船舶的推進需求。

歐洲古代快速帆船“普魯士”號

我國明朝所建的鄭和寶船

新能源能量密度不足的另一個表現形式是其動力裝置的單機功率與傳統的低速二沖程柴油機相比存在明顯的差距。風能、太陽能電池、燃料電池的單機功率與傳統的柴油機顯然不在同一個數量級上。即使是目前單機功率較大的氣體燃料發動機在單機功率方面與傳統的二沖程柴油機相比，依然存在顯著的差距。盡管近年來氣體燃料發動機在稀薄燃燒、多點均勻點火等關鍵技術方面實現了突破，然而單一氣體燃料在低速發動機高壓縮比時的爆燃壓力問題目前依然無法有效地解決。如果采用對進入燃燒室的燃氣加壓以增加燃燒室內的燃料供應，高壓燃氣系統的采用又會給船舶安全增加不少額外的風險。因此目前常見的氣體燃料發動機主要為壓縮比相對較低的四沖程中高速發動機，其單機功率依然不及二沖程柴油機。因此在現有的技術條件下，單獨使用新能源作為船舶推進動力時，不得不采用多臺原動機并聯的工作模式，這將進一步增加船舶動力裝置的復雜程度，進而導致新能源動力裝置能量密度不足的問題更加突出。

工作可靠性有待提高

動力裝置工作可靠性不高，是制約新能源在遠洋船舶上運用的另一個重要原因。持久可靠的動力源是船舶在海上安全航行的重要保障。特別是當遇到惡劣天氣時，持久可靠的推進動力對確保船舶安全具有不可替代的作用。然而目前能夠運用于船舶推進的新能源普遍存在動力輸出不穩定，推進裝置可靠性不高等問題。風能就是一種最典型的不可靠推進動力。盡管古代帆船可以通過調節風帆與風向的夾角實現在“八面風”甚至逆風狀態下航行。然而即便是在季風或信風盛行的地區，海上的風向和風力都在不斷地發生變化，由于無法獲得持久穩定的推進動力，古代帆船航行的不確定因素很多，船損或貨損事故非常普遍。

目前已運用于現代船舶推進的電力推進系統，從實際使用的情況來看也是一種不穩定的動力裝置。這類動力裝置類似于柴電推進動力裝置，即采用多臺氣體燃料發動機、燃料電池組、或者其他能源轉化裝置，也可以采用以上各種能源轉化裝置的組合提供電能，由電動機驅動船舶推進器推動船舶前進。這類動力裝置可以在一定程度上解決新能源發動機單機功率不足的問題，同時提高船舶的推進冗余度。然而采用電力推進系統的船舶輸配電系統通常會比較復雜，推進系統的任何位置一旦發生故障將直接導致船舶失去推進動力。盡管作為原動機的中速氣體燃料發動機或燃料電池工作可靠，但這類動力裝置的總體可靠性依然不足。為確保船舶安全，采用這類動力裝置的船舶通常會選擇兩臺或兩臺以上的獨立的推進器來彌補其可靠性不足的弱點。不過遺憾的是，從實際使用的情況來看，由于輸配電系統故障導致所有推進器同時失效的事故還是時有發生，其可靠程度與柴油機推進裝置相比依然存在非常顯著的差距。

缺乏統一的安全技術標準

缺乏世界范圍內統一的安全技術標準是制約新能源在全球范圍內使用的又一個重要原因。航運是一項高風險的行業，因此各國政府都會對航運安全進行專門的立法，與航運相關的國際組織也會制定相應的國際公約。由于目前世界各國經濟與科技發展水平差異很大，現行的國際公約中并沒有關于新能源動力裝置技術要求的統一規定，不同國家法律法規中關于新能源動力裝置的技術要求也不盡相同。以燃料電池動力裝置為例，目前波羅的海沿岸各國法律法規關于這類動力裝置中燃料儲罐安全方面的技術規定存在非常顯著的差異。這些差異直接導致了采用燃料電池動力裝置的船舶只能在其本國的領海范圍內航行。

缺乏全球范圍內統一的風帆動力船舶穩性衡準在一定程度上制約風能在現代船舶上的運用。一般來說，風帆的總面積越大其所提供的推進動力也越充足。然而，過大的風帆面積必然會導致船舶側面受風面積的增加，進而導致船舶風傾力矩的增大。根據傳統帆船的風帆型式估算，現代排水量為10000噸左右的船舶，如果采用風帆作為推進動力其受風面積至少會增加到原來的2倍，這將直接導致船舶穩性方面的富裕度大大減少。與此同時，由于安裝風帆而導致的船舶重心位置升高也會對船舶穩性造成不利的影響。因此無論是作為主要推進動力還是輔助推進動力，帆船都難以滿足現行國際公約中關于船舶穩性要求。目前世界范圍內使用風帆作為推進動力的船舶只能采用國內立法的方式，為其設定單獨的穩性衡準與操作性要求。這些采用風帆動力裝置的船舶只能用于國內航運，無法承擔國際貿易中的運輸工作。

使用成本不接地氣

盡管新能源具有低碳、廉價、環保等種種優勢，然而目前世界范圍內新能源動力裝置價格普遍偏高，在經濟效益方面的優勢遠不及傳統能源。初始投資成本昂貴是限制新能源動力裝置被廣泛采用的最主要原因。以普通船舶電站為例，柴油發電機的采購成本約70～120美元/千瓦；相比之下目前世界主要燃料電池供應商所提供的燃料電池報價為1500～3000美元/千瓦；而太陽能電池的報價則高達9000～14000美元/千瓦。高昂的初始投資成本使很多航運企業對于采用新能源動力裝置望而卻步。

與傳統礦物能源相比，新能源動力裝置的初始投資成本偏高不僅體現在船舶動力裝置本身，為這些動力裝置配套的岸基設施建設所需要花費的成本也非常可觀。氣體發動機、燃料電池動力裝置所采用的液化氣體燃料與柴油機所采用的生物柴油，在儲存和運輸方面的要求相比傳統的礦物燃料要高出很多，這將直接導致岸上燃料加注基站的建設成本大大增加。據估算，建設一座同等規模的氣體燃料基站所需的資金是普通燃油基站6倍左右。考慮到公共安全方面的因素，相對傳統的燃油基站而言，氣體燃料基站在選址方面也受到了很大的限制。這些都在很大程度上影響到各國企業對于新能源投資的熱情。不少新能源由于目前缺乏充足的岸基保障，很難在航運業中被廣泛采用。

與傳統的柴油機動力裝置相比，新能源動力裝置不僅初始投資大，其后續維護保養的費用也不容忽略。以氣體發動機為例，由于其單機功率不足，通常會采用多臺原動機聯合作為船舶主推進的動力裝置，這將大大增加發動機維護保養的工作量，進而導致動力裝置整體維護保養成本的提高。近年來研發成功的雙燃料發動機雖然可以有效地解決大功率高壓縮比發動機的爆燃壓力與燃燒穩定性問題，進而有效地提高氣體燃料發動機的單機功率。然而由于燃油中不可避免的存在硫、磷等雜質，當燃油與天然氣同時燃燒時必然會產生各類酸性物質，這些酸性物質將導致發動機燃燒室位置發生腐蝕。因此雙燃料發動機的維護保養非常頻繁，過于頻繁的保養而導致的直接和間接經濟損失也不容忽視。

根據目前的預測，全世界范圍內已探明的石油儲量僅可供人類再使用40～60年，目前世界每年石油消費量是新勘探石油儲量的4～5倍；這些新勘探的油田多位于深海，開采的技術難度和成本都很高。因此盡管目前新能源大規模用于船舶推進還存在各種各樣的問題，隨著科技的不斷進步，它們終將逐步取代傳統的礦物能源，成為未來船舶推進動力的主流。新能源動力裝置的推廣對于我國船舶工業的發展而言既是機遇也是挑戰。隨著全球原油供應的日趨緊張和國際海事組織對船舶排放的規定愈加嚴格，未來將會有越來越多的船舶采用新能源動力裝置。我國航運界應當積極開展新能源動力裝置的研究工作，加速國內政策與行業標準的制定，為我國在未來國際標準制定過程中掌握主動、爭取話語權做好充分的準備。