風帆助航，下一個技術(shù)熱點？

中國船舶信息中心 馮書桓

風能在船上的應用已有數(shù)千年的歷史。如今船舶通過改善發(fā)動機技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能減排幾乎已達到極致，而利用清潔、可再生的風能或太陽能作為輔助能源推進船舶已成為各國新的研究方向，以在保持船舶航速不變的同時減小燃油消耗，達到節(jié)能減排的目的。

風帆船舶概述

古代船舶風帆主要為軟質(zhì)帆，按船舶桅桿數(shù)可分為單桅帆船、雙桅帆船和多桅桿帆船等，通常為單體船，也有少數(shù)抗風浪能力較強的雙體船，主要靠帆具借助風力航行，靠槳、櫓和篙作為無風時起航、推進和靠泊的手段。20世紀，隨著內(nèi)燃機和蒸汽機在船舶上的大量使用，風帆在船舶貨物運輸領(lǐng)域逐漸退出了歷史舞臺，但卻作為一種娛樂活動保留了下來。帆船運動起源于16～17世紀的荷蘭，19世紀英美等國紛紛成立帆船俱樂部，1900年在第二屆奧運會上被列為比賽項目。近年來，隨著IMO限硫令與溫室氣體減排戰(zhàn)略的實施，船東對新燃料、新能源技術(shù)興趣不斷提升。風帆助航技術(shù)經(jīng)過了長時間的發(fā)展，目前船上應用的技術(shù)可分為以下幾類：

一是翼型風帆。翼型風帆剖面與機翼相似，按其剖面形狀可分為層流型、圓弧型、普通型、臥背型等。常見的包括矩形帆和三角形帆，可采用液壓裝置對風帆的展縮與角度進行控制，最早在競爭激烈的美洲杯帆船賽上應用，后逐步擴展到商船。由于翼型風帆會帶來一定程度的視野遮擋，所以通常會設(shè)置一根帶有攝像機的前桅保證船只的視野。

二是天帆。天帆形似風箏，由牽引繩索與船體相連，下掛控制吊艙，裝有控制器件與驅(qū)動器件，以控制風帆飛行姿態(tài)，是專門為現(xiàn)代商船開發(fā)的技術(shù)，其優(yōu)點在于可有效利用上層穩(wěn)定而強勁的風力，且不占用甲板面積，不影響船舶主尺度。

三是轉(zhuǎn)筒帆。轉(zhuǎn)筒帆由可以旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)筒和轉(zhuǎn)筒兩端的端板構(gòu)成，其原理為瑪格努斯效應，即圓柱體在流動的氣流中轉(zhuǎn)動時，會產(chǎn)生一個垂直于氣流方向的橫向力，推動船舶前進。

圖1 翼型風帆

圖2 天帆

圖3 轉(zhuǎn)筒帆

風帆助航技術(shù)實船應用情況

自上世紀70年代末80年代初以來，受能源危機影響，日、美、英、法、荷蘭等國相繼開展了新型風帆船舶的研究和開發(fā)工作。歐美各國的研究主要側(cè)重于“帆主機從”的方式，即以風帆作為主要動力來源，內(nèi)燃機作為補充；日本則側(cè)重于“機主帆從”，以風帆作為補充。

圖4 “新愛德丸”號

圖5 “海翼”風帆裝置

日本于1980年建成世界上第一艘翼型風帆助航船舶“新愛德丸”號，該船由翼型風帆所節(jié)省的主機功率達11%～14%，效果非常顯著。此后，日本又陸續(xù)建造了“扇蓉丸”“日產(chǎn)丸”“日德丸”等風帆助航貨船，在千噸和萬噸級遠洋船舶上也進行了試驗。上世紀90年代，日本還在一些噸位較小的遠洋船舶上開展了硬質(zhì)帆的實船試驗，但因石油價格下跌，技術(shù)不完善和操作復雜等原因沒有得到進一步推廣。

近年來隨著IMO溫室氣體減排戰(zhàn)略的推進，日本再次加大了對風帆技術(shù)研發(fā)和應用的力度。2019年6月，日本航運巨頭川崎汽船與法國船舶自動風帆動力研發(fā)商Airseas公司簽署為期20年的協(xié)議，為川崎汽船的一艘船安裝“海翼”（Seawing）風帆裝置并提供服務，意向訂購50套。該裝置能實現(xiàn)超過20%的燃料節(jié)約和污染減排，以好望角船為例，每年可減少5200噸二氧化碳排放。

2019年10月，日本商船三井宣布與日本東北電力公司合作，在煤炭運輸船上安裝風帆動力裝置，為東北電力公司的火力發(fā)電廠運輸煤炭。據(jù)悉，裝置將使用硬翼型帆，是商船三井與大島造船主導的“Wind Challenger Project”的關(guān)鍵技術(shù)，2019年10月初獲得日本船級社（NK）頒發(fā)的原則性批準。該技術(shù)能使每次航行的燃料消耗降低5%至8%，預計日本-澳大利亞航線上將能減少5%的溫室氣體排放，日本-北美西海岸航線上能夠削減8%的溫室氣體排放。如果搭載4個風帆裝置，船舶最多將能夠減少30%的能源消耗。

2019年11月，歐盟啟動了風帆助航船舶計劃（Wind Assisted Ship Project， WASP項目），通過歐洲區(qū)域發(fā)展基金為相關(guān)技術(shù)發(fā)展提供540萬歐元資金支持，項目團隊成員包括船東、高校、科研機構(gòu)等。據(jù)估計，直接將風力助航系統(tǒng)安裝在現(xiàn)有船舶上可減少5%～20%的燃料和排放，若通過改裝或優(yōu)化新船設(shè)計，燃料消耗和溫室氣體排放減少可達30%。WASP項目將通過實船應用為市場和政策制定者提供相關(guān)運營參數(shù)、燃料節(jié)省和商業(yè)模式相關(guān)信息，以加速航運業(yè)去碳化進程。

我國自80年代開始在廣東、浙江、上海、山東、武漢等地相繼開展了翼型風帆的研究工作，1990年5月建成第一艘電子控制的全自動3000噸風帆貨輪，但總體上研究主要集中于小型內(nèi)河與沿海船舶。近年來受IMO政策影響，我國提高了對風帆助航船舶技術(shù)研發(fā)與實船應用的支持力度。2018年10月，由大連船舶重工集團為招商輪船建造的30萬噸VLCC風帆樣機完成實船試驗，該試驗是我國首次在大型遠洋船舶上應用風帆，充分證明了翼型風帆在超大型船舶節(jié)能減排方面的有效性，不論從風帆樣機的尺寸，還是所安裝船舶的噸位，均為國際領(lǐng)先，標志著我國在船舶風力資源推廣應用方面取得重要進展。目前，翼型風帆二期項目正在穩(wěn)步推進中。

圖7 2019年11月，歐盟啟動了風帆助航船舶計劃（Wind Assisted Ship Project, WASP項目)

圖8 翼型風帆VLCC

風帆助航技術(shù)在國際海事工業(yè)界中的討論

一是關(guān)于IMO關(guān)于溫室氣體減排的討論。風帆助航技術(shù)近年來的蓬勃發(fā)展與IMO推動溫室氣體減排戰(zhàn)略密切相關(guān)。推動海事工業(yè)界節(jié)能減排的呼聲由來已久，早在1997年召開的聯(lián)合國氣候變化框架公約（UNFCCC）締約方第三次會議的決議附錄中，就提出了“國際航運界應和國際航空界一起在專業(yè)國際機構(gòu)的指導下，致力于減少溫室氣體的排放量”的要求。按照該項要求，國際海事組織在2003年第23次大會上通過了“國際海事組織關(guān)于船舶溫室氣體減排的政策和實踐”的大會決議 A.963（23）；2018年4月9日至13日，國際海事組織（IMO）海上環(huán)境保護委員會（MEPC）第72屆會議上以第 MEPC.304（72）號決議通過了《IMO船舶溫室氣體減排初步戰(zhàn)略》，該初步戰(zhàn)略從背景、愿景、減排力度和指導原則、短期/中期/長期候選減排措施及其影響、存在的障礙及支持性措施、后續(xù)行動、定期審議等7個方面，對國際航運業(yè)應對氣候變化行動作了總體安排，旨在與氣候變化協(xié)定《巴黎協(xié)定》中規(guī)定的溫控目標保持一致，推動國際航運業(yè)盡快減排，并在本世紀內(nèi)實現(xiàn)溫室氣體零排放。這是全球航運業(yè)首次為應對氣候變化制定的溫室氣體減排目標，向國際社會傳遞出航運業(yè)加快向低碳轉(zhuǎn)型的強有力信號。以此為背景，當前國際海事組織正在不斷推進溫室氣體減排的技術(shù)手段（改善新建造船舶的能效）、操作手段（減速航行、最佳航線選擇等）、基于市場機制的經(jīng)濟手段（燃油附加稅、排放權(quán)交易機制等）的研究和制定工作。

IMO溫室氣體減排戰(zhàn)略帶來了市場需求的變化，影響了產(chǎn)業(yè)競爭格局，新燃料、新能源技術(shù)的開發(fā)和應用成為船東以及整個海事工業(yè)最為關(guān)心的話題。目前較為成熟的船舶溫室氣體減排技術(shù)發(fā)展方向包括：LNG、LPG、甲醇、生物燃料、氫、風帆助航、電池、燃料電池等。

二是關(guān)于風帆的討論。除風帆助航外，大部分新燃料和新能源技術(shù)的市場供應機制和產(chǎn)業(yè)鏈尚待形成，岸上基礎(chǔ)設(shè)施需要進一步建設(shè)，且LNG、LPG、甲醇、氫等在生產(chǎn)環(huán)節(jié)本身就會產(chǎn)生溫室氣體或其他廢氣，因此對環(huán)保的貢獻程度有限。風帆作為船舶的動力來源歷史悠久，工業(yè)界積累了大量經(jīng)驗，前期實船應用已經(jīng)證明可有效減少燃料消耗與溫室氣體和廢氣排放。在價格方面，風帆助航裝置的成本主要集中在安裝和維護，運營過程中盡管需要船舶提供電能，但并不會帶來明顯的燃料消耗，所占比例幾乎可以忽略不計。風帆的使用不涉及到岸上基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，但需要對船員進行相應的培訓。法規(guī)方面，SOLAS公約允許使用風能作為船舶動力來源，但不可是唯一來源，否則無法滿足安全性和現(xiàn)代商業(yè)對貨物運輸時間的嚴格要求。當前針對風帆助航裝置的設(shè)計和建造并無國際法規(guī)或船級社規(guī)范的要求。

圖9 IMO MEPC 72

圖10 會場外標語“IMO，不要讓巴黎公約沉入海底”

IMO規(guī)定的EEDI指數(shù)計算為新技術(shù)的應用留下了空間，風帆技術(shù)也可在船舶能效中體現(xiàn)出來。值得一提的是，在風帆領(lǐng)域國際海事規(guī)則制定方面，我國結(jié)合國內(nèi)工程經(jīng)驗積極發(fā)聲，傳遞中國智慧。在2019年5月召開的國際海事組織環(huán)境保護委員會第74屆會議（IMO MEPC 74）上，我國結(jié)合翼型風帆在VLCC上的實船應用案例，向大會提交了《基于風洞模型試驗獲取船舶風力推進系統(tǒng)風力矩陣方法》技術(shù)主提案和《針對IMO若干通函中風推進系統(tǒng)相關(guān)評估框架補充與修改的建議》信息提案，就風力推進系統(tǒng)風力矩陣獲取方法及風帆技術(shù)應用過程中遇到的法規(guī)適用問題提出相關(guān)修訂完善建議，并把我國關(guān)于風帆系統(tǒng)在超大型船舶上應用的經(jīng)驗全面分享給全球海事業(yè)界，引起IMO對船舶輔助動力技術(shù)應用的關(guān)注，并將在2020年召開的MEPC75次會議作進一步討論。

風帆作為船舶動力裝置在船上的應用已有幾千年的歷史。現(xiàn)代風帆助航技術(shù)的發(fā)展與能源市場供應和國際海事規(guī)則變動密切相關(guān)。隨著IMO MEPC 72次會議上通過《IMO船舶溫室氣體減排初步戰(zhàn)略》，風帆以其獨特的優(yōu)勢重新受到了海事工業(yè)界的關(guān)注。目前，國際海事法規(guī)的修訂、技術(shù)開發(fā)、實船應用都在如火如荼開展之中，日本、歐洲、中國均在加大投入，風帆助航有望成為海事工業(yè)界新的技術(shù)熱點。