將概念想法變成革命創新

本刊記者 趙 博

在前一篇文章中，我們大致了解了當前正在航運業中開展的清潔能源船舶項目或技術，并可從中了解海事界的節能減排新動向。在這一部分文章中，我們選擇其中四個項目，將更詳細的信息展示給讀者。

“ZEEDS”倡議：暢想未來

“ZEEDS”倡議設想看似科幻，但可能是對未來的最好投資。

由瓦錫蘭牽頭領導的“ZEEDS”倡議（海上零排放能源分配倡議）設想了這樣一種未來：海上航線和設施可以像陸路交通和設施一樣被有效組織，在這個廣泛的網絡下，風能生產清潔能源，船舶在海上補充燃料，整個海上清潔燃料的生產/分配中心和生態系統將被戰略性地部署在全球各地。

“ZEEDS”倡議下的海上加注設想圖在“ZEEDS”倡議設想下，未來的樞紐設施由設置在海上風力渦輪機旁邊的燃料中心組成，每個設施由約75臺大型風力發電機提供動力，另為有效利用海洋能源，太陽能和海浪技術也可被視為潛在應用。這些樞紐在淺水區被設計成以重力為基礎的結構，而在深水區則被設計為半潛式漂浮結構。

燃料中心被建造成雙層平臺，風力渦輪機產生的能量將用于從海水中生產氫氣（平臺第一層），而在第二層平臺，氨燃料將被制出（由提取的氫氣和氮氣制成）并有效儲存、使用。值得一提的是，氨將被存儲在平臺上或使用水壓將燃料液體儲于海底儲罐中。盡管“ZEEDS”倡議的重點是綠色氨燃料，但在未來可能也包括氫或液態沼氣等燃料的生產。

這或許是業界實現零排放運輸的最快途徑之一。在“ZEEDS”倡議中，加注船隊可以由一種能源供應船（EPV）組成，這些運力自載燃料為待加注船提供動力源，并在主樞紐平臺或燃料儲存基地周圍的50海里范圍內自由航行。無人機從EPV上面引出加油軟管，并使其與接收單元配合。在設想中，預計加注時長為兩小時（兩船以六節的速度航行）。

瓦錫蘭表示 ：“ ‘ZEEDS’倡議希望將航運業向碳中和運輸的過渡提高到更高水平。海事行業需要進行全面轉型。也就是說，除船隊轉型外，還需要解決從加油和分銷開始供應鏈及物流環節的問題，因此需要快速建立起能夠支持全球船隊加注的基礎設施。”

在“ZEEDS”倡議設想下，氨將利用水壓存儲在海底儲罐中，以保持燃料液體的狀態，隨后通過加油浮標將其帶出水面并有EPV加注。“這種方法旨在避免在主樞紐區域內發生‘交通擁堵’，且船只將減少對港口加注的依賴度，有助于環節港口擁塞，降低運輸總時長。”

據瓦錫蘭透露，“ZEEDS”倡議最初是為北海和波羅的海區域暢想的，因該區域可再生能源開發已經非常先進。“75臺風力渦輪機每天將能夠支撐2500立方米的氨制取，這個數量足以為147艘船服務。而通過五個樞紐供應，我們可為大約750艘船提供燃料支持，這相當于北海和波羅的海區域船隊數量的50%。”

“這是對未來的最好投資。”瓦錫蘭表示，可以將相同的模型移植到遠洋運輸中，“雖然我們不能在一夜之間獲得成功，但我們正在尋找更多區域和不同的解決方案，用更少的船只為更多的船舶加注氨燃料。”

將電池系統裝入集裝箱

集裝箱式電池儲能系統或許是又一次集裝箱化革命。

馬士基與Trident Maritime Systems合作制造的一種600千瓦時集裝箱式船舶電池儲能系統可被置于集裝箱船上，為其以提供所需動力。這種電池已被安裝在載箱量為4500TEU的“馬士基·開普敦”輪上（Maersk Cape Town）。

這項試驗有助于加深業界對儲能系統的了解，支持集裝箱船隊和港口碼頭進一步電氣化進程。這是業內首例測試電池儲能系統的試驗，在將展示電池技術不斷改善船舶性能的同時，還可以減少非動力推進電氣系統的油耗。這套集裝箱式船舶電池儲能系統的大部分設備存放于40英尺集裝箱內，包括6支電池架（包含108個電池模塊）、功率轉換裝置和變壓器（用以改變船上使用的交流電和電池所需的直流電之間的電壓）、邏輯控制器，以及一個用來管理電池箱和電池系統之間的連接和電流的斷路器。與此同時，內置的溫控和通風系統可以使所有部件保持在恰當的工作溫度范圍之內。這個40英尺集裝箱被安置于“馬士基·開普敦”輪艉部的系泊甲板上方。

該系統可以在電力負荷快速變化期間（如船舶推進器運行），支持高達1800千伏安發電機輸出功率，從而減少發電機的維護要求，并能夠提供冗余電源，確保連續供電，提高航行可靠性。同時提高電氣系統（如船舶發電機）效率，將船舶輔助發電機維持在最佳負荷狀態，避免其在不需要時運行，進而降低總體燃料油消耗。

這次馬士基在“馬士基·開普敦”輪上進行的電池試驗，旨在測試這項技術的價值，并幫助業界建立對如何最大限度地利用這項技術的理解。“馬士基·開普敦”輪上使用的廢熱回收系統是其旗下很多集裝箱船特有的系統，可將動力裝置廢氣排放系統中的熱能進行轉化，并給電池充電，從而提高船隊整體收益，預計將大大減少輔助發動機的運轉時間，而更有效的發動機負載，或將實現260噸燃料油/年的節省效果(以“馬士基·開普敦”輪為例)，更重要的是，對于現役的3E型集裝箱船而言，也將有相同比例的燃料油節約。除減少燃料油消耗和溫室氣體排放，這套集裝箱式船舶電池儲能系統還強調了船舶噪音污染的降低。

“馬士基·開普敦”輪上的集裝箱式電池儲能系統外觀

“馬士基·開普敦”輪上的集裝箱式電池儲能系統內部圖

Trident Maritime Systems則表示，電池儲能系統可以被用在除船隊之外的馬士基集團旗下運營的其它相關資產，比如碼頭領域。碼頭運營和船舶運營非常相像，電力發揮至關重要的作用，其照明、岸吊、集疏運、軟件系統、冷藏箱堆場運轉均需要電力支持，而且相較于船舶減排，港口減排的方式較少，例如船舶在當前可以通過切換燃料油、調整航速等多種即時可行的方式減排、增益，而港口減排的方法多被聚焦于岸電技術，且碼頭自動化的建設投資非常大，成本回收周期長，因此將船用電池儲能系統的試驗成果和實踐經驗復制到碼頭運營，或是業界期待。相信在未來，電池儲能也將成為一種成本可行的港口解決方案。而其他類型船舶（如拖輪和打撈船）也可以了解并使用這種電池儲能系統，從而最大限度地在其發揮的效益中獲得更多收益。

“NYK Super Eco Ship 2050”概念船：既用氫，也很輕

這艘氫能概念船的設計獨特，且用新材料降低了船體重量。

日本郵船研發的“NYK Super Eco Ship 2050”概念船除使用氫燃料作為電力推進裝置外，還通過減輕船體重量、應用太陽能電池板等方式促進脫碳。這艘概念船以汽車運輸船為模型，設計采用創新技術，通過改造船體減少水摩擦、降低船體重量、引入用于電池并依賴其他高效推進設備，使得運營船舶所需動力減少70%。船舶動力將來自于太陽能和可再生能源產生的氫氣，二氧化碳排放量降至為零。

在燃料創新方面，“NYK Super Eco Ship 2050”概念船中的氫基由可再生能源生產，氫氣儲罐容量為1900立方米，可提供21天的續航能力。由于儲氫裝備較為昂貴，該船也可通過約9000平方米的太陽能板提供額外動力，其能動轉化率約為45%，可提供約15%的船舶動力。

該概念船船體重量已經通過動態的數學設計優化，使用輕質材料作為上部結構，船上安裝計算機控制的設備，從而為輕質船體提供主動穩定性。另外，該船還采用了空氣潤滑系統，有效降低船舶底部和海水之間的摩擦阻力。在港口停留期間，自動船體清潔系統可以防止對船舶效率產生任何負面影響。同時，概念船通過操作多個類似翼片的鰭片而非傳統螺旋槳來提高推進效率。

具體而言，“NYK Super Eco Ship 2050”概念船有幾點特別之處。在正常情況下，船舶配備的浮箱（Pontoon）高于水面以使阻力最小化，但在特殊情況下，浮箱會下沉到海面以提供額外的穩定。由計算機系統控制的回轉穩定器將安裝在船舶底部，以提供穩定性。常規的螺旋槳被模仿金屬膜片運動襟翼代替，這會給船舶提供更高的動力效率。在船舶航行期間，潤滑系統產生的氣泡會從船底釋放，以減少海水與船體之間的摩擦阻力。船體清潔機器人的作用則在于船舶在港停留期間自動清潔船體，以減少下次航行時可能造成的船舶阻力，并將收集到的雜質回交給港口防污系統處理。

“NYK Super Eco Ship 2050”概念船效果圖

船舶新材料創新

船舶配備的浮箱位置

創新的襟翼設計

可提供額外動力的太陽能電池板

高效的貨物裝卸能力也是“NYK Super Eco Ship 2050”概念船的特點，可同時進行“船對泊”和“船對船”操作，節省港口資源。得益于岸上基礎設施的改善，“NYK Super Eco Ship 2050”概念船還配備了自動系泊系統，從而最大限度地減少在港停留時間。

“風挑戰者”與“風捕捉者”：借風揚帆

商船三井進一步創新探索，尋求風能在海事界的新應用。

商船三井與大島造船株式會社設計的硬帆系統利用伸縮式硬帆可將風能轉化為船舶推進力，被認為是“風挑戰者”項目的基礎技術。這套硬帆系統將應用于運煤船，為日本東北電力公司的熱力工廠運輸煤炭，其安裝的風帆能夠根據風的強度在四個階段進行自動伸縮，并能自動旋轉，以調整到可以充分利用風力的方向。

全球首艘安裝有硬帆系統的運煤船預計在2022年后投入運營，根據評估，該船在日本-澳大利亞航線上的溫室氣體排放量可減少約5%，在日本-北美西海岸航線上減少約8%。

“風挑戰者”項目船舶概念圖

商船三井表示：“從船用發動機角度來看，燃料從碳基轉變為非碳基燃料或許是未來航運業的主流，但這些燃料將非常昂貴，而風力節能技術在任何時代都具有市場競爭力。而且‘風挑戰者’項目的硬帆角度和高度是由全覆蓋的傳感器全自動控制，可確保冗余度。之所以選擇硬帆而不是旋筒風帆，我們考慮的是在相同風況下，機翼形風帆產生的推力比轉子大，當然由于成本，硬帆系統無法覆蓋所有船舶，因此旋筒風帆技術未來也是我們的選擇之一。”

在開發過程中，商船三井解決了諸多問題。如“風挑戰者”項目使用纖維增強復合材料（FRP）減輕系統重量。

“風捕捉者”項目是對“風挑戰者”項目的進一步創新探索，最終目的是實現船舶零排放，它結合了風力推進航行技術和通過風能轉換產生穩定氫氣供應的技術，將風能和燃料電池與電解槽產生的氫氣結合起來（電解槽的電力由風力發電產生），使船舶能夠在強風氣候下捕獲風能，并在低風速段的航行過程中產生氫氣，保證船舶常規航行。

商船三井表示：“我們將繼續進行‘建造更大尺寸船舶’的探索，并將必要的關鍵設備（如電解水槽、燃料電池、MCH發電機、脫氫發電機）裝在船上，而新技術的特征之一是在船上制造氫氣，并且可以將其轉化為推進力以及必要的電力。同時，商船三井提出了‘到2030年部署具有零溫室氣體凈排放的商業深海船舶’目標，并加快我們在五個方面的行動以實現路線圖策略。”

行業對綠色船舶充滿了期望。但從客觀上講，這是新事物。其發展面臨一些挑戰，如法規、燃料安全等。“就‘風捕捉者’項目而言，我們目前關注的問題之一是對船上處理氫氣沒有特定的類別/標志要求，行業必須深切關注安全方面。”據悉，商船三井將使用一艘帆船演示該概念的可行性，驗證一系列循環操作的功能和性能，即渦輪發電、制氫/儲氫和燃料電池相關推進。未來，該項目團隊還計劃研究如何將海上產生的氫氣供應陸上使用，以創造一個完全沒有任何溫室氣體排放的零排放運輸系統。

“風挑戰者”項目船舶硬帆系統

“風捕捉者”項目船舶靜態示意圖