船舶清潔能源應用及發展方向

郝建國 劉文新

摘 要：隨著社會的發展和進步，我國經濟也處在高速發展階段。過去我國通過犧牲環境換取經濟的方法對我國生態環境造成了的巨大破壞。自進入現代化社會以來，我國逐漸意識到環境保護的重要性，發展綠色清潔能源，減少二氧化碳等廢氣污染物的排放是保護生態環境的重要舉措。幾千年以來中華兒女在黃河和長江兩個母親河的孕育下創造了燦爛的中華文明，時至今日二者依然作為國內運輸的航道發揮著自己的余熱。不過由于船舶使用柴油燃料對母親河造成了嚴重污染。本文從船舶清潔能源應用及發展方向的角度出發，旨在分析船舶污染、黑煙的來源，并提出船舶清潔能源應用選擇發展方向。

關鍵詞：船舶;清潔能源;天然氣

中圖分類號：U677 文獻標識碼：A

0 引言

工業革命對于社會的發展和進步具有劃時代的意義，但是同時也對社會環境造成了嚴重破壞。工業的發展需要有穩定的能源支持和供應，因此人們需要燃燒大量的煤炭和石油等傳統燃料來推動工業化的進程。與此同時，煤炭和石油等傳統燃料在燃燒過程當中產生了許多有害物質，這些有害物質污染著生態環境，也威脅著現代人的生命健康安全。發展清潔新能源代替傳統燃料已成為世界各國所面臨的共同發展問題。我國經過改革開放之后，國內經濟發展態勢越來越好，但是發展過程當中伴生的污染問題也十分嚴重。素有中華民族母親河之稱的長江作為內陸漕運主航道為人們帶來經濟利益的同時，也要承擔大量船舶燃燒傳統燃料所造成的污染。人們需要開發出船舶清潔能源以取代傳統燃料，這樣才能構建綠色、協調的新經濟。

1 船舶內燃機工作原理及污染原因分析

1.1 船舶內燃機及燃料使用

現階段我國船舶所使用的燃料仍然以柴油為主，船舶發動機的工作原理是將燃燒的熱量轉化為機械能，內燃機正是通過柴油燃燒時源源不斷產生的熱量作為主要的推動力。柴油作為傳統燃料在燃燒時會產生大量的固體狀的顆粒物，同時還伴隨著氮氧化物等有害物質的形成。就能源轉化效率而言，內燃機的效率非常高，再加上內燃機本身體積小、續航里程大的優點而被廣泛應用于船舶、航天等行業。隨著經濟的不斷發展，人們的物質生活水平不斷提升，人們對于船舶運輸業的依賴程度也越來越高。船舶行業的快速發展滿足了人們日常生產和生活的需要，但是船舶行業每年燃料燃燒所產生的有害物質也正在危及人們的生命健康，生態環境也受到船舶燃料燃燒的影響其原本的生態結構也正在遭受破壞。

1.2 汽柴油成分

汽油是當前世界應用最廣泛的一種傳統能源，汽油作為燃料其本身的成分結構十分復雜，據研究表明汽油當中含有上千種的化合物。其中主要是由C4-C12烴類物，其屬于混合烴類一種，顏色呈現無色或者淡黃色。汽油繼承了烴類混合物的特點，在空氣當中易揮發，也容易燃燒。本身不溶于水，但是能夠與苯、二氧化硫等物質融合在一起。

和汽油有所不同，柴油本身的能量密度非常高，并且燃燒消耗率非常低。按照沸點可以將柴油劃分為輕柴油和重柴油兩大類，正因柴油具備的獨特特點而被廣泛應用于船舶、航空以及汽車產業。

1.3 汽柴油內燃機的污染排放分析

汽柴油都是混合烴類物質，二者主要都是碳、氫兩種有機分子組成，通常情況下人們按照物質當中碳、氫兩種物的比值和大小關系對其進行分類，并且也能夠確認物質的性質。而判斷物質碳氫關系的不等式為y≤2x+2，汽油當中碳原子的數量在5～11之間。由碳氫組成的物質可以按照碳氫的數量關系以及其本身的含量去判斷物質的特性。由于柴油當中碳原子的含量在15～18個，烴化物在燃燒時，物質當中的含碳量越高，就越容易產生一氧化碳和黑煙。而物質本身的燃燒就越不充分。這也是的柴油比汽油更容易產生黑煙的重要原因。大型的貨輪和船舶選擇柴油作為推動力會造成許多污染，柴油在完全燃燒時的化學方程式主要為4CxHy+（4x+y）O2=4xCO2+2yH2O，即柴油在完全燃燒時，柴油當中的碳元素會全部轉化成為二氧化碳，而柴油當中的氫元素會全部轉化為水。即生成物質的化學式主要為碳氫化合物CxHy。而當柴油不完全燃燒時的化學方程式為4CxHy+ （2x+y） O2= 4xCO+2yH2O，4CxHy+yO2=4xC+2yH2O。柴油的不完全燃燒會產生一氧化碳、水、顆粒狀物。

柴油作為當今世界的主要能源，其在為世界作出貢獻的同時，也成為了世界主要污染物的來源之一。當前世界各國都出現了程度不同的霧霾，而在人們看來柴油作為能源物質，在燃燒過程當中柴油生成的顆粒狀物體是造成霧霾的只要原因之一?，F在每天大大小小的船舶在航行的過程當中會產生滾滾的黑色濃煙，黑色濃煙的真面目是由鉛、硫化物燃燒后生成的鉛氧化物和硫氧化物。這些有害的黑色濃煙未經處理直接排放到大氣環境當中對于生態環境造成了嚴重破壞。

2 船舶清潔能源發動機

（1）純電動驅動。現階段人們通過選擇、研究和創新的方式尋找可替代柴油作為傳統能源的綠色清潔新能源。其中人們最看重的便是由電力能源，電力能源是現代社會公認的清潔型新能源，將該能源應用在船舶發動上，船舶在行駛過程當中就會避免黑煙等有害物質的產生。不過作為動力能源的電力，目前還存在許多技術上的難題。像是人們最關心的續航里程和充電時長。再加上作為電力心臟的動力電池造價高、使用壽命短、外形和尺寸也較大。對于在城市內和城市周圍運行的船舶而言，這些船舶使用動力電池能夠基本滿足日常形式的需求，但是到遠離城市的地區，人們必須要考慮船舶行駛里程的問題。而對于中大型的船舶而言，除了要滿足日常續航里程的需要之外，還需要著重考慮到動力電池的輸出功率。就目前動力電池所能輸出的最大功率來看，動力電池還無法應用到中大型的船舶上面。即便當前人們在動力電池方面已經有所突破，借助著我國自主研發的電力推進系統可以實現內燃機自身的發電供給。我國在動力電池長距離運輸方面做了許多探究，通過使用電容擴容加鋰電池技術存儲的電能依然不能達到續航里程的要求。我國國土幅員遼闊，地區和地區之間的距離較遠，若是無法實現遠距離航運的能力，就無法保證將純電動驅動的電力能源應用到船舶當中。而對于船舶所使用的電池制造、報廢處理都需要嚴格按照國家的相關規定進行，否則會出現生態環境保護問題。

（2）太陽能動力。太陽能動力是將光能轉化為電能，再將電能存儲在電池當中，利用此方法來推動物體運動。太陽能作為一種綠色清潔能源能夠避免內燃機燃燒產生的有害物質。

不過太陽能發電存在一個明顯的弊端，太陽能動力的實現需要充足的陽光，若是遇到大霧、陰雨天等惡劣天氣，太陽能動力就會失去效力，充電也就無法保障。太陽能電池板是太陽能能源產生的核心材料，由于太陽能電池板本身的造價非常高，一旦損壞不單單會影響正常的生活，同時也會造成環境污染。就太陽能目前的發展現狀看，太陽能能源無法作為替代柴油的新能源使用。

（3）新型天然氣內燃機。在純電機、太陽能電池板等能源不能滿足船舶運輸需要時，人們可以重新對內燃機結構進行改造，通過改造可以使用天然氣作為代替柴油的新能源。利用天然氣能源代替柴油，在內燃機燃燒原理不變化的情況下，原來的動力依然不變。經過多年對船舶發動機的研究和探索，新型天然氣內燃機已經能夠基本滿足人們需要，并且逐步向清潔能源的方向靠攏。

3 天然氣發動機排放分析

相比柴油，天然氣本身成分較為單一，天然氣燃燒后會轉化為水和二氧化碳，即使在未完全燃燒的情況下也只會生成游離的碳顆粒，并不會像柴油一樣冒出大量的黑煙。天然氣的組成成分不包含鉛，即在燃燒后天然氣就不會生成鉛氧化物等有害物質。

4 新能源船舶的分類

（1）柴電動力推進船。柴電動力推進船屬于現代新能源船舶的一類。與傳統以柴油為動力的船舶不同，柴油動力推進船是通過電動機的電力作為的船只的能源。柴油動力船舶的出現有效解決了柴油燃燒不充分以及功耗高的問題。此外，該船只還能持續高效工作，在動力方面有較強的靈活性。其被廣泛應用于高輔助和高變荷的船舶當中。對于有靜音需求的船只也可以選擇柴電動力，這樣既可以節約運營成本，同時能夠提高能源的利用率，減少電力的浪費，使柴油能源得到充分且高效的利用，這對于現代環保來講具有重要意義。

（2）電池動力船舶。采用燃料電池、超級電容器以及動力電池的船只依靠電池提供的動力進行航行。從本質上來講，電池動力船屬于電力推進船的一類。作為船只新能源推進系統，電池的能量轉化約為百分之六十五，這個比值遠遠超過柴油機的能源轉化。將電池作為能源系統的船只本身在航行過程當中不會排放如硫化物等有害氣體，其完全符合現代環保的發展理念。

（3）風動力推進船舶。在進入現代社會以來，依靠風動力的船舶被視為落后的技術。但對于現代社會而言，現代社會環境污染問題嚴重，風動力能源作為清潔能源自然受到了現代人的關注，英國設計出的新型帆船高效的利用了自然風力，靠風力行駛的船只已經不弱于一些現代船只，其將來會成為船只發展的重要方向。

5 結語

總的來說，將天然氣作為替代柴油的新能源，其可以保持內燃機工作原理不變，不會犧牲船舶發動機原有的動力。相比太陽能和電能，天然氣的投入成本小、化學性質穩定、燃燒產生的動力強、方便人們儲存、不會產生二次危害的物質。天然氣有效節約了社會能源，也降低了對環境造成的污染。

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