船舶清潔能源應用比例計算方法

陽子軒，王志芳

1.湖北大學知行學院 計算機與信息工程學院，湖北 武漢 430011 2.中國船級社武漢規范研究所，湖北 武漢 430022

當前，防止、減少和控制船舶污染氣體排放已成為全社會的共識。自2005 年國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）公布的《防止船舶造成大氣污染規則》（MARPOL73/78附則VI）生效之后，航運業的節能減排已提到比較高的位置。國務院于2015 年5 月印發的《中國制造》，旨在部署全面推進實施制造強國戰略，提出高技術船舶和海洋工程裝備將被加快推進，綠色化是高技術船舶領域發展的重點方向。隨著3060 雙碳目標的提出和推進，作為碳排放大戶的航運業正積極向綠色低碳的方向轉型，包括開發能效提升技術，新能源、清潔能源在船上的研發應用等，將成為未來航運業的焦點之一[1]。

目前可在船上應用的清潔能源主要有LNG、鋰電池、岸電、氫燃料電池、太陽能、風能，而技術相對比較成熟且可作為主推進動力的清潔能源主要是LNG、鋰電池和岸電[2]；船舶的推進型式主要有傳統的主機—傳動軸—螺旋槳模式，以及發電機組—電站—推進電機—螺旋槳的電力推進模式[3-4]。隨著技術的發展，未來很長一段時間內，船舶上呈現的將是多種能源的融合應用以及清潔能源與傳統化石能源的共存。本文通過研究確定的不同推進型式船舶采用不同清潔能源后對傳統化石能源的替代率計算方法，可作為評估我國船舶綠色化、清潔化發展水平的重要手段，為主管機關制定船舶綠色、清潔發展相關政策以及規范提供方法和技術支持。

1 船舶能源種類及動力系統型式

1.1 船舶能源種類

幾十年來，船舶上應用的能源主要是柴油。隨著能源技術的發展，可用于船上的能源種類越來越多，而隨著船舶節能減排環保要求的提升，更多的清潔能源應用于船舶，比如LNG、太陽能、風能、鋰電池以及正在開展示范研究的氫燃料電池、甲醇和二甲醚等。由于船舶空間的限制以及長距離航行的需求，船舶對能源的能量密度、能源供應保障性、安全可靠性等方面要求較高。基于此，目前比較成熟的可用于船舶且作為船舶主推進動力的能源主要有柴油、LNG 和鋰電池。

1.2 船舶動力系統型式

隨著船舶節能減排的需要，船舶動力系統的型式也在發生變化，正逐步由傳統常規推進動力向混合動力推進、純電池動力推進型式發展[5]。

1.2.1 傳統常規推進動力型式

傳統常規推進動力型式簡單而言就是發動機通過齒輪箱、軸系帶動螺旋槳的型式，這種推進型式結構簡單，便于船上安裝布置，但是具有振動強、噪聲大、操作性差等缺點。我國內河船舶在正常航行時，整條航線80%的情況下發動機應用工況較低，而在航經急流航段或沖灘時才需用較高功率。這導致傳統常規推進動力發動機長期無法在效率最高點工作，因此其經濟性及節能環保性較差。

柴油、LNG 和鋰電池均可用于傳統常規推進動力系統，目前主要能源應用模式有柴油、LNG 和柴油+LNG。

1.2.2 混合動力型式

混合動力系統由于其靈活的動力組合設計，使得船舶在航行時發動機始終處于效率較高的負荷點。從結構上看，混合動力系統可分為串聯式、并聯式和混聯式3 種形式[6]；而從能源角度來看，船舶混合動力系統主要有柴油+LNG、柴油機+鋰電池、柴油+LNG+鋰電池和LNG+鋰電池。

串聯式混合動力系統的設備主要包含發電機原動機、發電機、鋰電池、變壓器、變頻器、電動機和配電板等。主要工作模式包括：1）船舶低負荷，可僅由鋰電池輸出電力驅動螺旋槳；2）船舶高負荷，由發電機組驅動電動機，進而帶動螺旋槳轉動[7]；3）船舶啟動及加速時，可由發電機組和鋰電池共同驅動螺旋槳；4）船舶低速、怠速工況時，發電機組在驅動螺旋槳的同時可同步向鋰電池組充電。串聯式混合動力系統其發動機與螺旋槳并沒有直接機械連接，而是采用電力推進的形式驅動螺旋槳及其他負載，因此稱其為電力推進柴電混合系統，基本結構見圖1。

圖1 串聯式混合動力系統結構

并聯式混合動力系統包括發動機、鋰電池、電動機和齒輪箱等，通過減速齒輪箱將電動機和發動機并聯連接[8]。主要工作模式包括：1）船舶低負荷時，可由發動機驅動螺旋槳，電動機可處于軸帶發電機動力輸出（power taking off，PTO）狀態為電池供電；2）船舶輸出推力小或發動機處于故障狀態時，可采用電動機的電力推進模式；3）船舶高負荷時，可通過發動機和電動機聯合推進的混合動力推進模式，基本結構見圖2。

圖2 并聯式混合動力系統結構

混聯式船舶混合動力系統的設備包括發動機、發電機、電動機、鋰電池、離合器、齒輪箱和螺旋槳等[9]，通過采用離合器對發動機、發電機、電動機與齒輪箱的分離及結合實現混聯，主要工作模式包括：1）船舶低負荷時，螺旋槳可由發動機或電動機分別單獨驅動；2）船舶高負荷時，螺旋槳可由發動機和電動機共同驅動；3）船舶需要較低負荷時，發動機可在驅動螺旋槳的同時帶動發電機發電。基本結構如圖3 所示。

圖3 混聯式混合動力系統的結構型式

1.2.3 純電池動力型式

純電池動力型式的船是指將電池作為船舶主推進動力的船舶，其與常規推進動力型式的船舶相比具有操縱性好、動力設備布置靈活以及振動噪聲小等優勢。但由于船舶的特殊性以及目前電池功率密度不高，導致純電池船使用的電池體積大，布置困難，同時需在港口配充電設施，所以一般將其配置在特定航線、港區或小型船舶上，有利于實現電池布置及便利地充電或快速換電。

純電池動力船舶在結構型式上可歸為電力推進型式，也可歸為混合動力系統中的串聯推進型式。

2 船舶清潔能源應用比例計算方法

2.1 傳統常規推進動力型式

根據前述研究分析可知，傳統常規推進動力型的能源應用模式有柴油、LNG、柴油+LNG。為提高清潔能源的利用，本文主要研究LNG 對柴油的替代比例計算方法。

2.1.1 LNG 燃料可獲性

LNG 清潔能源應用比例的計算旨在衡量船舶是否具備及具備多少LNG 應用的能力。為規避船舶僅設置LNG 發動機或雙燃料發動機，而無LNG 燃料艙（柜），或者設置的LNG 燃料艙（柜）容積較小，實際并不能支撐LNG 發動機的燃料需求的情況，需對LNG 是否是船上的主要燃料做評判分析。從LNG 燃料艙容和非LNG 燃料艙容方面進行計算分析，以便確定LNG 燃料是否具備可獲得性。

LNG 是否應被視為“主要燃料”[10]，可通過式（1）計算：

式中：fDFgas為燃氣發動機與總發動機的功率比修正的氣體燃料的可獲得性；Vgas為船上總凈氣體燃料容積，m3，如使用其他布置，例如可更換（專用）LNG 罐和/或允許頻繁重新注入燃氣的布置，Vgas應使用整個LNG 注入系統的容積，如果氣體貨物艙與燃氣供應系統（fuel gas service system，FGSS）相連，可計算氣體貨物艙的蒸發率（boiling off rate，BOR），并將其計入Vgas；Vliquid為船上與船舶燃料系統固定連接的液體燃料艙的總凈液體燃料容積，m3，如果一個燃料艙通過固定密封閥斷開連接，可忽略該燃料艙的Vliquid；ρgas為氣體燃料的密度，kg/m3；ρliquid為液體燃料的密度，kg/m3；Lgas為氣體燃料的低熱值，kJ/kg ；Lliquid為液體燃料的低熱值，kJ/kg ；Kgas為氣體燃料艙的充裝率，一般取值0.95；Kliquid為液體燃料艙的充裝率，一般取值0.98。

根據式（1）計算結果，如果總氣體燃料容積至少是雙燃料發動機專用燃料容積的50%，即fDFgas≥0.5，則視氣體燃料為“主要燃料”；如果fDFgas＜0.5，則氣體燃料不是“主要燃料”[11]。

2.1.2 LNG 清潔能源應用比例計算

目前我國LNG 發動機產業發展以及船上安裝LNG 發動機的現狀是混燒機、雙燃料發動機和純氣體機并存，所以在進行LNG 清潔能源應用比例計算方法研究時，既要考慮LNG 混燒機和純氣體機，也要兼顧上述LNG 燃料的可獲得性。

2.1.2.1 LNG 為“主要燃料”

在計算LNG 清潔能源應用比例時，對于混燒機，需考慮LNG 氣體發動機的功率以及LNG 的混燒比例。根據實地調研得知的內河船舶實際航行時，主輔機的主要運行功率點大多在50%額定功率或標定功率，所以選取50%額定功率或標定功率對應的LNG 摻燒率作為清潔能源應用比例的計算基礎。對于LNG 純氣體機或雙燃料發動機，僅需考慮LNG 氣體發動機功率與全船發動機功率的比例即可。

1）LNG 氣體發動機為混燒發動機時，其清潔能源應用比例計算公式為

式中：RgasME(i)為第i臺LNG 混燒主機50%額定功率下在臺架試驗中測得的LNG 使用比例；RgasAE(i)對于傳統推進船舶，一般為第i臺LNG 混燒輔機50%標定功率下在臺架試驗中測得的LNG 使用比例；對于電力推進船舶，一般為第i臺混燒發電機組原動機90%標定功率下在臺架試驗中測得的LNG 使用比例；PgasME(i)為第i臺混燒主機最大連續工況（maximum continuous rating，MCR）額定功率，kW；PgasAE(i)為第i臺混燒輔機標定功率（MCR），kW；PME(i)為第i臺主機（燃油、氣體發動機）額定功率（MCR），kW；PAE(i)為第i臺輔機（燃油、氣體發動機）標定功率，kW。

2）LNG 氣體發動機為雙燃料發動機（包含微引燃發動機）時，其清潔能源應用比例計算公式為

式中：PDFgasME(i)為第i臺雙燃料發動機主機額定功率（MCR），kW；PDFgasAE(i)為第i臺雙燃料輔機標定功率（MCR），kW。

3）LNG 氣體發動機為純氣體燃料發動機時，其清潔能源應用比例計算公式為

式中：PPgasME(i)為第i臺純氣體燃料主機額定功率（MCR），kW；PPgasAE(i)為第i臺純氣體燃料輔機標定功率（MCR），kW。

2.1.2.2 氣體燃料不是“主要燃料”

對于LNG 不是主要燃料的船舶，除了上述考慮的因素外，還需考慮LNG 燃料艙（罐）在全船燃料艙（柜）中所占的比重，以此確定LNG 燃料在船上的應用比例。

1）LNG 發動機為混燒發動機時，其清潔能源應用比例計算公式為

2）LNG 發動機為雙燃料發動機（包含微引燃發動機）或純氣體燃料發動機時，其清潔能源應用比例計算公式為

2.2 混合動力型式船舶清潔能源應用比例計算

2.2.1 并聯式或混聯式混合動力船舶清潔能源應用比例計算

并聯式或混聯式混合動力系統，主要是基于目前內河船舶“大機小用”導致發動機不能在油耗最優、效率最優的狀態下工作提出來的，旨在通過配備功率較小的發動機，可使其在船舶正常營運工況下航行時發動機在較高的效率及最低的燃油消耗率下運行。在船舶需要快速航行以及沖流、沖灘等狀況時，可由設置的軸帶電動機給予能量支持，以此達到在整個船舶營運過程中節能減排的目的。根據前述對并聯式和混聯式混合動力系統結構分析可知，其動力系統的組成以及船舶航行過程的能量流動比較相似，同時經過研究分析認為并聯式和混聯式的清潔能源應用比例計算方法相同。

根據前述分析可知，目前混合式動力系統能源應用模式主要有柴油+LNG、柴油+鋰電池、柴油+LNG+鋰電池、LNG+鋰電池。對于混合動力推進型式下的柴油+LNG 模式，其也是柴油機和LNG 發動機的組合應用，所以其清潔能源應用比例計算方法與2.1.1 節相同，所以在此主要研究其他能源應用模式的清潔能源應用比例計算。

2.2.1.1 柴油+鋰電池的能源組合模式

此種模式下，軸帶發電機處于電動機模式，鋰電池的電能通過電動機向船舶推進軸輸入功率(power taking in，PTI)，以滿足船舶在高負荷時的動力需求。如果此處PTI 的電能由船上的柴油發動機發電而來，則船舶航行過程中所需的能量均來自柴油而非清潔能源，所以此種情況下清潔能源應用比例為0。如果電能來自碼頭或港口的岸電，則清潔能源應用比例計算時需考慮以下兩方面內容：首先船舶需要PTI 提供動力的時間占整個航程的多少，根據實船測試及調研分析，得知船舶在營運過程中80%的時間在低工況下運行，只有20%的時間需要運行高工況下；其次在船舶高工況、高速航行時，鋰電池提供的功率占全船所需功率的比例，此種模式下清潔能源應用比例計算方法為

式中：PMCR(i)為第i臺柴油發動機額定功率（MCR），kW；P為船舶在100%設計航速下所需的功率，kW。

2.2.1.2 柴油+LNG+鋰電池的能源組合模式

如果鋰電池的電能由船上的柴油發動機或LNG 發動機發電而來，則船上的能源應用模式可認為是柴油+LNG，因此與前述2.1.1 節和2.1.2 節中LNG 清潔能源應用比例計算方法相同。

如果電能來自碼頭或港口的岸電，則清潔能源應用比例計算方法如下所示：

1）LNG 氣體燃料為“主要燃料”。

①LNG 發動機為混燒發動機時，其清潔能源應用比例計算公式為

②LNG 發動機為純氣體燃料發動機時，其清潔能源應用比例計算公式為

③LNG 發動機為雙燃料發動機（包含微引燃發動機）時，其清潔能源應用比例計算公式為

2）LNG 氣體燃料不是“主要燃料”。

①LNG 發動機為混燒發動機時，其清潔能源應用比例計算公式為

②LNG 發動機為純氣體燃料發動機時，其清潔能源應用比例計算公式為

③LNG 發動機為雙燃料發動機（包含微引燃發動機）時，其清潔能源應用比例計算公式為

3）LNG+鋰電池的能源組合模式。

船上無燃油艙（或燃油艙很小，僅用于LNG發動機啟動），這種模式下，船上應用的都是清潔能源，所以船舶清潔能源應用比例為100%。

2.2.2 串聯混合動力船舶清潔能源應用比例計算

根據串聯混合動力船舶的定義可知[12]，串聯混合動力船舶是電力推進船舶，所以其能源來源情況比較多變，較難以統一的公式計算，但可以依據船舶的具體情況及上述各種計算公式的思考思路具體計算評估。

2.3 純電池動力推進型式船舶清潔能源應用比例計算方法

由于純電池動力船舶的能量來自碼頭、港口的岸電，而且在船舶運營階段不釋放任何的廢氣，基本是零排放，所以純電池動力船舶清潔能源應用比例可為是100%。

3 實例計算分析

某7 500 t 級散貨船采用混聯式混合動力推進系統，推進裝置的設計方案為“柴油主機+軸帶電機+LNG 氣體發電機組+鋰電池”，鋰電池的電能由LNG 發電機組提供，設備參數見表1，燃料艙參數請見表2。

表1 混聯式混合動力系統設備參數

表2 燃料艙參數

由于鋰電池的電能由LNG 發電機組提供，所以該船的清潔能源主要是LNG，為此清潔能源計算比例按照本文2.1.1 節和2.1.2 節計算。

1）LNG 燃料可獲性。

將表1、表2 中參數值代入式（1）可得：

由于fDFgas＞0.5，所以該船LNG 是主要燃料。

2）LNG 清潔能源應用比例計算。

該船LNG 是主要燃料，且LNG 發動機為純氣體發動機，所以由式（2）計算LNG 清潔能源應用比例，將表1 和表2 中數值代入式（2）得：

通過計算得知，本船的清潔能源應用比例為51.46%。

4 結論

本文通過對船用清潔能源的種類、船舶推進型式等進行分析，并在此基礎上，充分考慮船舶的設計及營運特點，得出結論如下。

1）從LNG 燃料的可獲得性、LNG 是否是船舶主要燃料以及LNG 發動機的型式（混燒機或純氣體機或雙燃料發動機）等多維度研究建立了傳統常規推進動力型式的清潔能源替代比例計算方法。

2）針對混合動力型式中的柴油+鋰電池的能源組合、柴油+LNG+鋰電池的能源組合、LNG+鋰電池的能源組合等多種組合方式，基于LNG、鋰電池能源的可獲得性、能源出處等，從多維度建立了混合動力型式船舶的清潔能源替代比例計算方法。該方法的提出對推進我國船舶清潔低碳綠色發展具有重要的意義，為評估采用清潔能源船舶的綠色化水平提供方法指導和技術支持。由此希望在一定程度上提升船東使用清潔能源的積極性，降低船舶廢氣排放物的量，提升船舶的綠色環保水平。