绿色船舶未来方向

李 源

根据国际公约、地区性规定以及市场自身的需求，唯有发展绿色船舶才能满足各项要求。当前，海事界已着手于绿色船舶的研发，从多家公司提出的概念船型中可以发现，采用的绿色技术主要包括：船型优化、采用清洁能源、混合电力推进、加装减排设备及采用新型材料等多种方式。通过综合使用这些技术全方位地提升船舶的环保性能，以满足新规则的要求。以三星重工开发的一型概念船为例，该船采用13项节能技术，包括优化船型、使用轻质材料、采用燃料电池、LNG动力、可再生能源（太阳能、风能）、采用船底空气润滑系统、废热回收系统、安装洗涤器、选择性催化还原和废气循环等减排设备，以及采用节能鳍、舵球和节能导管、反转螺旋桨、航线优化系统、空气动力技术等。这些基本上涵盖了目前海事界主流的提高能效和减排的手段。

——船型优化

船型优化包括优化船舶主尺度、优化船体线型、优化船首和船尾形状等，通过这些措施降低船体阻力，提升水动力性能，从而达到提高能效的目的。

以大宇造船海洋的一艘30万载重吨VLCC为例，通过优化主尺度参数和船体线型，分别节省了3%和2%的油耗。船首和船尾形状优化方面，过去设计者更多的是关注船尾形状的优化，但现在越来越关注对首柱的优化，海事界已开发出多种优秀的船首。例如：挪威乌斯坦公司开发的X船首，可有效减少船体振动、噪声、砰击和纵摇，提高燃油效率，改善航行安全性；日本IHIMU开发的鲸背球首，可大大降低肥大型船舶的兴波阻力。

重新设计螺旋桨也是优化船型的一个方面。根据具体船型，选择适合的螺旋桨配置，如大宇造船海洋的一艘12000TEU集装箱船，分别采用单桨和双桨的配置，尽管后者比前者阻力增加了4%，但能效提高了13%，总体而言可节省9%的能耗。另外采用新型螺旋桨，如叶尖倾斜螺旋桨、反转螺旋桨等，也可提升推进效率。

——降低空船重量

通常降低空船重量的方法有两种，一是优化主船体结构。通过减少肋骨和纵骨间距，在厚度不同处，分别使用不同厚度的钢板等做法可优化主船体结构，降低空船重量。二是使用轻质复合材料。轻质复合材料在航空工业上已得到广泛应用，在船舶上目前多用于军船的次级结构以及游艇、渔船等小型商船。复合材料由多层金属薄板叠加或多层聚合体碾压复合而成。其中金属板可以是铝或钢板，聚合体核心由碳或玻璃纤维进行加强，具备抗冲击、耐用、容易加工、重量轻、耐疲劳、耐腐蚀等优点。

瑞典KockumsAB公司曾以一艘长128米，航速42节的渡船作为目标船型，对碳纤维增强塑料、钢材、铝分别作为建造材料在重量、成本、拆解上进行过全面的比较，得出如下结论。

1、使用复合材料替代钢材最大的优点是可以明显减少结构重量。采用碳纤维增强塑料和铝均可减轻重量，与钢材相比，整船重量可减轻50%左右。

2、从纯建造的观点来看，钢材是建造大型船舶最经济的材料，但如果将后期的营运和维护考虑在内，进行全生命周期的成本比较，则钢材的成本最高，复合材料成本最低。

3、目前的状况下，回收困难是复合材料难以推广的障碍之一。

4、由于复合材料的易燃性，很长时间以来在SOLAS的规定中复合材料不能被用于上层建筑、结构性舱壁、甲板和甲板室。但实际上之前在军船上，以及适用于HSC规则的小艇上复合材料已经有超过30年的使用历史。2002年，SOLAS规定只要具备与钢材相同的阻燃性，其他材料也可用于船舶建造。这项规定开启了轻质复合材料在军船、小艇以外的船舶上应用的可能性。因此现阶段在“轻质材料在船舶上应用”的项目中，防火安全性是中心议题。

5、综合而言，高速船上使用复合材料优势明显，可以极大地减少燃油耗量，但在大型低速船上，完全使用复合材料的优势并不明显，通常的做法是钢材和复合材料混合使用。

西方汉学中沃尔夫林中国艺术研究的影响——兼论高居翰的视觉研究方法 ………………………………………………… 吴佩烔 4·112

——清洁能源

清洁能源包括LNG、太阳能、风能、波浪能、潮汐能和燃料电池等。目前普遍认为LNG是现阶段满足经济性和环保性的最有希望、最成熟的替代燃料，因此我们可以看到在许多的概念船型中，均以柴油和LNG或纯LNG作为主燃料，再辅以太阳能、风能、燃料风池以及岸电等技术。

1、LNG

与传统重燃油相比，使用LNG可基本消除颗粒物的排放，减少90%～95%的SOX排放以及20%～25%的CO2排放。NOX排放的减少程度根据发动机类型的不同会有所差异，如果使用稀薄燃烧的4冲程气体燃料发动机，可减少90%的NOX排放，这类发动机适用于旅游船、小型货船和工程船舶，但对于大型商船适用的低速二冲程发动机，NOX排放的减少量相对较少。经济性上，当前在欧洲和美国，LNG价格与重燃油相差不多，并且比低硫汽油更具价格优势。

船舶使用LNG的最主要的挑战在于燃料舱的容积比传统油舱大2～3倍，且需要冷却加压，因此燃料舱成本较高，通常LNG燃料船的建造成本比同等尺度的柴油驱动船舶高10%～20%。另外补给LNG燃料的基础设施目前比较缺乏，也使LNG的大量推广有所限制。不过由于技术较成熟以及排放上和价格上的优势，LNG是发展潜力最大的清洁能源，未来有望在多种船型上使用，特别是那些需要在排放控制区长时间航行的船舶。

尽管海事界已开发出多型LNG燃料概念船舶，但目前实船应用最多的还是波罗的海沿岸，2000年首艘LNG燃料船在挪威境内营运，2003年荷东船东订购的首艘LNG燃料油船在德国船厂完工。目前LNG燃料应用最多的领域是渡船和海工支援船。

2、风能、太阳能

风能、太阳能等可再生能源的应用也得到了海事界相当大的关注，一些相关的概念船舶被提出，其中部分已进行了实船试验，虽然可再生能源环保性极佳，但以目前的技术尚无法作为大型商船的主要能源供船舶推进使用，绝大部分仅能作为一种补充，提供船上部分生活用电。

德国建造的太阳能游艇“Turanor”号是世界上最大的完全由太阳能提供动力的船舶，该船利用太阳能发电来给蓄电池充电，船长31米，船宽15米，可供6人乘坐。

目前风能的利用方式主要有风力旋筒、刚性风帆和风筝等，根据各自的使用原理，具备不同的优缺点。其中，风力转筒的优点只要是空气动力学性能好。缺点是本身消耗能源，与船舶安全驾驶视线冲突，占用甲板面积较大；刚性风帆的优点是应用较多，技术成熟，相关实验研究较全面。缺点是占用甲板面积较大。风筝的优点是占用甲板面积小，可利用的风速较高。缺点是可利用的风向范围较窄，收放时间较长，帆的总面积不大。

3、燃料电池

4、岸电

通常，船舶靠港时关闭主机，运行辅机。全球船队中每年约有5%的燃油消耗在船舶靠港期间，港口是人口密集区，船舶靠港期间的排放严重地影响了当地的环境和居民的健康。如果靠港期间可以直接使用岸上电力，那么船上的所有发动机均可关闭，SOX、NOX、CO2和颗粒物的排放均会大幅减少。目前这项技术已有实船应用。推广岸电技术主要的障碍在于大型港口一般拥有充足的电网容量可以满足要求，但小型港口缺乏必要的基础设施。

——混合电力系统

为了充分地利用各种清洁能源，混合电力系统是未来船舶的发展趋势之一，混合电力系统可以包括柴电装置、燃料电池、电池组件、太阳能板或风力利用装置以及超导电动机。采用混合电力系统能综合利用多种能源，提升船舶的总体能效，特别适合那些动力需求波动大的船舶。

——减排设备

1、废气循环系统（EGR）

废气循环系统可将部分发动机废气重新送回发动机气缸中参与燃烧，减少燃烧室空气的氧含量，从而降低燃烧温度，达到NOX减排目的。MAN公司开发的EGR系统应用范围十分广泛，以HFO、精馏燃油或天然气为燃料的主机均可使用。试验证明，采用该技术可达到将于2016年生效的IMO第三层级NOX排放控制要求。

图9：EGR工作原理图

2011年11月MAN公司获得首个带第二代EGR系统的主机订单，安装在现代重工为马士基建造的4500 TEU集装箱船上。该系统包含一台冷却器、一台洗涤器、一台水雾捕捉器和一个鼓风机，同时该系统还可作为主机的进气冷却器。经过优化，第二代EGR系统可循环使用40%的废气。

2、洗涤器

洗涤器安装在船上排气管中，与主机、辅机和锅炉连接，可有效减少颗粒物和SOX的排放，即使使用含硫量达3.5%的重油也能将排放中硫的含量控制在0.1%的限值之内，可满足排放控制区内对低硫排放的要求。

3、选择性催化还原系统（SCR）

选择性催化还原系统安装在主机涡轮增压器涡轮前方，是一种主机排气后处理装置，优化燃烧效率的同时还可减少85%～95%的NOX排放。SCR是目前减少船舶NOX排放最有效的方法。

4、废热回收系统

废热回收系统的工作原理是将发动机排放废气中的热量和压力收集起来，用于驱动涡轮机产生机械能，从而驱动发电机运转。如果没有废热回收系统，船舶消耗燃料所产生的能量中，有25%将被浪费。这种节能装置目前在实船上应用较多，马士基公司的“3E”级集装箱船上就配有先进的废热回收系统，根据主机功率的不同，废热回收系统大小、价格会有不同，“3E”级船舶上配置的废热回收系统的费用高达每套1000万美元，据估算，5～10年可收回投资成本，如果油价上涨，投资回收期将进一步缩短。

图10：废热回收系统原理图

5、空气润滑系统

空气润滑系统的原理是使用鼓风机向船底输送空气泡，以降低船底摩擦阻力，船底安装空气润滑系统可减少7%的燃油消耗，减少10%的CO2排放量。2010年4月，三菱重工和日本邮船共同开发的空气润滑系统首次安装在14538GT的“邪马台”号重载运输船上进行测试，海试结果表明最多可以降低12%的能耗。

此外，还有安装在螺旋桨和舵前、后方的节能装置，优化水动力性能，提高能效，如预旋定子、螺旋桨毂帽鳍、低粘性阻力鳍、伴流平衡导管、舵鳍等。

作为一种历史悠久的运输方式，船舶在全球经济和世界贸易中始终扮演着重要的角色，今后仍将作为最环保和最有效率的运输方式活跃于全球。IMO对船舶环保性越来越严格的要求体现了人类社会追求健康和可持续发展的诉求，也体现了海事界对社会的责任感。

航运业从过去对实用性和经济性的追求，发展到对高品质航运的追求，与此同时造船业也将从粗放型逐渐向精细化转型，在这一进程中造船新技术层出不穷，船型飞速发展。2004年马士基订购了世界上首艘万箱以上的超大型集装箱船，今天全世界超大型集装箱船的保有量已达195艘，马士基最新的18000TEU集装箱船已经投入到亚欧航线。1953年世界第一艘钻井船投入使用，作业水深仅120米，2013年三星重工建造的钻井船在3165米深的海底成功钻井。五年前，一艘8万吨左右的干散货船油耗每天37吨左右，今天同等尺度的干散货船油耗每天仅29吨。除了资金密集型和劳动力密集型，造船业也是一个技术密集型的产业，今后造船产业将越来越以技术作为主要竞争力。