面向绿色航运的绿色船舶设计

程慧勇

（新世纪船舶设计研发（上海）有限公司，上海 201203）

0 引言

随着全球经济的持续发展，环境污染问题也日益严重。人们在享受以环境污染为代价的经济红利的同时，气候变暖、酸雨等现象也反过来制约了社会经济的发展和人类生活品质的提升。作为全球最重要的货物运输途径，船舶运输对环境造成的污染也越来越受到人们的关注。船舶在航行过程中，不但排放出大量的碳氧化物、硫氧化物和氮氧化物等有害物质，对空气造成污染，而且船舶排放的废水和压载水也会对海洋生态环境造成一定程度的破坏。严格限制船舶污染物的排放，降低船舶营运对环境造成的污染迫在眉睫。设计节能减排、环境友好的绿色船舶，可以有效地控制船舶污染物的排放。因此，从船舶设计研发入手，结合先进的技术，开发出节能降耗、环境友好的绿色船舶，对实现绿色航运具有非常重要的意义。

1 绿色船舶设计的理念

根据中国船级社《绿色船舶规范（2015）》的阐述，绿色船舶系采用相对先进技术，在其生命周期内能安全地满足其预定功能和性能，同时实现高能源使用效率、减少或消除环境污染，并对操作和使用人员具有良好保护的船舶[1]。从以上对绿色船舶的描述来看，节能降耗和保护环境是绿色船舶的最终目标。为了达到船舶整个生命周期内绿色环保的目标，必须在最初的船舶研发设计阶段就将先进的技术充分消化并融合，以便最大限度地实现设计的绿色化。

2 绿色船舶设计的方向

随着国际社会对船舶污染问题的逐渐重视，国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）针对船舶污染问题的公约和标准也在不断推陈出新[2]。为了推动新造船舶在设计阶段充分应用节能减排技术，确保船舶能够达到较高的能效水平，IMO推出了旨在衡量船舶能效水平指标的能效设计指数（Energy Efficiency Design Index，EEDI），并于2013年1月1日生效。采用船舶能效设计指数，就是要求设计人员在船舶设计阶段考虑提高船舶运输量的同时，也需通过各种手段降低CO2的排放。在2018年4月结束的IMO海上环境保护委员会第72届会议（MEPC72）上通过了温室气体减排的初步战略。该战略要求到 2030年，每次国际海运的CO2排放量较2008年至少平均降低40%，到2050年至少平均降低70%。为了达到这一战略目标，IMO鼓励开发和采用先进的技术以推动船舶节能减排。此外，相继出台的硫氧化物及氮氧化物排放限制、压载水管理公约、拆船公约等涉及绿色船舶的规范，都对船舶设计的绿色化提出了较高的要求。

由此可见，在未来的10年甚至更长的时间里，研发设计节能减排的绿色船型并充分融合新能源技术将成为船舶设计的主旋律，而多种能源综合利用、进一步促进船舶绿色化将是未来绿色船舶设计的发展方向。

3 绿色船舶设计解决方案

3.1 船舶减阻设计

3.1.1 减阻型上层建筑

在常规的船舶设计流程中，为了满足船员工作和生活的需求，上层建筑一般会设计得较宽。但是较宽的上层建筑会使船舶受到的正面风阻也较大，为了保证一定的航速，船舶的油耗就会相应增加。

为了降低船舶上层建筑的风阻，研究人员进行了大量的尝试。其中，日本邮船和日本常石造船联合开发的一种减阻型船舶上层建筑（见图1），改变了常规居住区的布置模式，最大限度地减小了船舶上层建筑的正向受风面积，并将上层建筑前部做削斜处理，进一步降低了风阻。同时，考虑到这种设计导致桥楼侧翼和侧翼下方支撑柱的受风面积约占整个上层建筑受风面积的30%，为了减少这部分结构产生的风阻，研究人员在船舶桥楼侧翼正面的梁翼及支撑柱正面加装了特殊结构，使桥楼侧翼和侧翼下方支撑柱都形成倾侧的形状，以减小正面风阻。

图1 减阻型上层建筑

利用模型进行的风力测试表明，该设计可减少约10%的风阻。在航速不变的情况下，节能效果明显。如果将这一技术应用到一艘18万吨散货船上，预计每年可减少520 t的CO2排放，一定程度上达到了减排目的。

3.1.2 扭曲舵

舵叶一般布置在螺旋桨尾流范围内，螺旋桨产生的旋转流场对舵叶上不同位置所产生诱导速度的大小和方向是不同的，但普通舵叶在设计时一般不考虑这一因素。这就导致舵叶在零舵角时，各截面仍然具有一定的攻角，会对船舶航行产生一定的阻力。

扭曲舵是一种特殊的悬挂舵系统，被广泛应用于集装箱船上。它的设计原理是根据螺旋桨尾流的方向，将舵的各个截面扭转一定的角度，使舵各截面相对于来流的攻角为 0°，以此来减少阻力，在一定程度上提高推进效率。研究表明，扭曲舵的节能效果约为2%～3%，具有明显的节能降耗的效果。

3.1.3 最佳纵倾

最佳纵倾是 IMO推荐的一项重要的船舶节能减排措施。船舶在装载不变的情况下，通过调整压载水来调整船舶纵倾，改善船舶首尾流场，降低船舶航行中产生的阻力以提高其推进效率，使船舶处于最佳航行状态。研究表明，不同船型的船舶在不同吃水和不同航速下都会对应一个最佳纵倾状态。如采用CCS开发的“船舶最佳纵倾优化（OTA）系统”，船舶全年可有效节能约5.7%～11.8%，平均综合节能约8%，节能效果显著[3]。

3.1.4 线型优化

对于艏部线型，可将球鼻艏优化为直立船艏。传统的球鼻艏只能在设计的航速上产生正效应，而直立船艏线型设计与传统的球鼻艏线型相比，兼顾了传统球鼻艏的整流和消波作用，使船舶在满载和压载状态下均具有较好的耐波性。艏部线性优化后，在增加船舶载重量的同时，可有效降低船舶在静水和波浪中的航行阻力，提高约3%的航速。

对于方型系数较大的船舶，艉部线型设计应考虑其对推进性能的影响，延长去流段的长度，减小去流角，从而减小舭涡和艉部流线分离的现象；在提高桨盘面处伴流的均匀度的同时，推进效率也相应地得到了提高。如果优化艉部线型的同时对螺旋桨进行优化匹配，甚至可以提高10%～20%的推进效率。

3.1.5 气泡减阻

气泡减阻的工作原理是把空气引入船舶底部，在船舶底部形成气泡层，以减小船体的摩擦阻力，达到节能降耗的目的。三菱重工与日本邮船合作研发出一种船底喷射气泡的技术，通过向船底喷射气体产生气泡，以减少摩擦阻力，并在一艘半潜船上安装了这一空气润滑系统。经验证，这一系统可减少航行过程中10%的二氧化碳排放量[4]。

研究显示，船舶在相同航速、相同吨位、航速不变的情况下，使用气泡减阻技术可以节省约20%的燃油，节能效果显著。但由于该项技术目前还处于研发阶段，暂不具备推广应用的条件。但随着气泡减阻技术的日趋成熟，这项技术无疑会在船舶节能降耗方面发挥巨大的作用。

3.2 船舶减排设计

为了进一步提高船舶设计的绿色化程度，除了对船体本身进行的优化外，设计人员还应熟悉已生效或即将生效的相关绿色规范和标准，以市场为根本，研发满足规范和市场需求的绿色船型。

3.2.1 LNG动力船舶

LNG（Liquefied Natural Gas，液化天然气）的主要成分是甲烷，作为清洁能源，LNG越来越受青睐。使用LNG作为船舶的动力燃料，基本上不会产生颗粒物的排放，且与重燃油相比，可以减少高达90%～95%的SOx、80%左右的NOx和20%～25%的CO2排放，同时还可提高约30%的燃烧效率[2]。由于建造LNG船舶的成本较使用重燃油的船舶高20%左右，且回收周期较长，一定程度上制约了LNG船舶的发展。但为了应对2020年即将生效的全球限硫令，很多国家和地区都加大了 LNG燃料的推广，对以LNG为燃料的船舶给予了各种优惠政策和补贴措施。据 DNV GL（Det Norske Veritas-Germanischer Lloyd，挪威船级社）预测，到2020年全球以 LNG为燃料的新造船将达到约400～600艘。在IMO温室气体减排初步战略的推动下，LNG在未来全球能源结构转型中将发挥越来越重要的作用。因此，以LNG为燃料的船舶将是今后若干年内重点开发的绿色船型。

3.2.2 废气洗涤器

废气洗涤器是一种烟气后处理技术，可以除去废气中98%的SOx和80%微尘颗粒[5]，具有较好的减排效果。废气洗涤器主要有开式、闭式和混合式3种。根据废气净化系统协会（EGCSA）对其成员的调查数据可知，截至2018年5月底，已经有近千艘船舶选择安装废气洗涤器。由于开式洗涤器最便宜，考虑到投资回报率的问题，已选择安装的废气洗涤中有约2/3为开式洗涤器。根据国际海事组织低硫燃油可获得性评估报告中的预测，到2020年将有3 800艘船舶加装废气洗涤器。所以，开发设计时考虑安装废气洗涤器或预留了废气洗涤器安装空间的船舶，在当前船舶市场具有更大的竞争优势。

3.2.3 压载水处理装置

船舶在到港和离港时的排水量是不同的，为了保证航行安全，船员会根据船舶装载状态进行压载水装载和排放。由于很多远洋船舶的离港和到港地在不同国家的水域，这就很容易引起微生物入侵和污染的问题，而且随着国际贸易的增长，这种危险日益增大。据统计，全球每年约有50亿吨压载水被搬运，每天有3 000多种动植物随压载水被运到世界各地海域，导致异地海洋生物入侵并大量繁殖，从而破坏当地海域的生态平衡。压载水已经被全球环保基金组织（GEF）列为世界海洋的四大污染源之一。

随着《国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约》的生效，作为一种海洋环境保护的主流技术，压载水处理技术与装置在国际相关环保公约逐步实施的大背景下取得了快速的发展[6]，压载水处理装置也已成为新开发绿色船型的标准配置。

3.2.4 岸电

除了航行时的污染物排放外，船舶在港时也需要通过发电机不间断运行，以维持船舶的正常用电需求。在此期间，大功率发电机需要消耗大量燃料，不但产生噪声污染，也会产生大量的废气，造成港口城市的空气污染。如果船舶改用港口提供的电源供电，就能够停止使用船上的发电机，这些污染问题便可迎刃而解。

岸电是船舶在港时节能减排和降噪的有效途径。经测算表明，岸电技术可使船舶每次靠港减少95%的污染物排放。如果靠泊沿海港口的所有船舶都使用岸电，全球每年可以减少CO2排放量约1亿吨，相当于一个2 000万人口国家一年的CO2排放量[7]。因此，开发具备接岸电功能的绿色船舶对节能减排具有非常重要的现实意义和社会效益。

3.3 新能源技术的应用

在进行绿色船舶研发设计时，设计人员不但要瞄准成熟的技术，也需要在确保船舶安全的前提下，充分考虑新能源技术在新船型上的应用，尽可能地提高船舶的节能减排水平。

3.3.1 风帆技术

利用风帆推动船舶航行曾是最古老的航海技术之一。随着推进技术的发展，这一技术在远洋船舶上逐渐被淘汰。然而，随着科技的发展，用计算机自动控制风帆的技术，为风帆的再次应用提供了有力的支持。

大连船舶重工建造的世界上第一艘机帆混合动力VLCC船就采用了风帆技术（见图2）。该船中部有2片风帆，每片风帆高39.68 m，宽14.8 m，由回转机构、桅杆和帆翼等部分组成。在顺风时，风帆将被张开到最大，以获取最大的风力；在逆风或者风力很小时，可以将风帆降下，以减少阻力。安装风帆后，在相同航速指标下，单船平均日油耗可降低至少12%。

图2 应用风帆技术的VLCC

马士基在其油轮Maersk Pelican号上，安装了2台芬兰Norsepower公司制造的高30 m、直径5 m的旋筒风帆（见图3）。当旋筒在运动的气流中旋转时，会使得一侧的气压增大，另一侧气压降低，从而产生一个垂直于气流方向的力，这种现象称为马格纳斯效应（Magnus Effect）。通过调整旋筒的转速，可以调整受力的大小和方向，从而产生向前的推力。利用这套装置，船舶可以减少 7%～10%的燃料消耗。

图3 旋筒风帆

3.3.2 太阳能光伏

太阳能是公认的清洁能源。太阳能船舶技术已发展成为最具节能减排潜力的绿色船舶技术之一。应用太阳能光伏技术的船舶，通过在营运中最大程度地利用光伏电能，可实现船舶在寿命周期内燃油消耗量和温室气体排放量的显著下降[8]。

日本邮船株式会社和日本石油公司联合开发的“御夫座领袖”号货船就是全球首个以太阳能为动力的大型货船。该船首次大规模地以太阳能发电作为整个船舶的主电网。它利用328块太阳能电池板来驱动推进器、液压设备和舵机。据统计，这组太阳能电池阵列提供的电量可达该船总用电量的10%左右。随着太阳能光伏技术的日趋成熟，这种无污染的绿色环保技术将大大提升船舶的节能减排水平。

3.3.3 燃料电池

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置。燃料电池通常以氢、天然气、丙烷和甲醇等为燃料，因此几乎不排放氮或硫的氧化物。特别是以氢为能源的燃料电池，其排放物仅为水，可以称得上零排放，无疑是绿色环保的清洁能源。

与普通船用柴油机 25%～40%的能效转换率相比，燃料电池的能效转换率在40%～60%[9]之间，节能效果明显。另外，燃料电池在能量转换时几乎不产生噪音，大大提高了船员和乘客的乘坐舒适感，改善了船员的工作环境[9]。

目前为止，受技术和成本等方面的影响，燃料电池在船舶领域的应用还很有限。但随着技术的不断革新、成本的逐步下降，燃料电池以其低排放低噪音的优势，在船舶上的应用范围将逐步扩大。

3.3.4 制动能量回收及存储系统

制动能量回收是一种重要的节能技术。通常散货船上配备的克令吊在码头卸货时，克令吊将重力势能通过制动系统转变为热能并释放。而在一些电动克令吊上，这种被浪费掉的能量可通过制动能量回收技术转变为电能并储存于蓄电池中，且可进一步转化为驱动能量。当克令吊启动或加速，需要增大驱动力时，存储的驱动能量可成为发动机的辅助动力。存储在蓄电池中的多余电能也可供其它设备使用。因此，对船东而言，能量存储是一笔重要的绿色投资。配合先进的能量存储系统对存储的电能进行智能化管理，可以最大化地提升能源使用效率、降低排放。因此，在研发设计时，为船舶配备具有能量回收功能的克令吊并配以智能化能量存储管理系统，将有助于提升船舶的绿色化水平。

4 结束语

为了改善人类赖以生存的环境，世界各国都在积极谋求绿色低碳的经济发展模式。中国也在全力推进各行业的绿色低碳行动，以实现经济与社会的和谐发展。对于航运业来说，推动航运经济向绿色低碳转型将是航运业未来发展的方向。因此，船舶研发部门必须从市场需求的角度出发，从技术可行性角度去分析和研究，结合最新的绿色船舶设计理念，开发出满足市场需求的绿色船舶，努力实现航运业的绿色、可持续发展目标。