船舶清洁能源应用及发展方向

郝建国 刘文新

摘 要：随着社会的发展和进步，我国经济也处在高速发展阶段。过去我国通过牺牲环境换取经济的方法对我国生态环境造成了的巨大破坏。自进入现代化社会以来，我国逐渐意识到环境保护的重要性，发展绿色清洁能源，减少二氧化碳等废气污染物的排放是保護生态环境的重要举措。几千年以来中华儿女在黄河和长江两个母亲河的孕育下创造了灿烂的中华文明，时至今日二者依然作为国内运输的航道发挥着自己的余热。不过由于船舶使用柴油燃料对母亲河造成了严重污染。本文从船舶清洁能源应用及发展方向的角度出发，旨在分析船舶污染、黑烟的来源，并提出船舶清洁能源应用选择发展方向。

关键词：船舶;清洁能源;天然气

中图分类号：U677 文献标识码：A

0 引言

工业革命对于社会的发展和进步具有划时代的意义，但是同时也对社会环境造成了严重破坏。工业的发展需要有稳定的能源支持和供应，因此人们需要燃烧大量的煤炭和石油等传统燃料来推动工业化的进程。与此同时，煤炭和石油等传统燃料在燃烧过程当中产生了许多有害物质，这些有害物质污染着生态环境，也威胁着现代人的生命健康安全。发展清洁新能源代替传统燃料已成为世界各国所面临的共同发展问题。我国经过改革开放之后，国内经济发展态势越来越好，但是发展过程当中伴生的污染问题也十分严重。素有中华民族母亲河之称的长江作为内陆漕运主航道为人们带来经济利益的同时，也要承担大量船舶燃烧传统燃料所造成的污染。人们需要开发出船舶清洁能源以取代传统燃料，这样才能构建绿色、协调的新经济。

1 船舶内燃机工作原理及污染原因分析

1.1 船舶内燃机及燃料使用

现阶段我国船舶所使用的燃料仍然以柴油为主，船舶发动机的工作原理是将燃烧的热量转化为机械能，内燃机正是通过柴油燃烧时源源不断产生的热量作为主要的推动力。柴油作为传统燃料在燃烧时会产生大量的固体状的颗粒物，同时还伴随着氮氧化物等有害物质的形成。就能源转化效率而言，内燃机的效率非常高，再加上内燃机本身体积小、续航里程大的优点而被广泛应用于船舶、航天等行业。随着经济的不断发展，人们的物质生活水平不断提升，人们对于船舶运输业的依赖程度也越来越高。船舶行业的快速发展满足了人们日常生产和生活的需要，但是船舶行业每年燃料燃烧所产生的有害物质也正在危及人们的生命健康，生态环境也受到船舶燃料燃烧的影响其原本的生态结构也正在遭受破坏。

1.2 汽柴油成分

汽油是当前世界应用最广泛的一种传统能源，汽油作为燃料其本身的成分结构十分复杂，据研究表明汽油当中含有上千种的化合物。其中主要是由C4-C12烃类物，其属于混合烃类一种，颜色呈现无色或者淡黄色。汽油继承了烃类混合物的特点，在空气当中易挥发，也容易燃烧。本身不溶于水，但是能够与苯、二氧化硫等物质融合在一起。

和汽油有所不同，柴油本身的能量密度非常高，并且燃烧消耗率非常低。按照沸点可以将柴油划分为轻柴油和重柴油两大类，正因柴油具备的独特特点而被广泛应用于船舶、航空以及汽车产业。

1.3 汽柴油内燃机的污染排放分析

汽柴油都是混合烃类物质，二者主要都是碳、氢两种有机分子组成，通常情况下人们按照物质当中碳、氢两种物的比值和大小关系对其进行分类，并且也能够确认物质的性质。而判断物质碳氢关系的不等式为y≤2x+2，汽油当中碳原子的数量在5～11之间。由碳氢组成的物质可以按照碳氢的数量关系以及其本身的含量去判断物质的特性。由于柴油当中碳原子的含量在15～18个，烃化物在燃烧时，物质当中的含碳量越高，就越容易产生一氧化碳和黑烟。而物质本身的燃烧就越不充分。这也是的柴油比汽油更容易产生黑烟的重要原因。大型的货轮和船舶选择柴油作为推动力会造成许多污染，柴油在完全燃烧时的化学方程式主要为4CxHy+（4x+y）O2=4xCO2+2yH2O，即柴油在完全燃烧时，柴油当中的碳元素会全部转化成为二氧化碳，而柴油当中的氢元素会全部转化为水。即生成物质的化学式主要为碳氢化合物CxHy。而当柴油不完全燃烧时的化学方程式为4CxHy+ （2x+y） O2= 4xCO+2yH2O，4CxHy+yO2=4xC+2yH2O。柴油的不完全燃烧会产生一氧化碳、水、颗粒状物。

柴油作为当今世界的主要能源，其在为世界作出贡献的同时，也成为了世界主要污染物的来源之一。当前世界各国都出现了程度不同的雾霾，而在人们看来柴油作为能源物质，在燃烧过程当中柴油生成的颗粒状物体是造成雾霾的只要原因之一。现在每天大大小小的船舶在航行的过程当中会产生滚滚的黑色浓烟，黑色浓烟的真面目是由铅、硫化物燃烧后生成的铅氧化物和硫氧化物。这些有害的黑色浓烟未经处理直接排放到大气环境当中对于生态环境造成了严重破坏。

2 船舶清洁能源发动机

（1）纯电动驱动。现阶段人们通过选择、研究和创新的方式寻找可替代柴油作为传统能源的绿色清洁新能源。其中人们最看重的便是由电力能源，电力能源是现代社会公认的清洁型新能源，将该能源应用在船舶发动上，船舶在行驶过程当中就会避免黑烟等有害物质的产生。不过作为动力能源的电力，目前还存在许多技术上的难题。像是人们最关心的续航里程和充电时长。再加上作为电力心脏的动力电池造价高、使用寿命短、外形和尺寸也较大。对于在城市内和城市周围运行的船舶而言，这些船舶使用动力电池能够基本满足日常形式的需求，但是到远离城市的地区，人们必须要考虑船舶行驶里程的问题。而对于中大型的船舶而言，除了要满足日常续航里程的需要之外，还需要着重考虑到动力电池的输出功率。就目前动力电池所能输出的最大功率来看，动力电池还无法应用到中大型的船舶上面。即便当前人们在动力电池方面已经有所突破，借助着我国自主研发的电力推进系统可以实现内燃机自身的发电供给。我国在动力电池长距离运输方面做了许多探究，通过使用电容扩容加锂电池技术存储的电能依然不能达到续航里程的要求。我国国土幅员辽阔，地区和地区之间的距离较远，若是无法实现远距离航运的能力，就无法保证将纯电动驱动的电力能源应用到船舶当中。而对于船舶所使用的电池制造、报废处理都需要严格按照国家的相关规定进行，否则会出现生态环境保护问题。

（2）太阳能动力。太阳能动力是将光能转化为电能，再将电能存储在电池当中，利用此方法来推动物体运动。太阳能作为一种绿色清洁能源能够避免内燃机燃烧产生的有害物质。

不过太阳能发电存在一个明显的弊端，太阳能动力的实现需要充足的阳光，若是遇到大雾、阴雨天等恶劣天气，太阳能动力就会失去效力，充电也就无法保障。太阳能电池板是太阳能能源产生的核心材料，由于太阳能电池板本身的造价非常高，一旦损坏不单单会影响正常的生活，同时也会造成环境污染。就太阳能目前的发展现状看，太阳能能源无法作为替代柴油的新能源使用。

（3）新型天然气内燃机。在纯电机、太阳能电池板等能源不能满足船舶运输需要时，人们可以重新对内燃机结构进行改造，通过改造可以使用天然气作为代替柴油的新能源。利用天然气能源代替柴油，在內燃机燃烧原理不变化的情况下，原来的动力依然不变。经过多年对船舶发动机的研究和探索，新型天然气内燃机已经能够基本满足人们需要，并且逐步向清洁能源的方向靠拢。

3 天然气发动机排放分析

相比柴油，天然气本身成分较为单一，天然气燃烧后会转化为水和二氧化碳，即使在未完全燃烧的情况下也只会生成游离的碳颗粒，并不会像柴油一样冒出大量的黑烟。天然气的组成成分不包含铅，即在燃烧后天然气就不会生成铅氧化物等有害物质。

4 新能源船舶的分类

（1）柴电动力推进船。柴电动力推进船属于现代新能源船舶的一类。与传统以柴油为动力的船舶不同，柴油动力推进船是通过电动机的电力作为的船只的能源。柴油动力船舶的出现有效解决了柴油燃烧不充分以及功耗高的问题。此外，该船只还能持续高效工作，在动力方面有较强的灵活性。其被广泛应用于高辅助和高变荷的船舶当中。对于有静音需求的船只也可以选择柴电动力，这样既可以节约运营成本，同时能够提高能源的利用率，减少电力的浪费，使柴油能源得到充分且高效的利用，这对于现代环保来讲具有重要意义。

（2）电池动力船舶。采用燃料电池、超级电容器以及动力电池的船只依靠电池提供的动力进行航行。从本质上来讲，电池动力船属于电力推进船的一类。作为船只新能源推进系统，电池的能量转化约为百分之六十五，这个比值远远超过柴油机的能源转化。将电池作为能源系统的船只本身在航行过程当中不会排放如硫化物等有害气体，其完全符合现代环保的发展理念。

（3）风动力推进船舶。在进入现代社会以来，依靠风动力的船舶被视为落后的技术。但对于现代社会而言，现代社会环境污染问题严重，风动力能源作为清洁能源自然受到了现代人的关注，英国设计出的新型帆船高效的利用了自然风力，靠风力行驶的船只已经不弱于一些现代船只，其将来会成为船只发展的重要方向。

5 结语

总的来说，将天然气作为替代柴油的新能源，其可以保持内燃机工作原理不变，不会牺牲船舶发动机原有的动力。相比太阳能和电能，天然气的投入成本小、化学性质稳定、燃烧产生的动力强、方便人们储存、不会产生二次危害的物质。天然气有效节约了社会能源，也降低了对环境造成的污染。

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