船舶绿色能源技术发展现状与展望

2022-05-12兰国杰余刚湖北省黄冈市船舶检验局

珠江水运 2022年7期

◎ 兰国杰余刚湖北省黄冈市船舶检验局

1.引言

节能减排和低碳环保是当今全球海运业持续讨论的热点问题之一。国际海事组织(IMO)提出在21世纪实现温室气体零排放目标；中国提出实现2030年碳达峰、2060年碳中和的宏伟目标，这为航运业实现绿色低碳提出了要求。船舶节能减排方式有多种选择，例如采用新型材料建造、经济航速和采用清洁能源。国际海事组织2003年实施“国际海事组织关于船舶温室气体减排的政策和实践”，2018年实施《IMO船舶温室气体减排初步战略》，对航运业节能降碳做出了安排。IMO温室气体减排战略带来了市场供需变化，低碳环保燃料和技术开发与应用成为船东以及整个船舶制造业最为关心的话题。我国交通运输部制定相关鼓励措施促进发展绿色航运。为实现绿色航运，航运业选择了液化天然气、氢类、醇类/醚类等替代燃料以及发展风力、太阳能动力。

2.过渡性新能源

绿色低碳环保是我国船舶工业和航运业的重要发展方向之一。由于不同燃料的组分不一致，可以将能源分为低碳能源和绿色能源。例如天然气分子式为CH4，

燃烧过程中还会产生一定的二氧化碳，虽然可以减少大量的碳排放，但依然会有碳排放存在，且天然气的外溢将增加破坏臭氧层的温室气体数量。氨分子式为NH3，氨燃料燃烧也会大大减少二氧化碳的产生，但依然会有氮排放存在。为此，此类能源还不是纯绿色能源。

2.1 液化天然气（LNG）

LNG相比汽柴油而言，可减排一氧化碳约90%、二氧化碳约15%、二氧化硫越98%以上，但也存在着一定的二氧化碳排放问题。IMO要求从2020年1月1日起全球范围内船舶使用的燃油的硫含量强制限制在0.5% m/m以内，并批准了波罗的海、北海、北美和加勒比海排放控制区。中国沿海设定了3个硫排放控制区。由于天然气等过渡性能源其产量、价格和技术优势，尤为重要的是具备适用于硫排放控制区的优势，而得到广泛应用。就目前而言是技术比较成熟的一种中间技术路线，是航运业实现节能减排的一种重要解决方案。船舶天然气发动机分为LNG单燃机和柴油-LNG 双燃机两种。天然气单燃料发动机仅使用天然气燃料。而双燃料发动机是适用柴油，在机械上增加天然气相关的供气系统、喷射系统和安全管理系统，从而实现纯柴油和柴油-LNG混燃两种工作模式。考虑到航运业环保压力和较为便宜的价格优势，在全国内河、沿海及国际航运推广应用天然气燃料，将产生巨大的经济、生态效益和节能减排效益。当前双燃料混合动力船舶正井喷式发展，还为中国船舶业技术创新提供了重要契机。

2.2 甲醇燃料

甲醇又称羟基甲烷，是结构最为简单的饱和一元醇，其化学式为CH3OH/CH4O。它通常条件下为液体，不仅安全性比天然气高，而且供应量大比较容易获得，价格与低硫燃油相近，且具有无色、易燃、易储存特性。从分子式可知，甲醇燃烧会产生一定二氧化碳。为此，甲醇燃料是一种灰色燃料，但与传统的船用燃料相比还有一定优势，实际上可以消除二氧化硫，约减少60% 氮氧化物和大量二氧化碳。Proman Stena Bulk已定造8艘49900DW甲醇双燃料油轮。马士基订购了12艘16000TEU甲醇燃料集装箱船，可以减少99%的硫氧化物、最多25%二氧化碳排放。当前全球已有 122 个港口可以加注甲醇燃料。在建造和运营成本上，甲醇动力船造价比同规格LNG动力船低约22%，且仅比同规格燃油船舶造价高出约 10%。

2.3 氨燃料

氨(NH3)作为氮氢化合物的燃料应用起步较早，作为船舶替代燃料具有一定的优势。首先，燃烧时不会产生温室气体二氧化碳和硫化物，但会存在少量的一氧化二氮等有害氮氧化物排放问题。其次，由于氨的储存与运输要比液态氢（-253度）、液化天然气（-163度）在技术方面要容易的多，并且液态氨比液态天然气和液态氢具有更高的能量密度，所以在运输和储存方面更具有能效性和优势。再次，在当前工业界具有较大的产量和稳定的供应。另外，氨燃料还可以用于燃料电池。为此氨燃料是航运业实现脱碳目标的备选燃料之一。也吸引了业界越来越多的关注。尽管当下氨燃料的船舶应用案例还比较少，在确保严格的防止泄漏条件下，氨作为绿色船用备选燃料具有很高的潜力。部分厂家和船东等也看好氨燃料动力系统产业机会，纷纷在氨燃料动力机械方面加大研发力度。当前瓦锡兰、MAN作为两大具有行业领导地位发动机厂商都计划在2024年左右推出氨燃料发动机，还参与了现代尾浦造船、吉大港和大连船舶重工有限公司等全球多个氨燃料船舶研发项目。国内船舶业厂家也非常重视氨燃料的优势和潜力，纷纷加强了技术研发，这也提供了我们船舶业技术超越的机会。

2.4 电池动力

电池动力船舶是目前国际上最新颖的船型之一，其动力主要依靠电池蓄电提供，而蓄电池则需要从电网传输。从本质上讲，其电力的来源多是火电厂、天然气发电以及风力、太阳能等纯绿色能源，其降碳减排为灰电，而不是太阳能等绿色能源提供的绿电。

从全球范围看，电池动力船舶的应用正处于探索期，运营经验不足。截止2019年5月底，全球电动船舶数量为155艘，其中包括营运船舶75艘。2015年我国自主研制了500吨级纯电动驱动内河货船。2019年广船交付 2000吨级内河纯电动自卸散货船“河豚”号。同时期南京夫子庙秦淮画舫、“珠江公主”号帆船、4000马力锂电拖轮等。另外，还存在“燃料+电池”的动力组合，燃料产生的多余电能通过电池进行回收，实现了更加节能环保的目的。当前诸多船厂、航企、设计院所都积极加入电池电力船舶研发行列。宁德时代、亿纬锂能等国内 30 多家锂电池企业涌入船舶领域并提供了有力的支持。

3.清洁能源

基于新技术的绿色低碳船舶将引起造船业和航运业界的变革。液化天然气等燃料作为一种中间路线方案最终将被绿色能源替代。最终会采用氢气、风能和太阳能等真正的清洁能源，实现海运业零排放的目标。

3.1 氢能

氢燃料的分子式是H2，经燃烧只产生水，是一种纯的清洁、高效能源。氢能源船舶推进技术已经成为绿色船舶的重要发展方向之一。氢燃料制备的范围较广，在工厂、道路交通等领域都有广泛应用，但其能量密度小，且储存条件苛刻，抑制了氢能源的发展。目前在船舶氢能利用方面，主要有2种技术路线，一种是氢内燃机，另一种是氢燃料电池技术。燃料电池系统被普遍认为是一种有效的船舶动力解决方案，可广泛应用于各水域的各类型船舶。

3.2 风能

图1 船舶风帆

图2 太阳能发电船

风能作为船舶动力的使用由来已久。世界各国人民在古代开始都不约而同的选择了风作为驱动船舶行进的动力。但由于风帆使用过程中会受到风力大小、方向以及极端天气的影响，会带来船舶航行操作的不确定性和风险。对货运船舶而言，风帆占用空间过大，操作又比较繁琐，给货物装卸和操作带来不便。随着船舶尺度的增大，风力所能提供的驱动力不能满足商业应用。随着船舶动力和机械技术与设备的发展，现代船舶多采用热机提供动力来驱动船舶。但随着对环境保护要求的增加，风帆驱动技术的进一步发展，使得风力驱动船舶又成为可能。1980年8月，日本运营了1600载重吨的“新爱德丸”号，是世界上第一艘现代风帆船。随后其他10艘沿海现代风帆船投入营运。目前风帆主要有翼型风帆、天帆和转筒帆三种形式。对于如何选择主机与风帆为主驱动船舶，欧美各国研究主要侧重于“帆主机从”方式，以风帆作为主要动力来源，而内燃机作为补充。日本则侧重于“机主帆从”方式，以内燃机驱动为主。2019年日本川崎汽船为汽船船舶安装“海翼”风帆装置，可以实现20%的燃料节约和污染减排。2019年10月，日本商船三井在煤炭运输船上安装硬翼型风帆动力装置，最多将能够减少单船约10%的能源消耗。2019年11月，欧盟启动了风帆助航船舶计划，直接将风力助航系统安装在商船上，估计可减少5%～20%的燃料和污染排放。我国自20世纪80年代开始翼型风帆的研究工作。2018年10月，招商轮船建造了全球首艘风帆VLCC轮船，两个巨型金属风帆安装在甲板两侧，使用风帆装置能减少3%左右的油耗和污染排放。

当前风能利用还可以进行风力发电。但船舶上风能利用的应用形式仍偏重于船舶驱动动力。但是我们应看到风能利用还存在一些不可调和的矛盾，例如能量存在间歇性、噪音大、受地形影响和干扰雷达信号等难以彻底消除的缺点，这需要我们开展相关研究予以克服。

3.3 太阳能

太阳能利用技术是用太阳能板等设备收集太阳的辐射能并予以利用的相关技术。太阳能在应用中可以做到完全意义上的零排放，是真正的“清洁能源”。当前各种种类的小型太阳能游船、客船和渡船等被研究者开发出来。2000年左右，澳大利亚试航的客船SOLAR号是真正意义上的第一艘以风能、太阳能混合驱动的船舶。但由于太阳能能量密度低，有时间性、地域性和周期性的特点，以及容易遭受恶劣天气的影响，致使太阳能利用存在很大的不确定性。另外电池转换效率也有一定瓶颈。利用太阳能作为补充动力的船舶尚存在一定的可能性。太阳能船需有效解决多项关键技术。