浅议新能源在船舶上的运用

国际金属加工网 2017年10月10日

所谓新能源,就是各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部深处所产生的热能。相对于传统能源,新能源具有污染少、储量大的特点,对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源枯竭问题具有重要意义。而船舶所消耗的燃油占燃油消耗的百分百正逐年上升,导致燃油占船舶运输成本越来越大的情况下,如何进一步做好船舶的节能工作,从而有效降低运输成本已迫在眉睫。

为了适应这一新形势的需要,绿色船舶成为其中最重要的解决渠道和未来船舶发展的方向,其中新型能源在船舶上的应用是最具有革新性和代表性的技术。下面,我讲借此机会,对我所了解的新能源在船舶上的应用进行浅谈。

随着科学技术的不断进步,以风能、太阳能、核能、生物质能和潮汐能等为典型代表的新能源在节能减排方面所具有的独特优势和所能产生的效益已经越来越显著,其在船舶交通运输行业的应用和推广已呈潮涌之势。

源于地球表面大量空气流动所产生的动能——风能,是一种无污染且无限可再生资源。人类对风能的利用历史可以追述到公元前,随着科学技术水平的不断进步,工业社会对于风能的利用有着丰富的经验,配套产业和基础设施也较为成熟。但是,风能利用存在着间歇性、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。当前,风能利用主要以风能作动力(风帆助航)和风力发电两种形式为主,在船舶上的应用形式偏重于作为航行的主动力或辅助动力,只在少数船舶上应用风力发电技术。

其实早在20世纪80、90年代,日本在风帆助航的研究和利用方面有了新的突破。1980年日本建造了第一艘装有普通翼帆的新爱德丸油轮,新爱德丸号装有两个高12.15m、宽8m的风帆。之后又建造了扇蓉丸、日产丸等机动风帆货船,1984年又设计和建造了2600t的臼杵先锋丸和另一艘31000t的现代风帆助航远洋货轮。而在2007年12月15日全球第一艘用风筝拉动的货轮白鲸天帆号由德国汉堡市起航。

太阳能的利用主要有两个方面的技术,即光热技术和光伏技术。光热技术是利用太阳光的热辐射,其应用最为成功的领域是太阳能热水器。该项技术的进一步延伸是太阳能热发电,即利用集热器把太阳辐射热能集中起来给水加热产生蒸汽,再通过汽轮机、发电机来发电。考虑到船舶运行过程中对于热水的需求量不高,进行热电转换在有限的船舶空间内难以实施,故而光热利用的可行性不是很高。但是应用光热技术代替常用的蒸汽盘管和电加热盘管对船舶所使用的重油进行预加热,是一个值得关注的方向。光伏技术是对太阳光中的短波辐射能照射于硅质半导体上所产生的电能进行调制后加以利用,亦称为光生伏打效应。随着太阳能光伏技术的不断深入发展,其效率、可靠性和稳定性均有了很大的提升,因而从最初的单纯技术研究逐渐转向实际应用领域。太阳能光伏发电应用于船舶是目前绿色船舶发展的一个重要方向。从最开始1997年,瑞士在日内瓦湖上从洛桑到圣叙尔皮斯区投入使用了两艘太阳能驱动客运船可有效承载60名乘客。到2010年2月25日,世界最大的全太阳能动力船“星球太阳”号,在德国基尔下水。太阳能在船舶上的运用已经日臻完善。

生物质能的利用主要有直接燃烧、热化学转换和生物化学转换等3种途径。其分为生物燃料、生物柴油、生物质油三种。生物燃料是指利用大自然的动、植物资源而得到的高效、污染少的能源,其典型代表就是生物柴油和生物质油。生物柴油是以动、植物油脂及餐饮废弃油脂为原料制成的液体燃料,是优质的石化柴油代用品。生物质油是指生物质通过热解技术裂解而得到的液化产物。但是船舶属于一个相对独立且空间区域较为有限的结构体。机舱内电、气、热设备和系统高度集成,考虑在船舶内附加安装生物质能转换装置有着不可避免的局限性,故而可行性不高。就船舶现有设备条件出发,直接或间接使用由生物质能转换而成的替代燃料(例如生物柴油等)是主要的应用模式。面前,最成功的生物燃料船,为2008年6月27日完成环球航程,使用生物质能的新西兰地球竞赛号高速环保机动船。

核能作为一种能源,特别是一种动力能源,其优越性相当明显它具有体积小,能量巨大、运输与储存较方便,安全性高、较低的污染性、强大的放射性和杀伤性、技术和管理要求高等特点。用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。它与火力发电极其相似。过程:核能→水和水蒸气的内能→发电机转子的机械能→电能。核动力反应堆可以用来发电、供热和推动船舰。在作为船舶动力源方面,核动力装置首先是被应用于潜艇和航空母舰等军用舰艇,而后建造核动力舰艇的一些国家也将船用核动力堆用于推动民用水面船舶,如核动力客船、散货船和破冰船,等。纵观世界船舶发展历史,发展民用核动力船舶,已经有若干国家在此方面迈出了第一步。比如美国的核动力船“萨娃娜号”于1962年建成。与德国矿石运输船“奥托汉号”于1968年月12月建成。还有俄罗斯共建成了9艘核动力破冰船,目前正在服役的有8艘,计划建造的破冰船有2艘。

上述都是现在较为成熟,也较为有技术基础的一些新能源利用,随着人类不断的追求进取与探索发现,更多想新能源使用方案也孕育而生,这些必将成为未来人生合理适当使用新能源的敲门砖。

并且,全世界范围内,新能源作为研究的热点,也在不断激励吸引着更多的关注,并且很多相关比赛也被举办以刺激新能源船舶的发展。比如新西兰业余航海家和环境保护家皮特·贝修恩宣布,他将驾驶以脂肪为动力的快艇“地球竞赛”号,进行一次环球航行。据悉,贝休恩将于2008年3月1日从西班牙的瓦伦西亚出发,开始全长约5万公里的环球航行。贝休恩表示,他打算挑战英国船只“有线和无线冒险”号于1998年创造的75天环球航行的世界纪录。

脂肪当燃料“地球竞赛”号被称为世界上最快的生态船,造价240万美元,融合多项高科技。“地球竞赛”号长约23.8米,形似一只展翅欲飞的天鹅。船身有三层外壳保护,内有两个功能先进的发动机,最高时速可达每小时40节,约74公里,即使航行在巨浪中,速度也不会减慢。

虽然动物脂肪种类丰富,但贝修恩计划只利用人类脂肪转化成的生物燃料作为“地球竞赛号”的动力来源,百分之百采用生物燃料完成一次环游世界的环保之旅。

为了能募集到足够的脂肪生物燃料,贝修恩身先士卒,主动躺到了手术台上。然而整形医生尽管做了很大努力,从他体内抽出的脂肪也只够制造100毫升的生物燃料。他的两名助手抽出的10升脂肪能够制成7升生物燃料,可供“地球竞赛”号航行15公里。

而皮特进行“绿色”环游世界之旅,以打破英国“有线和无线冒险者”号于1998年创造的75天环游世界的纪录,总共需要7万升的生物燃料,也就是说,皮特需要胖子志愿者们捐赠出大约7万公斤的脂肪。

而在我国国内,中远集团党委书记张富生在接受记者采访时表示:中远集团作为中国第一大、世界第二大的远洋运输企业,每年需要消耗600万吨的燃油,为了在节能环保方面尽到更大的社会责任,公司决定大力开发新能源。作为国内第一家牵头研发新能源推动船舶的航运企业,中远已经与一些科研机构和从事新能源研究的有关院校合作,共同开展风能推动船舶、核能推动船舶的课题研究。张富生表示目前该项研究进展顺利,已经跟上了世界领先水平的步伐。

并且全国首批LNG(压缩天然气)——柴油双燃料渔船改造项目正式在北塘渔港启动。此次先期改造的50艘渔船将成为全国第一批油气混合动力渔船,不仅降低了渔民的燃料成本,还获得了更清洁的排放,将为全国“LNG能源上渔船”战略的广泛推行提供示范。

“按‘七分气三分油’的混燃模式,渔民全年可节省约20%的燃油开销,船舶航速和拖力还略有提高。”据中海石油气电集团贸易分公司天津项目组工程师刘宗洋指着刚刚改造完的船只告诉记者。塘沽水产局局长刘宗豹介绍说,目前北塘渔港一艘普通木质渔船一年需要耗柴油1.7万升,花费在13万元左右。改造后每艘渔船加装的气罐可压缩325标准立方米的天然气,动力约等效于300升柴油。LNG目前市售价格约4元/立方米,而目前柴油价格约为7元/升,按照7∶3的混燃比例,预计每年为渔民节省燃油开销超3万元。

续航方面,目前北塘的木质渔船普遍在半径小于24海里的近海作业计算,一次加气可以满足渔船4天的作业需求,如果航行过程中遇到天然气不足的情况,渔民只要拨动开关,就可以在油气混合驱动和纯柴油驱动之间转换。首批改造后,中海石油气电集团将先期为北塘渔港派驻LNG加气车,随着后期改装量增多和启动远海捕捞船改造,公司还将在北塘渔港码头增设固定加气站,或派驻海上LNG加气船。

2011年10月11日,中国渔业船舶检验局与中海石油气电集团公司签署了战略合作框架协议,双方确定在LNG绿色能源推广应用及LNG渔船规范与标准化建设领域进行合作,即在全国正式启动“LNG能源上渔船”战略,并力争在“十二五”期间,让LNG作为动力燃料全面应用在渔船上,从而减污减排,惠农惠渔。

目前天津渔业船舶检验局已与中海石油气电集团等单位合作,根据我国木质渔船甲板狭窄、机舱空间小的特点,率先开发出了适合我国渔船安装使用的柴油—LNG混燃装置,并在汉沽进行了前期实船试验,取得了良好的试航效果。

而对于新能源船的设计生产来说,从船舶设计阶段,就要充分考虑新能源的利用。有利于船舶新能源的充分利用;有利于降低船舶的制造或改装成本,同时提高船舶的可靠性。并且单一的新能源具有一定的局限性,可以考虑各种新能源的混合利用。从实际出发,可以综合考虑传统能源和新能源在船舶上的综合利用,提高船舶动力来源的多样性。

从亘古到今天,人类探索的步伐就不曾停止,在人们日益重视到了新能源的可再生性和环保性之后,对它的大力开发就不曾间断过。并且也有了非常引人瞩目的成果和成就。在无数前辈用自己的信念和汗水铺就的康庄大道上,我们势将不断前行,为人类的生活和子孙的栖息创造一个更加美好的未来。

在不久的将来,我相信,更环保,更安全的新能源动力船舶将会更好的造福于我们的生活,并且会为我们的生活提供更好的服务。


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