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    船舶低碳技術未來發展重點方向

    發布時間:2020-01-07

      2019年5月13日,國際海事組織(IMO)海上環境保護委員會(MEPC)第74屆會議在倫敦召開,有關降低船舶碳排放的措施成為國際關注重點。作為全球航運業監管機構,IMO一直以來都在推動航運業溫室氣體減排工作。2018年4月,IMO制定了航運業溫室氣體減排初步戰略,提出到2050年航運業溫室氣體排放相比2008年至少降低50%,這也是全球航運業首個關于溫室氣體減排的戰略。面對碳減排目標,船舶工業將從何處著手,未來船舶低碳技術將何去何從。本文對當前船舶低碳技術進行了匯總分析,并在此基礎上對未來低碳技術發展重點方向進行分析,旨在為行業提供參考。當前船舶低碳技術發展現狀

      船舶能效設計指數(EEDI)作為當前IMO控制船舶溫室氣體排放的主要手段,其數值越低代表船舶CO2排放越低。2011年,IMO通過了船舶能效設計指數,該指數代表船舶將單位載重量貨物運輸單位距離產生的溫室氣體排放。根據IMO要求,船舶EEDI從2015年開始分三個階段實施,目前處于第一階段,EEDI要求低于基準線10%;第3階段將從2025年1月1日開始,船舶EEDI需低于基線30%。

      從當前新建船舶滿足EEDI要求來看,基本滿足EEDI第二階段要求,部分船舶也能滿足第三階段要求,但大型船舶(尤其是散貨船和油船)滿足EEDI第三階段的難度較大。而從IMO近期動向來看,其關于EEDI的要求逐漸趨嚴,在MEPC 74會議上,針對集裝箱船、普通雜貨船、LNG運輸船、非傳統推進郵輪和15000DWT及以上氣體運輸船等12種船型的船舶EEDI第三階段實施時間已經提前至2022年,其中集裝箱船EEDI折減率根據不同噸位在原有基礎上有所提升。

      從目前EEDI的執行力度來看,其距離IMO實現2050年航運業溫室氣體減排50%的目標還有差距,當前的EEDI規定或將僅是航運業乃至船舶工業低碳排放過程的一個階段性政策工具,未來不排除繼續修訂更為嚴格的碳排放減排規定,甚至很有可能致力于實現航運業零排放,如若實現,船舶工業將面臨嚴峻挑戰。

      目前業界較為公認的降低EEDI的措施主要包括使用新燃料(如LNG、甲醇、乙烷等)、新能源(如風能、太陽能、燃料電池等)、船型優化、安裝節能裝置、低速航行等。國外船舶企業已在相關領域開展了大量研究,技術水平處于世界領先,尤其是在前瞻性技術研究方面。例如MAN、瓦錫蘭、羅·羅等企業是雙燃料發動機和純氣體機領域的市場領導者;芬蘭Norsepower公司旋筒風帆已應用于豪華客滾船;ABB正在開展燃料電池在船舶上的應用研究;日本郵船正在開展零排放船舶研究等。

      除了船舶企業積極開展綠色船舶研發,一些航運公司也在大力推動綠色船舶運營。2018年12月,丹麥馬士基航運公司宣布計劃到2050年旗下船隊實現溫室氣體零排放,并且2030年首先實現零排放集裝箱船的商業運營,這一目標與IMO提出的2050年溫室氣體減排50%相比也大幅提高。

      我國在綠色船舶領域也開展了大量研究,取得了一系列成果,部分技術研究處于世界先進水平。例如外高橋開發的32萬噸VLCC EEDI低于基準線37.5%,達到第三階段要求,是目前獲得船級社認可的最大噸位雙燃料超大型油船;安慶中船柴油機有限公司研制的具有自主知識產權的純天然氣發動機已獲得批量訂單;中遠海運已在汽車運輸船“中遠騰飛”號上安裝了太陽能面板等。

      總體來看,我國在綠色船舶領域的研究能夠滿足現階段IMO相關綠色環保要求,但面向未來更高綠色環保要求的前瞻性技術研究仍落后于國外,而且我國建造的綠色船舶部分核心配套設備如雙燃料發動機、尾氣減排裝置等仍大量依賴國外產品。

      船舶低碳技術發展重點方向

      從船舶低碳排放實現手段來看,目前造船界還沒有成熟的解決方案,DNV GL此前曾表示,航運業要實現IMO溫室氣體減排50%的目標難度很大,潛在的技術措施包括LNG燃料、碳中性燃料、電池動力等。另外,按照日本郵船推出的零排放船舶概念設計“NYK Super Eco Ship 2050”,其通過使用燃料電池、太陽能面板、電力推進系統、空氣潤滑系統、輕質材料等技術措施實現航行過程中不產生溫室氣體排放。

      雖然目前無法預測未來低排放船舶的具體形式,但從DNV GL和日本郵船的研究來看,從實現減排目的角度來看,未來業界基本將圍繞船舶總體優化和船舶動力變革兩個維度展開多種低碳技術的研發與應用。

      1、船舶總體優化

      船舶總體優化主要圍繞四個方面開展,一是通過型線優化降低阻力;二是通過推進系統優化,提高推進效率和燃油效率;三是應用新材料,通過降低船舶質量降低能耗;四是通過安轉節能裝置,降低船舶能耗。

      (1) 船舶型線優化

      雖然基于傳統的船型優化有段降低船體阻力空間有限,且不同船型減阻效果差異也較大,但隨著人工智能及大數據的飛速發展,使得船型多維度參數大范圍優化成為可能。美國在汽車車身及零部件、飛機氣動外形、螺旋槳等領域已經成功應用智能化設計技術,提高設計效率的同時,性能也有顯著提升,而在船體型線設計領域,美、日、韓、歐等國家也著手開展船型數據庫構建、數據挖掘、專家系統構建和三維型線設計等技術研究,并在此基礎上初步開展了人工智能在船型設計方面的探索研究。

      (2) 推進系統優化

      得益于數值仿真、拓撲優化等技術的發展,使得新型高效推進裝置成為可能,如美國Sharrow Engineering公司推出新型高效螺旋槳方案,其結構形式與傳統螺旋槳有較大不同,推進效率較標準系列螺旋槳推進效率提高9%~15%。此外隨著信息技術和發動機技術的不斷發展,通過發動機技術改進并配合智能管控系統,也能夠實現降低能耗延長使用壽命的目的。

      (3) 新材料應用

      得益于新材料技術及3D打印、合金激光焊接等先進材料加工技術的飛速發展,碳纖維、高強合金等新型材料在船舶建造過程中的應用范圍逐步擴大。短期來看,碳纖維材料雖然更輕,性能也更好,但由于原材料制備及加工成本較高,造船市場廣泛應用仍不現實,主要應用領域將以關鍵構件及小型船艇為主;高強合金由于強度高、質量輕,在大型船艇將會有更大應用市場,尤其對于大型客滾船、豪華郵輪、大型渡船等上部結構較高的船型,合金的應用將有利于重心控制和質量控制。

      (4) 節能裝置

      從研發布局來看,未來船舶行業比較熱衷的節能裝置將以空氣潤滑系統、節能附體等為主,其中,空氣潤滑系統由于降阻效果顯著,歐、日、韓等主要造船國家在開發空氣潤滑系統加大研發和應用力度,日本最新提出的零排放船舶中也有提到應用空氣潤滑系統,也表明該裝置具有較好的應用前景;節能附體主要包括米維斯導管、預旋定子等裝置,相關技術已經比較成熟,不過在不同節能附體組合使用下的效果目前少有研究,有望成為研究的一個熱點。

      2、船舶動力變革

      船舶動力變革主要圍繞三類能源方式展開,一是LNG等清潔燃料;二是采用電池動力;三是可再生能源。

      (1) 清潔燃料

      從供應端來看,未來具備應用基礎的低碳燃料主要以LNG為主。LNG作為目前應對EEDI第三階段最為有效的方式,當前已實現對主要船型的全面覆蓋,包括油船、散貨船、集裝箱船、汽車運輸船、超大型礦砂船、郵輪等。從碳排放角度來看,對于集裝箱船、小型油船及散貨船,使用LNG等清潔能源作為動力并輔之以其它減排措施,能夠達到碳減排50%的目標;但對于大型船舶尤其是VLCC及好望角型散貨船來講,將很難滿足IMO碳排放降低50%的目標,需要尋找其他替代性燃料。

      (2) 電力驅動

      從動力來源來看,電力驅動主要包括燃料電池和蓄電池兩種動力形式。

      對于燃料電池動力形式,從應用效果來看,氫燃料電池是未來航運業的首選,尤其是近年來燃料電池技術的不斷進步,使得氫燃料電池在船舶領域的推廣應用奠定了一定基礎,但從碳排放角度來看,當今幾乎所有商業化氫燃料均源自工業生產,按照DNV GL的研究,過程中產生的二氧化碳水平實際高于重油從開采到主機消耗過程,而用可再生電力電解水產生的氫氣成本較為昂貴,諸多限制性因素使得船用氫燃料電池廣泛應用尚不具備基礎,不過隨著可再生能源制氫產業的發展以及相關技術的持續改進,氫燃料電池注定會逐步推廣應用,倘若IMO后續繼續出臺更加嚴厲的碳排放政策,甚至實現零排放,氫燃料電池無疑是首選。

      對于蓄電池動力形式,在節能減排的政策逐步趨嚴的大背景下,隨著港口及河岸電力設施的逐步完備,全電力推進技術在內河運輸船及港口作業船等領域應用范圍不斷擴大,但在長距離運輸船領域應用范圍仍然有限,雖然柴油+電力驅動雖然能夠解決長距離運輸動力供應問題,但與IMO航運業碳排放降低50%的目標仍相差一段距離。一種潛在的解決方案是燃料電池+蓄電池動力模式,國外也在開展相關的研究,在降低排放和長距離運輸需求的雙重壓力下,燃料電池+蓄電池電力驅動有可能是未來船舶低碳技術突破的重要方向。

      (3) 可再生能源

      從目前國內外船舶領域可再生能源利用研發力度來看,未來船舶可再生能源利用將主要集中在兩個層面,一是安裝太陽能、風能等可再生能源利用裝置;二是碳中和燃料。

      國內外在太陽能及風能利用方面均已經實現實船應用,從技術應用成熟度來看,太陽能利用裝置主要包括集中在太陽能電池板或薄膜太陽能電池領域,通過太陽能電池產生電能,用于提供輔助性電力供應;風能利用裝置主要包括風帆、風筒、天帆等,用來在船舶航行時提供額外助推力,從而達到降低主機能耗的目的??傮w來看,未來風能和太陽能仍將作為船舶可再生能源利用的重點方向,但由于易受到天氣狀況影響,故只能作為輔助性節能措施。

      碳中和燃料是可再生能源開發利用的重要方向,國內外在碳中和燃料研發方面正在開展積極研究,并取得一系列進展。由于碳中和燃料以生物質為基礎,來源廣泛且可再生,使得碳中和燃料成為未來船舶燃料推廣應用的重要方向。

      推動船舶低碳技術發展的建議

      從國內外船舶發展趨勢來看,低碳技術在船舶領域的應用將越來越廣泛和深入,為此,筆者提出如下幾點建議:

      一是密切關注國際公約動向。一方面做好相關政策應對措施準備,并積極參與公約制定,爭取行業話語權;另一方面充分發揮政策導向作用,鼓勵、推動船舶企業及相關科研院所開展船舶低碳技術攻關,做好船型儲備。

      二是堅持補齊短板與重點研發齊頭并進。一方面,建議業界加快雙燃料發動機及新型燃料發動機研發步伐,打造系列化、標準化動力產品供應體系;另一方面建議業界以氫燃料電池產業鏈、LNG燃料電池應用技術、大功率電力儲能系統為重點突破口,加大研發力度,依托國內市場加快技術推廣應用,形成應用示范效應和規?;瘧?,全面推動航運業減排。

      三是充分借鑒其他行業技術。充分借鑒我國在光伏、新能源汽車電池技術等領域的成熟技術,圍繞技術同心圓和產業同心圓,充分借鑒國內其他行業成熟技術、發揮產業協同效應和推動技術跨界融合,全面推動船舶低碳技術的發展。

      來源:中國船檢

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