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船舶节能面临的技术问题及未来发展趋势

已有 1134 次阅读 2019-11-16 21:05 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦| 船舶, 燃料电池, 绿色船舶, 新能源, 节能

船舶节能面临的技术问题及未来发展趋势

伍赛特

 

1 航运业的地位

航运(Shipping),水上运输事业的统称,分为内河航运、沿海航运和远洋航运。按照货运种类义可分为水上旅客运输、水上货物运输、水上运输辅助活动等子行业。与航空和陆路运输相比,水路运输在相同货运周期内具有运量大、通用性好、平均运距长和综合成本低等显著特点,尤其是在运输条件良好的航线,水路航运的通过能力几乎不受限制。作为水路运输的主要载体,船舶特有的可移动性、工作环境恶劣和负荷工况变化大等特点,使得船舶上存在的各种摩擦磨损问题较之陆地环境更为复杂和多变.其显著影响到船舶上主动力装置和各种辅助机械设备的机械效率和可靠性。因此,深入研究并解决船舶摩擦学问题,对于减小船舶机械设备磨损、降低能耗水平、提高机械寿命及保证船舶安全航行有着重要意义。

航运业作为世界经济重要的基础性和服务性行业,是实现国际贸易的重要保障,推进经济发展的坚实基础.在促进世界经济发展和人类社会进步有着不可替代的作用。在新航线开辟之前各同之间的贸易主要是通过陆路进行的,运输成本高,受到道路、国别关系等因素的制约。随着船舶航运和通信技术的不断发展,世界经济贸易来往日益密切,经济全球化趋势逐渐成形,国际分工不断细化——由产业间国际分工发展为产业内国际分工,再到产品间国际分工,最后发展为产品内国际分工,即同一件产品在不同的国家进行生产。以航运为连接纽带,把全球各大洲的生产和消费市场连接起来,在全球范围内配置资源和销售产品,凭借尽可能低的运输成本义可以进一步扩展新的产品市场。

 

2 船舶面临的技术挑战

2.1 船舶能耗、排放及其控制

1)能源消耗加剧

交通运输行业是世界化石燃料的一个主要消费者,消耗了全球50%以上的液体化石燃料。预计自2008年到2035年,消耗量将每年递增1.4%,占液体化石燃料使用预计总增长量的82%2010年至2040年,受经济增长推动,尤其是受发展中国家的经济增长推动,卡车、飞机、火车和船舶等商业运输业的液体化石燃料需求,将增长70%以上。以中国为例,在过去15年中,中国的原油产出年均增长率为1.8 %。近年来生产量基本稳定在每年1.8亿L左右,而石油消费年均增长率却达到4.9%,成为世界石油消费增长最快的国家。

 

2)节能减排形势严峻

货物运输作为贸易促进工具、贸易增长的发动机和社会发展的动力,其重要意义得到了广泛承认。然而,交通运输高度依赖石油作为动力,排放大量的温室气体以及氮氧化物、硫氧化物、挥发性有机化合物、颗粒物质和铅等空气排放物。统计数据显示,运输行业大约占了世界温室气体排放总量的13%,其中5.5%与物流有关。预计在2005年至2030年期间,全球与运输行业相关的温室气体排放比重将由25%增长至57%(或年均1.7%的增长速度)。另外,所有这些排放物对人体健康、环境(水质、土壤质量、生物多样性、土地占用、交通拥堵和噪声)、气候都有破坏性影响。每年由交通运输所致空气污染造成的死亡人数占世界死亡人员总数的1.1%,尤其是货车和船舶所排放的目前已被证实可致癌的黑炭和柴油排放颗粒物质,是空气污染物的主要来源。

实际上,在全球范围内,由世界经济增长和相应运输需求使得船舶航运的CO2排放量不断增加,曾经被誉为绿色运输方式的船舶航运业辉煌不再,预计船舶航运CO2排放量到2050年将进一步增至5%(不考虑应用节能减排技术所获得的75%减排效果)。

 

3)法律规范加强

当前,防止、减少和控制船舶气体排放已成为全社会的共识,国际海事组织亦在不断制定并颁布日益严格的强制性船舶排放法规。

2001年国际海事组织海洋环境保护委员会(MEPC)第47届会议开始,减少船舶温室气体排放就已被提到议事日程。2005年国际海事组织(IMO)公布的《防止船舶造成大气污染规则》( MARPOL73/78附则Ⅵ)生效之后,航运业已被纳入对节能、环保具有积极意义的产业。随着人类社会对环境保护的日益重视,全球在减少温室气体和废气排放方面的法律法规日趋完善,正在逐步推行并实施之中。航运企业在运营过程中受到来自国际海事界强制实施的温室气体减排政策方面的压力越来越大,如全球征收燃油税机制、排放定额制度及港口强制征收CO2排放税等。这是使用化石燃料能源的常规动力船舶所不能同避的问题,凶此,通过采用高新技术有效控制在用船舶柴油机污染物排放污染问题势在必行。

 

2.2 船舶的节能减排技术

当前,全球航运界正在通过采取技术、运营或工程措施以提高本行业的能源效率,减少燃料消耗和排放。相关举措包括采取低速航行、废气综合处理、采用建造节能环保型船舶、提高推进效率以及向清洁能源转变等。

 

1)降速航行——实现船舶主机低负荷运行

在航速管理、燃料舱调整、票据套期保值以及选择最经济的可选航线等系列成本控制措施中,降速航行被认为是航运公司所采取的最直接、见效最快的降低燃油消耗量管控措施,实际上,采取降速航行的方法是在物流需求和航运成本控制之间取的折中之法,一般认为,船舶主机输出功率与船速呈二次方关系·而主机输出的功率完全由消耗燃油提供。

  

2)废气处理——减少NOxSOx排放

就船用低速机市场占主导地位的MAN B & W来说,目前有两种比较成熟的方案来控制NOx排放,分别是废气再循环技术(EGR)和选择性催化还原技术(SCR);对于SOx的控制,有两种不同的解决方案:加装洗涤塔,或者直接燃烧满足要求的低硫油。

 

3)节能环保船型——降低船体阻力

当前,IMO已开始讨沦未来适用于新船的能效设计指数(EEDI)和适用于新船及现有船舶的能效管理计划(SEEP),涉及干散货船、油船、集装箱船的三阶段减排计划。为了尽早占领新市场和新业务的制高点,特别是金融危机发生以来,一些对市场较为敏感的跨国航运公司和船级社通过与船舶设计公司、船厂联合研发,不断推出各种新的节能环保船型。

 

4)提高推进系统效率——降低摩擦磨损与能量损失

    船舶推进系统中的能量损失主要涉及两个方面的原因:①船的推进传动设备运转中由于摩擦造成的能量损失,包括:主机缸套活塞环、曲轴轴承、推力轴承和船舶艉轴承的摩擦磨损以及润滑与密封问题;②螺旋桨叶梢处存在的横向扰流引起的涡流能量损失和螺旋桨旋转尾流损失。

    当前,国内外科研机构和院校均已开展了大量的相关研究工作,获得了一系列有意义的研究成果。

 

 

3 船舶技术的发展趋势

3.1 绿色船舶兴起

随着新能源技术的不断发展,世界各航运大国已开始探索应用以风能、太阳能、核能、液化天然气(LNG)、生物质能和燃料电池等为典型代表的清洁能源技术,以开发新型节能环保船舶,即“绿色船舶”。航运界各主要船级社,诸如挪威船级社(DNV)、美国船级社(ABS)、中国船级社(CCS)、日本船级社(NK)、德国船级社(GL)和韩国船级社(KR)等,也已从不同侧重点将绿色船舶纳入到其技术规范体系之中。

所谓绿色船舶,指“采用相对先进技术(绿色技术)在其生命周期内能经济地满足其预定功能和性能,同时实现提高能源使用效率、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”。绿色船舶并非某一种船型或某一种技术手段,而是一个包括诸多学业领域的技术体系和评价体系。从船舶能源系统及其配套设备技术方面而言,绿色船舶可以概括为:以能效设计指数(EEDI)和能效营运指数(EEOI)为技术框架和设计原则,采用绿色环保材料、先进的制造加工技术,设计建造节能环保的新船型;或是在船舶能源系统(电力系统和动力系统)中集成可以利用零污染、零排放清洁能源的电力系统(如太阳能光伏系统)或动力助航设备(如现代风翼助航设备),在设计降低常规船舶动力设备或发电机组的设计功率的基础上,通过在航行过程中最大化利用清洁能源或转换而成的电能,最大程度上降低全船在全寿命周期内的燃油消耗量和温室气体排放鞋。

 

1)风帆助航船

人类社会时于风帆助航的理解和认识有着悠久的历史,工业和科技水平的不断发展对于风帆技术的应用起到了巨大的推动作用,根据风帆的形式及其对风力利用性质的不同,衍生出了普通翼帆、特种翼帆(包括单转子一翼帆组合体帆、转柱帆、转带帆、Walker型风帆)、三角帆、天帆、Magnus效应帆(涡轮帆、转简帆)和仿生帆等众多船舶风帆结构。其中以三角帆和普通翼帆技术应用水平较高,其他帆型形式存船舶上的应用多是带有试验性质的技术探索。

 

2)太阳能船

太阳能在能源利用形式上有太阳能发电、光热利用、光化利用和光生物能利用四种,但是由于太阳能发电,即太阳能光伏技术,较之后三种能量利用形式在实施技术难度上相对较低,且具有相对较高的能源转换效率和能源品质(电能)。随着电力电子逆变技术的不断进步,集成光伏系统的太阳能船舶逐步发展起来。

 

3)燃料电池船

燃料电池是一种等温地将储存在燃料与氧化剂中的化学能直接转变为电能的电化学单元,其活性物质是独立存在的,只要供给燃料和氧化剂就可以像传统的柴油机、汽油机一样连续不断地工作,与普通热机发电机存在一定的相似性,被誉为“化学发电机”。早在1992年,荷兰就将熔融碳酸盐燃料电池的应用定为今后20年船舶推进系统的重要研究方向;冰岛决定将燃料电池应用到渔船上;1996年,德国的渔业协会决定使用燃料电池来代替常规的柴油机,以更好地保护环境;2003年,美国开始开发航行于奥克兰和旧金山之间的使用燃料电池作为动力装置的渡轮。

 

4)核动力船

核动力船是利用核动力装置来推进船舶的,其动力装置由原子反应堆的热量产生蒸汽供给汽轮机工作,按主机形式分类应属于汽轮机动力装置。核能事业的蓬勃发展已经为船舶动力工程开辟了新的发展道路。利用核能产生动力以推动船舶,已证明其可行性。据不完全统计,全世界现有150多艘依赖220多座小型核反应堆提供动力的舰船。这些舰船虽然绝大部分部是潜艇,但也包括从破冰船到航空母舰等各种类型的舰船。

 

3.2 高新技术应用

成组技术、系统工程、工业工程、信息、管理等高新技术的快速发展,为船舶技术的发展带来了不同以往的巨大机遇和挑战。在其应用和推广过程中,这些高新技术一方面将传统船舶建造模式向船体、舾装和涂装一体化的现代造船模式推进;另一方面又不断促进着世界航运业向更加安全、高效和智能的方向发展。

以现代造船模式中的虚拟造船技术和柔性制造为例,前者是以船舶及其建造系统的全局最优化为目标,以计算机支持的仿真技术为前提,对船舶产品及其建造过程进行统一的建模,在船舶设计阶段模拟船舶未来建造的全过程及其对船舶产品设计的影响,预测船舶性能、造船成本、可制造性,从而更敏捷地组织造船生产,使船厂和车间的资源得到更合理的配置,以达到船舶产品的研制周期和成本最小化、船舶性能最优化和建造效率最高化;后者是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的船舶组件的自动化制造系统,能够根据制造任务和生产环境的变化迅速调整,通过多机联动控制,自动加工生产、运输储存某一零件族中的任一零件。

 

参考文献

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[11] 伍赛特.核动力装置应用于民用商船的可行性分析研究[J].中国水运(下半月),2018,18(10):97-98.

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