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船舶低碳技术未来发展重点方向 - 船舷内外 - 国际船舶网

2019-07-23 21:34:56
来源:中国船检 编辑: 国际船舶网 我有话要说

2019年5月13日,国际海事组织(IMO)海上环境保护委员会(MEPC)第74届会议在伦敦召开,有关降低船舶碳排放的措施成为国际关注重点。作为全球航运业监管机构,IMO一直以来都在推动航运业温室气体减排工作。2018年4月,IMO制定了航运业温室气体减排初步战略,提出到2050年航运业温室气体排放相比2008年至少降低50%,这也是全球航运业首个关于温室气体减排的战略。面对碳减排目标,船舶工业将从何处着手,未来船舶低碳技术将何去何从。本文对当前船舶低碳技术进行了汇总分析,并在此基础上对未来低碳技术发展重点方向进行分析,旨在为行业提供参考。

当前船舶低碳技术发展现状

船舶能效设计指数(EEDI)作为当前IMO控制船舶温室气体排放的主要手段,其数值越低代表船舶CO2排放越低。2011年,IMO通过了船舶能效设计指数,该指数代表船舶将单位载重量货物运输单位距离产生的温室气体排放。根据IMO要求,船舶EEDI从2015年开始分三个阶段实施,目前处于第一阶段,EEDI要求低于基准线10%;第3阶段将从2025年1月1日开始,船舶EEDI需低于基线30%。

从当前新建船舶满足EEDI要求来看,基本满足EEDI第二阶段要求,部分船舶也能满足第三阶段要求,但大型船舶(尤其是散货船和油船)满足EEDI第三阶段的难度较大。而从IMO近期动向来看,其关于EEDI的要求逐渐趋严,在MEPC 74会议上,针对集装箱船、普通杂货船、LNG运输船、非传统推进邮轮和15000DWT及以上气体运输船等12种船型的船舶EEDI第三阶段实施时间已经提前至2022年,其中集装箱船EEDI折减率根据不同吨位在原有基础上有所提升。

从目前EEDI的执行力度来看,其距离IMO实现2050年航运业温室气体减排50%的目标还有差距,当前的EEDI规定或将仅是航运业乃至船舶工业低碳排放过程的一个阶段性政策工具,未来不排除继续修订更为严格的碳排放减排规定,甚至很有可能致力于实现航运业零排放,如若实现,船舶工业将面临严峻挑战。

目前业界较为公认的降低EEDI的措施主要包括使用新燃料(如LNG、甲醇、乙烷等)、新能源(如风能、太阳能、燃料电池等)、船型优化、安装节能装置、低速航行等。国外船舶企业已在相关领域开展了大量研究,技术水平处于世界领先,尤其是在前瞻性技术研究方面。例如MAN、瓦锡兰、罗·罗等企业是双燃料发动机和纯气体机领域的市场领导者;芬兰Norsepower公司旋筒风帆已应用于豪华客滚船;ABB正在开展燃料电池在船舶上的应用研究;日本邮船正在开展零排放船舶研究等。

除了船舶企业积极开展绿色船舶研发,一些航运公司也在大力推动绿色船舶运营。2018年12月,丹麦马士基航运公司宣布计划到2050年旗下船队实现温室气体零排放,并且2030年首先实现零排放集装箱船的商业运营,这一目标与IMO提出的2050年温室气体减排50%相比也大幅提高。

我国在绿色船舶领域也开展了大量研究,取得了一系列成果,部分技术研究处于世界先进水平。例如外高桥开发的32万吨VLCC EEDI低于基准线37.5%,达到第三阶段要求,是目前获得船级社认可的最大吨位双燃料超大型油船;安庆中船柴油机有限公司研制的具有自主知识产权的纯天然气发动机已获得批量订单;中远海运已在汽车运输船“中远腾飞”号上安装了太阳能面板等。

总体来看,我国在绿色船舶领域的研究能够满足现阶段IMO相关绿色环保要求,但面向未来更高绿色环保要求的前瞻性技术研究仍落后于国外,而且我国建造的绿色船舶部分核心配套设备如双燃料发动机、尾气减排装置等仍大量依赖国外产品。

船舶低碳技术发展重点方向

从船舶低碳排放实现手段来看,目前造船界还没有成熟的解决方案,DNV GL此前曾表示,航运业要实现IMO温室气体减排50%的目标难度很大,潜在的技术措施包括LNG燃料、碳中性燃料、电池动力等。另外,按照日本邮船推出的零排放船舶概念设计“NYK Super Eco Ship 2050”,其通过使用燃料电池、太阳能面板、电力推进系统、空气润滑系统、轻质材料等技术措施实现航行过程中不产生温室气体排放。

虽然目前无法预测未来低排放船舶的具体形式,但从DNV GL和日本邮船的研究来看,从实现减排目的角度来看,未来业界基本将围绕船舶总体优化和船舶动力变革两个维度展开多种低碳技术的研发与应用。

1、船舶总体优化

船舶总体优化主要围绕四个方面开展,一是通过型线优化降低阻力;二是通过推进系统优化,提高推进效率和燃油效率;三是应用新材料,通过降低船舶质量降低能耗;四是通过安转节能装置,降低船舶能耗。

(1) 船舶型线优化

虽然基于传统的船型优化有段降低船体阻力空间有限,且不同船型减阻效果差异也较大,但随着人工智能及大数据的飞速发展,使得船型多维度参数大范围优化成为可能。美国在汽车车身及零部件、飞机气动外形、螺旋桨等领域已经成功应用智能化设计技术,提高设计效率的同时,性能也有显著提升,而在船体型线设计领域,美、日、韩、欧等国家也着手开展船型数据库构建、数据挖掘、专家系统构建和三维型线设计等技术研究,并在此基础上初步开展了人工智能在船型设计方面的探索研究。

(2) 推进系统优化

得益于数值仿真、拓扑优化等技术的发展,使得新型高效推进装置成为可能,如美国Sharrow Engineering公司推出新型高效螺旋桨方案,其结构形式与传统螺旋桨有较大不同,推进效率较标准系列螺旋桨推进效率提高9%~15%。此外随着信息技术和发动机技术的不断发展,通过发动机技术改进并配合智能管控系统,也能够实现降低能耗延长使用寿命的目的。

(3) 新材料应用

得益于新材料技术及3D打印、合金激光焊接等先进材料加工技术的飞速发展,碳纤维、高强合金等新型材料在船舶建造过程中的应用范围逐步扩大。短期来看,碳纤维材料虽然更轻,性能也更好,但由于原材料制备及加工成本较高,造船市场广泛应用仍不现实,主要应用领域将以关键构件及小型船艇为主;高强合金由于强度高、质量轻,在大型船艇将会有更大应用市场,尤其对于大型客滚船、豪华邮轮、大型渡船等上部结构较高的船型,合金的应用将有利于重心控制和质量控制。

(4) 节能装置

从研发布局来看,未来船舶行业比较热衷的节能装置将以空气润滑系统、节能附体等为主,其中,空气润滑系统由于降阻效果显著,欧、日、韩等主要造船国家在开发空气润滑系统加大研发和应用力度,日本最新提出的零排放船舶中也有提到应用空气润滑系统,也表明该装置具有较好的应用前景;节能附体主要包括米维斯导管、预旋定子等装置,相关技术已经比较成熟,不过在不同节能附体组合使用下的效果目前少有研究,有望成为研究的一个热点。

2、船舶动力变革

船舶动力变革主要围绕三类能源方式展开,一是LNG等清洁燃料;二是采用电池动力;三是可再生能源。

(1) 清洁燃料

从供应端来看,未来具备应用基础的低碳燃料主要以LNG为主。LNG作为目前应对EEDI第三阶段最为有效的方式,当前已实现对主要船型的全面覆盖,包括油船、散货船、集装箱船、汽车运输船、超大型矿砂船、邮轮等。从碳排放角度来看,对于集装箱船、小型油船及散货船,使用LNG等清洁能源作为动力并辅之以其它减排措施,能够达到碳减排50%的目标;但对于大型船舶尤其是VLCC及好望角型散货船来讲,将很难满足IMO碳排放降低50%的目标,需要寻找其他替代性燃料。

(2) 电力驱动

从动力来源来看,电力驱动主要包括燃料电池和蓄电池两种动力形式。

对于燃料电池动力形式,从应用效果来看,氢燃料电池是未来航运业的首选,尤其是近年来燃料电池技术的不断进步,使得氢燃料电池在船舶领域的推广应用奠定了一定基础,但从碳排放角度来看,当今几乎所有商业化氢燃料均源自工业生产,按照DNV GL的研究,过程中产生的二氧化碳水平实际高于重油从开采到主机消耗过程,而用可再生电力电解水产生的氢气成本较为昂贵,诸多限制性因素使得船用氢燃料电池广泛应用尚不具备基础,不过随着可再生能源制氢产业的发展以及相关技术的持续改进,氢燃料电池注定会逐步推广应用,倘若IMO后续继续出台更加严厉的碳排放政策,甚至实现零排放,氢燃料电池无疑是首选。

对于蓄电池动力形式,在节能减排的政策逐步趋严的大背景下,随着港口及河岸电力设施的逐步完备,全电力推进技术在内河运输船及港口作业船等领域应用范围不断扩大,但在长距离运输船领域应用范围仍然有限,虽然柴油+电力驱动虽然能够解决长距离运输动力供应问题,但与IMO航运业碳排放降低50%的目标仍相差一段距离。一种潜在的解决方案是燃料电池+蓄电池动力模式,国外也在开展相关的研究,在降低排放和长距离运输需求的双重压力下,燃料电池+蓄电池电力驱动有可能是未来船舶低碳技术突破的重要方向。

(3) 可再生能源

从目前国内外船舶领域可再生能源利用研发力度来看,未来船舶可再生能源利用将主要集中在两个层面,一是安装太阳能、风能等可再生能源利用装置;二是碳中和燃料。

国内外在太阳能及风能利用方面均已经实现实船应用,从技术应用成熟度来看,太阳能利用装置主要包括集中在太阳能电池板或薄膜太阳能电池领域,通过太阳能电池产生电能,用于提供辅助性电力供应;风能利用装置主要包括风帆、风筒、天帆等,用来在船舶航行时提供额外助推力,从而达到降低主机能耗的目的。总体来看,未来风能和太阳能仍将作为船舶可再生能源利用的重点方向,但由于易受到天气状况影响,故只能作为辅助性节能措施。

碳中和燃料是可再生能源开发利用的重要方向,国内外在碳中和燃料研发方面正在开展积极研究,并取得一系列进展。由于碳中和燃料以生物质为基础,来源广泛且可再生,使得碳中和燃料成为未来船舶燃料推广应用的重要方向。

推动船舶低碳技术发展的建议

从国内外船舶发展趋势来看,低碳技术在船舶领域的应用将越来越广泛和深入,为此,笔者提出如下几点建议:

一是密切关注国际公约动向。一方面做好相关政策应对措施准备,并积极参与公约制定,争取行业话语权;另一方面充分发挥政策导向作用,鼓励、推动船舶企业及相关科研院所开展船舶低碳技术攻关,做好船型储备。

二是坚持补齐短板与重点研发齐头并进。一方面,建议业界加快双燃料发动机及新型燃料发动机研发步伐,打造系列化、标准化动力产品供应体系;另一方面建议业界以氢燃料电池产业链、LNG燃料电池应用技术、大功率电力储能系统为重点突破口,加大研发力度,依托国内市场加快技术推广应用,形成应用示范效应和规模化应用,全面推动航运业减排。

三是充分借鉴其他行业技术。充分借鉴我国在光伏、新能源汽车电池技术等领域的成熟技术,围绕技术同心圆和产业同心圆,充分借鉴国内其他行业成熟技术、发挥产业协同效应和推动技术跨界融合,全面推动船舶低碳技术的发展。

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