2020年世界海事技术发展展望

2020年世界海事技术发展展望发布时间:2011-08-04 浏览次数:291技术改变世界。

多年来，挪威船级社（DNV）的研究和创新部门根据自身在相关领域的专长和能力，提出了对于未来十年的技术展望。

DNV新近出版的《2020年技术展望》，探讨并总结了对全球新技术发展和应用具有重大影响的七大趋势。

人口：全球人口总量到2020年将超过75亿。

西方、中国和日本的人口正在走向老龄化，中东人口却走向年轻化，很多发达国家的工作年龄人口的比例在减小。

自然资源的压力、城市化、自然灾难和地区冲突都是造成国内和国际人口迁移的刺激因素。

经济：工业革命将世界经济中心从亚洲转至西方，现在情况正在逆转。

全球不同地区间的人口转移意味着越来越多的经济产出将发生在目前的发达经济体之外，这可能会造成更大规模的社会转变，形成新的商业机会，但同时会对环境造成进一步压力。

到2020年，全球中产阶级的规模可能会增加一倍，其中亚洲将会占到50%。

治理：当前的政府治理架构主要是在二次世界大战后的环境中形成的，欧盟、金砖四国、维基解密和脸谱等现象那时还未出现，而这些现象对当前世界产生着深远的影响。

解决全球化的利弊是很严峻的挑战，还没有形成适合集体行动的治理架构，缺少对全球问题比如金融稳定性、贸易、气候变化、水和安全等的有效而统一的治理，将是未来十年的风险来源。

信息技术：信息技术对个人生活、工商业甚至整个社会产生了巨大影响。

信息很容易产生而且可以共享，数据呈指数级增长，进而造成数据检索和安全方面的挑战。

随着廉价、小型、功能更强大的计算机的推广使用以及无线连通能力的增强，不仅促进了自动化和泛在计算，同时也产生了与集成软件密集型系统相关的安全和（网络）保安问题。

能源：以环保、可持续的方式以及可支付得起的价格提供能源是人类所面临的重大挑战之一，加之对能源供应安全性问题的考量，这一挑战变得越来越复杂。

全球能源消耗到2020年将增长19%，虽然全球能源构成仍然主要是油、气和煤，但未来十年会发生变化，将向低碳能源迈出第一步。

自然资源：资源过度开采是人类所面临的最严峻的挑战之一。

水资源将面临短缺，稀土资源稀缺可能会阻碍替代性技术的发展，城市人口的增加会带来新的挑战，但是也带来了废物循环利用的机会。

解决这些资源问题虽然任务繁重，但也不是不可逾越的。

气候变化：气候学家认为在未来的三十到五十年内会不可避免地发生重要的不利影响。

有些变化已经可以明显察觉到了，如果人们还一如既往，那么全球温室气体排放到2020预计增长20%。

未来十年是非常关键的十年，要考虑如何以合理的成本来长久实现减排，同时防止达到不可逆转的倾覆点。

全球趋势将会直接或间接地影响未来技术的发展和应用。

DNV分析了四大领域的未来技术：海事航运、石化能源、可再生能源及核能，以及动力系统。

全世界人口在2020年会达到75亿，成熟经济体和新兴经济体在人口构成和发展程度方面的差异越来越显着。

随着生活方式越来越资源密集以及人口的不断增加，海运量注定也将增加。

全球船舶数量将不断增加，但不同地区对不同船型的需求大相径庭。

航运业面临着开发可持续的运输解决方案的压力，会要求新建船舶具有更高环保、安全和保安的性能。

这就要求更多地开发和实施创新性技术和操作解决方案，特别是提高环保性能和能效。

与材料科学、阻力降低和推进系统相关的哪些技术发展会为面向2020年低能耗概念船的研发做出贡献？低能耗船舶——解决能源损失燃料成本的高涨、市场的变化、整个行业对环境的关注，以及越来越严格的与污染排放和压载水相关的法规要求，这一切都将导致船舶设计建造的重大调整。

材料科学、降低阻力、推进系统和能效方面的技术发展将为新概念船舶奠定基础。

气泡润滑通过完善船舶设计可最大程度减低船舶的兴波阻力，但摩擦阻力对大型慢速航行商船的影响更为重要。

气泡润滑系统采用在船体下方喷入气体的方式，通过船舶底部的几个小孔向水流喷射微型气泡，干扰漩涡的产生，从而延迟高度耗散型紊流的产生（一般在船体周围会产生高度耗散型紊流）。

与涡流相比，层流的摩擦阻力小，可以降低摩擦阻力。

在2020年前需要解决相关机械装置的不确定性、设备尺寸和技术的可行性，特别是必须消除扩散的气泡与推进器之间可能产生的不利交互作用。

气腔系统在气腔系统中，在船体底部开几个凹槽，泵入压缩空气，填满空间，形成连续气腔，钢铁与海水的接触面就变为更光滑的空气与海水接触面，有效地减少船舶的潮湿表面，减少摩擦力，通过这种方式有可能减少10%的油耗。

气腔中的空气会不可避免地散失，需要持续注入气体。

气腔系统的不良副作用是在船体下方产生不稳定的自由表面，在自由表面产生重力波以及气泡扩散到螺旋桨进流区都会造成能量损失。

混合材料通过降低船体重量可以降低污染排放，节约燃料。

小型船舶和二级结构采用轻质材料，例如玻璃钢、铝和钛。

可以采用多层金属板和高分子复合材料层压板制造复合材料，纤维-金属层压板具有金属性能（高抗冲击性、耐用性、生产灵活）以及复合材料的性能（强、硬度/重量比例高、抗疲劳和腐蚀性能高），金属层可以是铝或钢板，而高分子夹心层可采用碳纤维或玻璃纤维强化。

这些材料在航空业和特种船中的应用为航运界做了示范，但是到2020年前大规模采用还不太可能，主要障碍包括成本高、制造和再回收的挑战以及消防问题。

组合推进系统螺旋桨的效率受到单一设计速度、大桨叶、二冲程柴油发动机和直驱推进的限制。

组合推进系统概念综合采用了螺旋桨、吊舱和增效设备（如前涡旋翅和后涡旋翅）。

通过流体动力优化，可以把反转吊舱螺旋桨布置在螺距可调整的主螺旋桨后面，在飞羽化中心线螺旋桨旁设置可转向吊舱，提高能效。

这些系统利用了各部分的流体动力优点，通过优化发动机负荷扩大了有效操作范围。

尽管混合推进器的设计和制造费用很高，但这项技术针对不同的利用率和船型（如集装箱船和多用途船）可以节约最高10%的燃料。

无压载水船舶采用梯形船体和横向倾斜船底可以保证空载时的稳定性和吃水，不需要压载水。

为了达到标准设计的排水量，需要增加宽度和长度。

船首和船尾对调节任何装载状态下的纵倾非常重要。

这种船舶因为增加了尺寸，同时要在部分装载条件下保证足够的强度，所以使用了更多的钢铁。

目前看来采用两个小压载水舱来调整纵倾的混合型船舶更可行。

即使在2020年后，不采用压载水船舶的建造费用仍然会很高，并且面临着各种施工困难。

其他竞争性的解决方案包括在船上处理压载水，在码头上设置接收设施。

随着环保法规的实施和燃油价格的上涨，天然气和混合生物燃料会成为可行的解决方案。

但风能和核能能否为航运提供航运动力呢绿色燃料船舶——传统燃料将终结随着海运面临越来越严格的环境法规要求以及燃油价格的攀升，天然气和可再生能源越来越被认为是可行的替代性能源。

液化天然气、混合生物燃料或更激进的能源（如风能或核能）都有开发潜力。

天然气使用天然气为燃料会彻底消除氧化硫和颗粒物质的排放，以天然气为燃料的四冲程稀燃发动机可以减少90%的硫化物。

这类发动机适用于游轮、小型货船和工作船，也适合用作辅助动力，但大型商船一般采用慢速二冲程发动机，氮化物的减排效果要小一些。

使用天然气为燃料，根据发动机类型的不同，二氧化碳当量的减排能力最高可达到20%，也可能出现净增加。

不过天然气与燃油相比，尽管二氧化碳减排量可达到25%，但存在释放未燃甲烷的问题，甲烷的温室气体效应比二氧化碳大21倍。

采用天然气为燃料的发动机广泛用于陆地发电和运输。

航运所面临的挑战之一是，液化天然气储罐占用空间一般是柴油储罐的2～3倍，天然气必须以液态或压缩状态储存，储罐成本也更高。

根据经验，以液化天然气为燃料的船舶新建成本比同等的以柴油为燃料的船舶高10%～20%。

尽管目前液化天然气补给设施还非常有限，预计到2020年燃料补给码头的数量会大幅增加，特别是在污染排放控制区内。

严格的控制氮氧化物和硫氧化物的法规，加上天然气价格越来越具有竞争力，将促进采用天然气作为船用燃料。

预计在未来的十年中，很大一部分新船将采用天然气作为燃料，特别是近海航运。

风筝风筝是小型装置，利用风能直接提供推进动力。

这个系统由风筝、带控制节点的控制线以及与艏楼连接的缆绳、绞盘和桥楼控制系统组成。

商用风筝目前的尺寸范围在160～300平方米，根据风况和船舶速度可以替代最高2000kW的推进动力。

在风速为3～8蒲福风级时，风筝飞行高度为100～420米，自动控制系统主动地操纵并稳定风筝，优化性能。

风筝风力推进系统安装比较容易，有可能在未来十年中为有些船舶所采用。

风筝操作增加了船员的工作量，可能会出现与货物装卸设备的冲突。

生物燃料生物燃料是一种可再生能源，可极大地降低生命周期的二氧化碳排放量，在操作过程中可以减少硫氧化物和颗粒物质的排放。

但是氮氧化物的排放量会稍有增加，原则上现有的柴油发动机都可以使用混合生物燃料。

最有前途的船用生物燃料是生物柴油和粗植物油，生物柴油最适合替代船用馏分柴油，而植物油适合替代残渣燃油。

但有很多问题需要解决，包括燃料不稳定性、腐蚀、容易生长微生物、对管路和仪表有负面影响、低温流动性不良等问题。

尽管在2020年之前可以解决这些技术问题，但在航运中广泛采用生物燃料还取决于价格、刺激政策和供给能力。

核能核电站在操作过程中没有温室气体排放，特别适合于动力需求变化慢的船舶。

尽管目前有几百艘以核能提供动力的海军舰船，但是很少有商船采用核能。

商用核能动力船需要使用低浓缩铀，开发的陆地原型是一个小反应堆（与大型船用柴油发动机相比），功率输出可达到25MW，生命周期以十年左右计算，能源价格为200万美元/MW。

这项技术要求进行广泛测试和严格的质量认证，政府参与可能会加速这项技术的应用过程。

航运业采用核能动力的主要障碍是难以控制核燃料的扩散、放射性废物的储存、高昂的投资成本和社会接受程度。

综合了多种可再生能源的混合型电动船概念将在特种船上实现，岸电供应计划、船用燃料电池和高温超导体也会得到发展吗电动船——海上“普锐斯”到2020年混合型电动船可以采用柴油-电动配置、船用燃料电池、电池组、太阳板或可缩回的风力发电机和紧凑型的超导电动机。

引入电动船概念会提高船舶整体效率，综合采用各种可再生能源。

混合动力船舶到2020年混合电动船可能采用各种传统和超导电动机和发电机、燃料电池和其他电池。

混合动力概念把各种可再生能源的动力组合到一起，例如太阳能板或伸缩式风力发电机。

其中，性能监控、动力管理和冗余是关键因素。

在未来十年，混合动力概念将应用于工作船、客船和小型货船，对于大型货船，只能用作辅助动力。

混合系统的高度复杂性要求制定良好的维护战略，控制电网稳定性，提高空间利用率，最大程度降低重量。

船用燃料电池为了提高动力生产效率，可以考虑燃料之外的其他措施。

燃料电池通过一系列的电化学反应把化学能直接转换为电能，理论效率可以达到80%（氢），它可采用天然气、生物燃气、甲烷、乙烷、柴油或氢气作为燃料。