绿色船舶技术

绿色船舶技术前瞻

(2013-09-23) 编辑发布：中国船舶在线阅读次数：40次

日前，DNV在对海运、造船、再生能源、核能、发电系统等工业领域进行深入研究的基础上，描绘出了2020年全球最受瞩目的绿色船舶技术。那么，2020年在船舶领域我们将会拥有哪些先进技术呢？

节能相关技术

1、空气润滑法

图1：两种空气润滑方式

减少船体阻力是改善能源效率的有效手段之一。自兴波阻力被控制在最小限度的一些新船型被开发出来后，可减少船体摩擦阻力的技术研究开始显得尤为重要。空气润滑法便是一个能够在船底与海水之间使用空气进行润滑以减少船体摩擦阻力的新技术。

目前全球利用空气润滑法的系统有两种模式。一种是由船底开设的许多气孔喷出空气，形成空气层来减少船底与海水的摩擦阻力。这种技术的关键在于控制空气的喷量以达到在船底形成稳定的空气泡层的效果。

第二种是船底留有大块凹陷区域，从中送入压缩空气，形成空气膜来减少船底阻力。这个模式的关键在于如何维持空气膜的稳定存在，因为在不稳定的情况下无法发挥应有的降阻效果。

至于该系统是否会对螺旋桨性能带来不好的影响是今后需要继续研究的课题，不过两种方式都可以减少10%～20%的船底摩擦阻力，最终达到减少10%油耗的结果。

2、复合材料

图2：金属/纤维复合材料

使用复合材料建造船体可减少船体重量，削减燃油消耗，同时还可减少有害气体及温室气体的排放。比如纤维增强塑料，铝，钛等轻型材料已作为小型船舶的建材所使用，而纤维和金属复合的材料作为未来船舶的轻型材料受人瞩目。

纤维和金属复合材料是由金属薄板和聚合物层积体相互交叠形成的材料，它同时拥有耐冲击性、耐磨损性等金属材料的特质，以及高强度、耐疲劳性、耐腐蚀性等复合材料的性质。金属薄板可采用铝合金板或者钢板，聚合物的主要材料则可用碳纤维或者玻璃纤维来强化。这些材料目前广泛用于航空航天产业，可以考虑将其中的一部分用于特殊船舶的建造。对于普通商船来说将来也有可能使用，不过其价格十分高昂，推广普及或许要到2020年以后。材料成本方面，制造技术、回收利用技术、防火性等方面的改善将是今后的课题。

3、混合推进系统

图3：混合推进系统

传统的推进系统是2冲程主机与推进轴直接连接，通过常规螺旋桨推进，整套系统的效率设计都是为了达到期望航速而服务，而在设计范围之外的场合无法发挥全部性能。

混合推进系统的设计理念是将传统轴螺旋桨推进与吊舱推进器组合，可改善上述推进系统的缺点。例如，将吊舱推进螺旋桨安置于调距螺旋桨后方并反转，或者在船体中心线以上安装主轴螺旋桨，其两侧安装操舵式吊舱推进螺旋桨。如果采用这样的混合推进系统，可增加推进性能，获得更好的有效速率，以达到高效航行的目的。如果再拥有最适船型设计，可减少最多10%的燃料消耗。当然增设吊舱推进器所带来的成本增加，以及设计费用的增加仍是一个问题，但这无法阻挡混合推进系统成为将来节能技术的一大亮点。

4、无压载水船舶

图4：DNV的无压载水概念船

无压载水船舶的理念久为人知，不过至今为止一直未能实现实船建造。但是随着船舶气体排放规则的日趋严格，以及压载水管理条约的强制执行渐渐临近，无压载水船舶渐渐成为一个受人瞩目的环保技术。

无压载水船舶在水面以下的船体形状近似倒三角，这种构造使得即使不搭载压载水，也可保证足够的吃水和复原性。但是想要维持与常规船舶一样的排水量和载货量的话，无论如何船体的

总长和总宽都要扩大。同时，根据载货状态的变化，会产生船首船尾的平衡性问题。考虑到实际情况，为了保证载货的自由，在船首和船尾各设立1个调整平衡用的压载水舱是比较好的解决方式。

根据压载水管理条约，如使用压载水，船上必须安装有压载水处理装置，不过与常规船舶相比选择一个容量较小的处理设备亦可，处理装置的小型化减少了整体重量，减少了电力消耗，这些都可使得燃费得以削减。

伴随着船体的大型化，建造设备也需要扩张，特别是独特的断面形状使得目前的建造方法和建造标准需要重新构建，这些仍是有待突破的课题，想必在2020年无压载水船舶将是高价型船舶。

清洁可替代能源

随着NOX、SOX以及PM等排放规则的日益严苛，在不远的将来或许会推出对二氧化碳排放的限制规则。基于这种背景下，以LNG、生物燃料为首的清洁能源倍受重视，而风力、核能等能源的利用也正在被考虑。今后随着石油价格的进一步高企，船舶领域的燃料从传统石油逐渐转向清洁能源的速度将更快。

1、LNG

图5：DNV“Quantum 9000”概念船的LNG燃料舱

使用LNG作为燃料的主机不会排放SOX和PM。并且采用稀薄燃烧方式的4冲程燃气轮机比传统柴油机能够减少90%的NOX排放量。当然如果大型商船改用2冲程的低速主机，减少的NOX排放量与燃气轮机差别不大，但是后者更能符合日后的排放规则。

采用LNG燃料，比起传统的石油燃料能减少25%的二氧化碳排放量。但是，根据燃气轮机的型号不同，LNG中的甲烷无法在主机内完全燃烧而造成残留气体排入大气是一个无法忽视的问题。如果不完全燃烧的残留甲烷排放量较多的话，最终会稀释了减少二氧化碳排放控制温室效应的成果。

燃气轮机经常作为陆上发电设备使用已取得良好的效果，船用燃气轮机的开发也在继续发展。在LNG用于船舶燃料的研究课题方面重点在于如何有效地配置燃料舱。要储存LNG必须先进行极低温冷却后液化，与常规的柴油燃料相比，燃料舱的容积需要大2～3倍。并且燃料舱造价较高，因此LNG燃料船的新船造价要比常规船高10%～20%。而LNG的燃料补给站目前只在北欧地区有所展开，地域限制较高，今后应将更多的建造LNG补给站。

当然LNG的价格与石油价格一样会有波动，不过在今后10年内，在ECA区航行的短途船舶将会诞生不少LNG燃料船。

2、风筝

图6：风筝系统

目前，还有一型采用风筝获取风力推进的船舶十分醒目。该系统十分简单，仅由风筝、控制缆线、固定系船索组成。投入商业化运营的风筝船舶，风筝面积在160～300m2左右，在蒲福风级3～8级时可保持在100～420米高度。船内的自动控制系统可控制风筝发挥最大的性能，根据船速和风力高低，最大可产生2000KW的推进动力。

船舶在装备风筝推进系统时需要注意的是，设计时不要让装载物和烟囱等甲板上的构造物影响到风筝作业。

3、生物燃料

生物燃料作为一种可再生能源，可以削减二氧化碳的排放。如果采用生物燃料，虽然会增加些许NOX的排放量，但是SOX和PM的减排效果十分卓越。目前的柴油主机可以使用生物燃料与柴油混合的燃料，甚至植物油也有望成为船舶的燃料。生物燃料的普及与否，受到其价格、奖励制度以及流通量的影响，目前还存在的一些问题或许到2020年可以得到解决。

4、核能