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新能源之殇(Z.2015.4)

新闻来源:中国船检    浏览量:614 辛吉诚 2017-05-03
        |► 新能源动力装置的推广对于我国船舶工业的发展而言既是机遇也是挑战。
        目前液化天然气(LNG)、生物柴油、海洋风能、太阳能、燃料电池等新能源技术已陆续开始应用于船舶推进,各类新能源动力装置也在不断完善。这些新能源普遍具有供应充足、低碳环保、价格适中的特点,不仅可以基本满足航运业对于能源的需求,还能够有效地减少船舶营运过程中的碳排放,进而降低船舶的EEDI值,确保船舶能够满足国际范围内日趋严格的环保要求。然而,目前世界范围内主流船型依然倾向于采用传统的矿物燃料作为推进能源,新能源动力装置在船舶上的应用并不普遍。这些新能源动力装置在某些方面与当前国际航运业的需求还存在较大的差距。
        能量密度普遍不足
        能量密度不足是制约新能源动力装置在大型船舶上运用的根本原因。新能源动力装置能量密度不足最典型的表现形式是在输出相同的功率时,新能源动力装置往往需要占据船上更多的空间。新能源动力装置的这一特点将对船舶总体的经济性产生不可忽略的影响。以目前已在实船上采用的气体燃料动力装置为例,尽管气体燃料发动机本身与传统的柴油机在体积上没有太大区别,但气体燃料储存与输送系统相比柴油机燃油储存与供应系统而言要复杂很多,其中最为典型的代表是气体燃料动力装置的燃料储存舱。尽管在燃烧热值相同的情况下燃油需要比液化气体燃料占据更大的空间,但燃油舱可以见缝插针地布置在船上的大部分位置。然而无论是采用压缩还是液化技术,气体燃料储存舱本身都不可避免地具有一定的几何形状;加上气体燃料储存舱与燃油舱相比具有更高的潜在风险,因此气体燃料储存舱在船上的布置无法像燃油舱那样灵活。在船上寻找特定的位置安置气体燃料的储存与输送系统,必然会在一定程度上减少船舶的盈利空间,对于集装箱船、滚装船这类型船舶的布置而言气体燃料动力装置的这一弱点将更加突出。
        在古代海运中广泛采用的风能如果运用于现代船舶也存在能量密度不足的问题。欧洲最大的帆船“普鲁士”号满载排水量11330吨,载重量8100吨,采用5桅风帆推进,海上平均航速16节。我国明朝所建的郑和宝船采用9桅风帆推进,排水量约为22848吨,载重量约为9824吨,海上平均航速约15节。相对“普鲁士”号而言,郑和宝船的排水量增加了近万吨,而载重量仅增加了2000吨左右。可见如果完全采用风帆作为推进动力,随着船舶尺度的增加所需风帆及其他配套设备将占用大量的空船重量,这将进一步减少动力装置的能量密度,对于船舶经济性而言是非常不利的。与此同时,“普鲁士”号船长131.9米,型宽16.4米,吃水8.3米,据此估算其方形系数为0.63,这在现代属于非常瘦削的船型。现代集装箱船方形系数一般为0.63~0.68,而散货船、油船等载重型船舶方形系数可达0.84~0.89,在排水量相同的前提下其航行时的阻力将远大于“普鲁士”号。一艘载重量为8000吨左右的现代货船如果采用类似“普鲁士”号的风帆推进型式,其在海上的平均航速可能只有7~9节左右。由此可见,如果仅采用风帆这类能量密度偏低的动力装置作为推进动力将无法满足现代大型船舶的推进需求。
        新能源能量密度不足的另一个表现形式是其动力装置的单机功率与传统的低速二冲程柴油机相比存在明显的差距。风能、太阳能电池、燃料电池的单机功率与传统的柴油机显然不在同一个数量级上。即使是目前单机功率较大的气体燃料发动机在单机功率方面与传统的二冲程柴油机相比,依然存在显著的差距。尽管近年来气体燃料发动机在稀薄燃烧、多点均匀点火等关键技术方面实现了突破,然而单一气体燃料在低速发动机高压缩比时的爆燃压力问题目前依然无法有效地解决。如果采用对进入燃烧室的燃气加压以增加燃烧室内的燃料供应,高压燃气系统的采用又会给船舶安全增加不少额外的风险。因此目前常见的气体燃料发动机主要为压缩比相对较低的四冲程中高速发动机,其单机功率依然不及二冲程柴油机。因此在现有的技术条件下,单独使用新能源作为船舶推进动力时,不得不采用多台原动机并联的工作模式,这将进一步增加船舶动力装置的复杂程度,进而导致新能源动力装置能量密度不足的问题更加突出。
        工作可靠性有待提高
        动力装置工作可靠性不高,是制约新能源在远洋船舶上运用的另一个重要原因。持久可靠的动力源是船舶在海上安全航行的重要保障。特别是当遇到恶劣天气时,持久可靠的推进动力对确保船舶安全具有不可替代的作用。然而目前能够运用于船舶推进的新能源普遍存在动力输出不稳定,推进装置可靠性不高等问题。风能就是一种最典型的不可靠推进动力。尽管古代帆船可以通过调节风帆与风向的夹角实现在“八面风”甚至逆风状态下航行。然而即便是在季风或信风盛行的地区,海上的风向和风力都在不断地发生变化,由于无法获得持久稳定的推进动力,古代帆船航行的不确定因素很多,船损或货损事故非常普遍。
        目前已运用于现代船舶推进的电力推进系统,从实际使用的情况来看也是一种不稳定的动力装置。这类动力装置类似于柴电推进动力装置,即采用多台气体燃料发动机、燃料电池组、或者其他能源转化装置,也可以采用以上各种能源转化装置的组合提供电能,由电动机驱动船舶推进器推动船舶前进。这类动力装置可以在一定程度上解决新能源发动机单机功率不足的问题,同时提高船舶的推进冗余度。然而采用电力推进系统的船舶输配电系统通常会比较复杂,推进系统的任何位置一旦发生故障将直接导致船舶失去推进动力。尽管作为原动机的中速气体燃料发动机或燃料电池工作可靠,但这类动力装置的总体可靠性依然不足。为确保船舶安全,采用这类动力装置的船舶通常会选择两台或两台以上的独立的推进器来弥补其可靠性不足的弱点。不过遗憾的是,从实际使用的情况来看,由于输配电系统故障导致所有推进器同时失效的事故还是时有发生,其可靠程度与柴油机推进装置相比依然存在非常显著的差距。
        缺乏统一的安全技术标准
        缺乏世界范围内统一的安全技术标准是制约新能源在全球范围内使用的又一个重要原因。航运是一项高风险的行业,因此各国政府都会对航运安全进行专门的立法,与航运相关的国际组织也会制定相应的国际公约。由于目前世界各国经济与科技发展水平差异很大,现行的国际公约中并没有关于新能源动力装置技术要求的统一规定,不同国家法律法规中关于新能源动力装置的技术要求也不尽相同。以燃料电池动力装置为例,目前波罗的海沿岸各国法律法规关于这类动力装置中燃料储罐安全方面的技术规定存在非常显著的差异。这些差异直接导致了采用燃料电池动力装置的船舶只能在其本国的领海范围内航行。
        缺乏全球范围内统一的风帆动力船舶稳性衡准在一定程度上制约风能在现代船舶上的运用。一般来说,风帆的总面积越大其所提供的推进动力也越充足。然而,过大的风帆面积必然会导致船舶侧面受风面积的增加,进而导致船舶风倾力矩的增大。根据传统帆船的风帆型式估算,现代排水量为10000吨左右的船舶,如果采用风帆作为推进动力其受风面积至少会增加到原来的2倍,这将直接导致船舶稳性方面的富裕度大大减少。与此同时,由于安装风帆而导致的船舶重心位置升高也会对船舶稳性造成不利的影响。因此无论是作为主要推进动力还是辅助推进动力,帆船都难以满足现行国际公约中关于船舶稳性要求。目前世界范围内使用风帆作为推进动力的船舶只能采用国内立法的方式,为其设定单独的稳性衡准与操作性要求。这些采用风帆动力装置的船舶只能用于国内航运,无法承担国际贸易中的运输工作。
        使用成本不接地气
        尽管新能源具有低碳、廉价、环保等种种优势,然而目前世界范围内新能源动力装置价格普遍偏高,在经济效益方面的优势远不及传统能源。初始投资成本昂贵是限制新能源动力装置被广泛采用的最主要原因。以普通船舶电站为例,柴油发电机的采购成本约70~120美元/千瓦;相比之下目前世界主要燃料电池供应商所提供的燃料电池报价为1500~3000美元/千瓦;而太阳能电池的报价则高达9000~14000美元/千瓦。高昂的初始投资成本使很多航运企业对于采用新能源动力装置望而却步。
        与传统矿物能源相比,新能源动力装置的初始投资成本偏高不仅体现在船舶动力装置本身,为这些动力装置配套的岸基设施建设所需要花费的成本也非常可观。气体发动机、燃料电池动力装置所采用的液化气体燃料与柴油机所采用的生物柴油,在储存和运输方面的要求相比传统的矿物燃料要高出很多,这将直接导致岸上燃料加注基站的建设成本大大增加。据估算,建设一座同等规模的气体燃料基站所需的资金是普通燃油基站6倍左右。考虑到公共安全方面的因素,相对传统的燃油基站而言,气体燃料基站在选址方面也受到了很大的限制。这些都在很大程度上影响到各国企业对于新能源投资的热情。不少新能源由于目前缺乏充足的岸基保障,很难在航运业中被广泛采用。
        与传统的柴油机动力装置相比,新能源动力装置不仅初始投资大,其后续维护保养的费用也不容忽略。以气体发动机为例,由于其单机功率不足,通常会采用多台原动机联合作为船舶主推进的动力装置,这将大大增加发动机维护保养的工作量,进而导致动力装置整体维护保养成本的提高。近年来研发成功的双燃料发动机虽然可以有效地解决大功率高压缩比发动机的爆燃压力与燃烧稳定性问题,进而有效地提高气体燃料发动机的单机功率。然而由于燃油中不可避免的存在硫、磷等杂质,当燃油与天然气同时燃烧时必然会产生各类酸性物质,这些酸性物质将导致发动机燃烧室位置发生腐蚀。因此双燃料发动机的维护保养非常频繁,过于频繁的保养而导致的直接和间接经济损失也不容忽视。
        根据目前的预测,全世界范围内已探明的石油储量仅可供人类再使用40~60年,目前世界每年石油消费量是新勘探石油储量的4~5倍;这些新勘探的油田多位于深海,开采的技术难度和成本都很高。因此尽管目前新能源大规模用于船舶推进还存在各种各样的问题,随着科技的不断进步,它们终将逐步取代传统的矿物能源,成为未来船舶推进动力的主流。新能源动力装置的推广对于我国船舶工业的发展而言既是机遇也是挑战。随着全球原油供应的日趋紧张和国际海事组织对船舶排放的规定愈加严格,未来将会有越来越多的船舶采用新能源动力装置。我国航运界应当积极开展新能源动力装置的研究工作,加速国内政策与行业标准的制定,为我国在未来国际标准制定过程中掌握主动、争取话语权做好充分的准备。
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