新能源船舶發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢探討

摘要近年來，各國間的商貿(mào)活動(dòng)日益頻繁，海上運(yùn)輸已成為全球最主要的運(yùn)輸方式之一?，F(xiàn)在新型冠狀病毒的肆虐，更說明了海運(yùn)的重要性。隨著海上交通的迅速發(fā)展，船舶的噸位、數(shù)量也在迅速增長，來適應(yīng)需求的增長。對傳統(tǒng)的非再生能源如煤炭、石油等能源需求隨之增加，使得能源逐漸枯竭，且燃燒產(chǎn)生的各類污染物對生態(tài)環(huán)境的健康也受到了威脅。為了使海洋經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，對新能源的開發(fā)并應(yīng)用于船舶進(jìn)行探討。針對此問題，全球發(fā)現(xiàn)了多種清潔高效且可再生的新型能源，隨之研制出多種新能源船舶，結(jié)合現(xiàn)有能源船舶的優(yōu)勢和不足，比較這些新能源船舶的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，結(jié)合分析新能源動(dòng)力船舶的發(fā)展趨勢，以求找到最適合未來發(fā)展的新能源船舶，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。研究結(jié)果顯示，傳統(tǒng)能源動(dòng)力的船舶將逐步被各種新型能源供能、自動(dòng)化、環(huán)保的船舶所取代。未來新能源動(dòng)力船舶會(huì)是多樣共同發(fā)展，根據(jù)船舶的用途應(yīng)用在不同的船舶之上。減少污染和浪費(fèi)，使環(huán)境更加美好。關(guān)鍵詞：新能源動(dòng)力；船舶；前景；可持續(xù)發(fā)展

第1章緒論1.1課題研究的目的和意義在全球資源匱乏，環(huán)境污染日漸嚴(yán)重的今天，中國航運(yùn)業(yè)所造成的環(huán)境污染問題慢慢受到了更多國家的關(guān)注。環(huán)保、智能、可持續(xù)是中國目前船舶技術(shù)發(fā)展的兩個(gè)大方向。從溫室氣體排放量中可以看到，全球船舶工業(yè)目前大約占據(jù)了約3%的人工二氧化碳排放量，而大多數(shù)船舶動(dòng)力系統(tǒng)仍在采用重油和柴油，這不僅給二氧化碳的排放帶來了很巨大的壓力，環(huán)境也受到了很大的破壞，以及對全世界日益緊張的礦物資源造成了相當(dāng)大的負(fù)擔(dān)。綠色、環(huán)保、可持續(xù)成為今后航運(yùn)業(yè)和世界航運(yùn)發(fā)展的必然趨勢?？沙掷m(xù)利用新能源和新能源船舶的研制刻不容緩。1.2針對新能源船舶的政策和研究現(xiàn)狀為應(yīng)對日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國際海事組織(IMO)等就智能、綠色、環(huán)保的新能源船展開了激烈的討論，制訂了一套新的標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)方針。我國是世界上最大的造船國之一，近幾年來一直在大力推廣節(jié)能減排技術(shù)。英國勞氏船級社(LR)、挪威船級社(DNVGL)等國際知名的船級社紛紛頒布了有關(guān)綠色、智能船舶的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或指南，而挪威、芬蘭、日本、韓國等世界上的造船業(yè)大國，也都在積極推動(dòng)智能、綠色、環(huán)保的船舶開發(fā)與應(yīng)用。中國船級社(CCS)于2015年12月頒布的《智能船舶規(guī)范》，將智能通信的六項(xiàng)職能：智能航行、智能船體、智能機(jī)艙、智能能效管理、智慧智能貨物管理、智能集成平臺等，并對智能船舶入級的準(zhǔn)入條件進(jìn)行了規(guī)劃；2018年12月，工信部、交通運(yùn)輸部、國防科工局等部門發(fā)布了《智能船舶發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2019—2021年)》，其中明確提出，到2025年，智能化船占比達(dá)到50%以上，并基本建成以自主研發(fā)為主的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的智能船舶技術(shù)體系。這是中國船舶智能化發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。國家交通運(yùn)輸部和五大部委于2019年5月共同制定了《智能航運(yùn)發(fā)展指導(dǎo)意見》，旨在促進(jìn)我國智能船舶業(yè)的國際競爭力。新一代科技與工業(yè)革命的新產(chǎn)品——智能船舶，是當(dāng)今世界航運(yùn)發(fā)展的趨勢，也是國際社會(huì)上關(guān)注的焦點(diǎn)。這就意味著，中國將在“互聯(lián)網(wǎng)+”等新一代信息技術(shù)在設(shè)計(jì)制造過程的基礎(chǔ)上，加速度從造船大國向造船強(qiáng)國大步邁進(jìn)。新一輪的工業(yè)革命于產(chǎn)業(yè)變革推動(dòng)了我國經(jīng)濟(jì)、社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，新能源和新材料的出現(xiàn)為船舶工業(yè)提供了新的開拓空間，帶來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的快速發(fā)展，國際間的交往和合作也越來越密切，在國際市場中形成了一種新的競爭格局。而船舶是國家主要的運(yùn)輸方式之一，它反映了一個(gè)國家的整體實(shí)力和國際競爭力?！吨袊圃?025》提出了新能源高科技船舶的研制成為國家戰(zhàn)略的重要方向之一，在工業(yè)轉(zhuǎn)型的同時(shí)，要不斷發(fā)展新能源船，與時(shí)俱進(jìn)。本文通過對目前新能源船舶的應(yīng)用現(xiàn)狀的分析，并對其優(yōu)點(diǎn)和不足進(jìn)行了對比，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，從而為新能源船舶的發(fā)展提供了一個(gè)整體的思路。第2章當(dāng)前船舶動(dòng)力系統(tǒng)存在的問題眾所周知，汽車最重要的部件是發(fā)動(dòng)機(jī)，而船舶的動(dòng)力系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)也是如此，它包括主機(jī)系統(tǒng)(柴油機(jī))、傳動(dòng)系統(tǒng)(軸承、齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)、離合)以及推進(jìn)器(螺旋槳、全向推進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、側(cè)向推進(jìn)器等)構(gòu)成，是艦船上最重要的設(shè)備。動(dòng)力裝置在船舶裝備中所占重量大約為35%，占全船舶總造價(jià)的20%左右。因此，船舶的動(dòng)力系統(tǒng)是船舶的整體設(shè)計(jì)與建造中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及近代工業(yè)的不斷發(fā)展，船舶動(dòng)力技術(shù)也在飛速發(fā)展。艦船的動(dòng)力系統(tǒng)包含有多種類型。當(dāng)前，各類船舶的推進(jìn)模式主要有4種：(1)蒸汽輪機(jī)推進(jìn)裝置：取代往復(fù)式蒸汽機(jī)，現(xiàn)在基本已被柴油機(jī)所取代，依靠熱水的水蒸氣帶動(dòng)渦輪進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，可靠性、機(jī)動(dòng)性、操縱性和設(shè)備簡化是蒸汽輪機(jī)的發(fā)展趨勢。(2)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置：已代替往復(fù)式蒸汽機(jī)、蒸汽輪機(jī)，成為了船舶的主要?jiǎng)恿Γ前l(fā)動(dòng)機(jī)的主要部件。在各種船舶上得到了廣泛的應(yīng)用。(3)燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置：從上世紀(jì)五十年代起，被用作商業(yè)船只的主機(jī)來使用，但推廣行一直不太順利，目前主要用于軍用燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)系統(tǒng)。(4)電力推進(jìn)裝置：二十世紀(jì)九十年代研制并應(yīng)用于船舶領(lǐng)域，但因其自身的特點(diǎn)，在大型商業(yè)船只中的應(yīng)用并不十分理想，目前主要用于小型商船和軍用船只，與其它動(dòng)力方式相比較，采用電力推進(jìn)的船舶數(shù)量相對較少。目前，全球的船用發(fā)動(dòng)機(jī)95%以上都是船舶柴油機(jī)，它在節(jié)省能源、環(huán)境保護(hù)等方面存在很多缺陷：(l)對諸如柴油或重油等非再生能源的大量使用和消耗，導(dǎo)致了資源的過快消耗，地球資源帶來很大的壓力，并且很難把控運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用。在石油資源日漸枯竭的今天，尋找到一種新型的、環(huán)保的能源，以替代傳統(tǒng)的非再生能源成為當(dāng)務(wù)之急；(2)盡管航運(yùn)部門對船舶用柴油機(jī)的排放進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，而且在循序漸進(jìn)地改良下，表現(xiàn)優(yōu)良的柴油機(jī)對大氣的污染也有很大的改善。但是還有很多老式、效率低下的柴油機(jī)船，其中大部分都是上世紀(jì)60年代末至80年代早期建造的老式設(shè)備。隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，對能源的需求量也越來越大，對環(huán)境質(zhì)量的要求也越來越高。這些老舊設(shè)備在試驗(yàn)過程中，排放與性能之間的性價(jià)比越來越低，小型內(nèi)河柴油機(jī)船尤為嚴(yán)重，由于維護(hù)花銷、維護(hù)技術(shù)、保養(yǎng)積極性等諸多原因的不合規(guī)，導(dǎo)致廢氣和廢棄物排放更加嚴(yán)重，產(chǎn)生了大量的污染物，對大氣和環(huán)境造成了污染。(3)由于柴油機(jī)自身的構(gòu)造和工作機(jī)理，柴油機(jī)的振動(dòng)和噪聲問題難以甚至不可能解決，從而嚴(yán)重影響到機(jī)組人員的工作質(zhì)量和船員的生活水平。在此背景下，如何有效地減少船舶主機(jī)的工作噪聲已經(jīng)成為船舶所有者們關(guān)心的一個(gè)重要課題。隨著人們對環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，船舶柴油機(jī)的噪音治理技術(shù)在船舶上的應(yīng)用受到了越來越多的關(guān)注。但是，尤其是很多小型的內(nèi)河船舶，由于船體小，沒有集控室，不能采取有效的預(yù)防噪聲和震動(dòng)的措施，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作人員長期處于高噪聲環(huán)境中，工作環(huán)境惡劣，造成了嚴(yán)重的聽覺損傷。如此以來船舶對生態(tài)和人類自身帶來的負(fù)面影響與當(dāng)今日益趨向的可持續(xù)發(fā)展大環(huán)境背道而馳。目前，歐洲、美國和日本等先進(jìn)國家，在船舶動(dòng)力裝置的研究設(shè)計(jì)方面仍然處于世界領(lǐng)先和壟斷地位。蒸汽輪機(jī)、鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī)和電動(dòng)推進(jìn)裝置也掌握在這些國家的公司手中。中國船舶工業(yè)發(fā)展相對滯后，與發(fā)達(dá)國家先進(jìn)水平相比還有很大差距。但近幾年，我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，對能源消費(fèi)總需求量也在不斷增加，然而技術(shù)還未轉(zhuǎn)型。因此目前中國、韓國和日本等國成為生產(chǎn)和使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)占比最大的幾個(gè)國家。針對船舶柴油機(jī)在能源排放、型號、振動(dòng)和噪音等各個(gè)方面的不足，根據(jù)《能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》，“十二五”規(guī)劃從我國能源消耗結(jié)構(gòu)的角度，提出了增加可再生能源如天然氣、核電、水電等可再生能源的比重。因此，在新型船舶動(dòng)力系統(tǒng)中的推廣和應(yīng)用顯得尤為重要。第3章新能源在船舶上的應(yīng)用3.1風(fēng)能動(dòng)力在船舶的應(yīng)用在船舶上對風(fēng)能的利用方式主要有兩種：一種是風(fēng)能(風(fēng)帆輔助導(dǎo)航)，另一種是風(fēng)力發(fā)電(由風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電)。風(fēng)能是一種以風(fēng)帆為主要?jiǎng)恿χ饕蜉o助性的能量，用以驅(qū)動(dòng)船只的航行。風(fēng)帆動(dòng)力船早在我國商朝時(shí)期就已經(jīng)發(fā)展起來，并在國內(nèi)外長期得到廣泛的應(yīng)用，鄭和七次下西洋更是借助風(fēng)帆船使中國古代的船舶制造以及水路事業(yè)推向了高潮；在全球航行的偉大探險(xiǎn)中，風(fēng)帆船也是人類探索新海洋和新大陸的一個(gè)重要手段。談到輔助動(dòng)力，僅有幾艘船舶還在使用風(fēng)能技術(shù)。一架以風(fēng)箏為動(dòng)力的貨船于2005年2月15日從德國漢堡穿越大西洋到達(dá)美國休斯頓。這只在空中飛舞的巨型風(fēng)箏是由高強(qiáng)度、耐候性和超輕質(zhì)人造纖維制造而成，能夠承受強(qiáng)風(fēng)。但因?yàn)榇嬖谥芏嗲里L(fēng)，無法有效的利用，使得該項(xiàng)風(fēng)能推動(dòng)技術(shù)無法大范圍的推廣使用。而且自從第一次工業(yè)革命和第二次工業(yè)革命之后，風(fēng)帆由于動(dòng)力不足、速度慢、穩(wěn)定性差等因素，在蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等技術(shù)的不斷發(fā)展下，風(fēng)帆也就漸漸被行業(yè)淘汰了。風(fēng)能發(fā)電是一種利用風(fēng)力吹動(dòng)渦輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電力的技術(shù)。英國知名的船東鄧恩，最近研制了一種新的風(fēng)力渦輪機(jī)，經(jīng)過了試驗(yàn)，目前已經(jīng)投入運(yùn)行。盡管風(fēng)力發(fā)電行業(yè)發(fā)展很快，但是與之相關(guān)的配套設(shè)備建設(shè)相對滯后；同時(shí)，隨著海上風(fēng)電場項(xiàng)目規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對風(fēng)電機(jī)組的安裝平臺提出了更高的要求。這就制約了它的推廣與應(yīng)用。就是因?yàn)檫@些技術(shù)成本高、對空間的要求過大，不能適應(yīng)船舶的使用，因而未被廣泛采用。3.2太陽能動(dòng)力在船舶的應(yīng)用太陽能在電力中的應(yīng)用有兩種：光伏發(fā)電技術(shù)和光熱發(fā)電技術(shù)。(1)光伏發(fā)電的原理是：PN結(jié)在接觸到光的照射下會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)，改變半導(dǎo)體內(nèi)部的電荷分布，造成點(diǎn)位差，從而形成電動(dòng)勢和電流，其具有能源充足、轉(zhuǎn)換質(zhì)量好、技術(shù)難度低等優(yōu)點(diǎn)。太陽能光伏技術(shù)在船舶上的應(yīng)用還處在剛剛開始的階段，尤其是船舶電力系統(tǒng)中的光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)、船舶離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)配套等技術(shù)還有待進(jìn)一步的研究。而且受環(huán)境影響光伏發(fā)電的穩(wěn)定性還不夠，現(xiàn)今的制造成本還很高，因此目前還不能大量應(yīng)用。(2)光熱發(fā)電是另外一種發(fā)電方法，它利用太陽熱能把水變成水蒸氣的發(fā)電方式。該系統(tǒng)主要包括兩部分：太陽能電池與蒸汽渦輪機(jī)，其中以蒸汽輪機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換裝置，其結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。該技術(shù)已經(jīng)在海上平臺和海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到了一定的應(yīng)用。但是，這種方法所需的儀器數(shù)目太大，在狹窄的艙室里很難實(shí)現(xiàn)，因而限制了它的使用。但是，開發(fā)太陽能動(dòng)力船舶，特別是大型太陽能動(dòng)力船，具有重要的意義。我們國家目前已經(jīng)有條件進(jìn)行這一計(jì)劃。據(jù)悉，中國船舶工業(yè)總公司第708研究所和香港中大科技股份有限公司聯(lián)合出資的“太陽一號”太陽能船于去年11月正式開始動(dòng)工。然而，在工程實(shí)施前，有必要研究、解決、完善和細(xì)化某些關(guān)鍵技術(shù)：①太陽能船體結(jié)構(gòu)的研究是整個(gè)船舶的技術(shù)，主要包括對船型的分析和論證、船型方案的論證和設(shè)計(jì)、船型的水力特性、太陽能發(fā)電系統(tǒng)的布置等。②開發(fā)高效的太陽能光電設(shè)備。太陽能的能量密度非常低，因此，降低能耗與提高轉(zhuǎn)換效率是光伏器件在太陽能船舶發(fā)展的關(guān)鍵。③大容量、高輸出功率。為了使大型船舶能夠進(jìn)行全天候的太陽能航行，需要不斷地提高能量存儲設(shè)備的利用率，如果太陽能光伏裝置的效率不足時(shí)，將會(huì)對船舶的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成很大的影響，儲能裝置的關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用非常重要。④在太陽能船舶儲能裝置中，燃料電池是最有希望的。因此，在今后的研究中，如何減小電池的體積，降低電池的重量、保持電能是燃料電池今后的發(fā)展趨勢。⑤研究和發(fā)展太陽能的儲氫技術(shù)：利用氫氣作為燃料，利用氧氣作為氧化劑，利用化學(xué)反應(yīng)生成電能?，F(xiàn)有的請其生產(chǎn)工藝主要有吸附法和電解法兩種，但是它們的成本仍然很高。由于這些關(guān)鍵技術(shù)在短期內(nèi)很難突破，因此大規(guī)模的推廣不切合實(shí)際。3.3波浪能在船舶動(dòng)力上的應(yīng)用在水路運(yùn)輸領(lǐng)域，波浪能是一種資源十分豐富的能源，我國沿海地區(qū)的波浪能高達(dá)1.5億千瓦，在船舶能源利用方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。目前，水下波浪所產(chǎn)生的動(dòng)能大部分被轉(zhuǎn)化成機(jī)械能和電能，已被大量應(yīng)用于海上大型非動(dòng)力平臺中。隨著我國科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的日益增強(qiáng)，海洋能源開發(fā)也逐漸受到重視。近幾年來，國內(nèi)外的研究人員研制出了大量的高功率的水力發(fā)電裝置，并積極尋求各種技術(shù)方案。然而，對船只的波浪應(yīng)用仍然存在很多局限性：(1)盡管海浪能蘊(yùn)藏量極為豐富，但由于其能量密度較低，且所需的能源轉(zhuǎn)化裝置過于龐大，不適合安裝于小型船舶，因此限制了其在航行船只上的應(yīng)用。(2)波浪能源使用的工作要求通過與水面接觸來轉(zhuǎn)換能量，這無疑會(huì)增大船舶的航行阻力。為了這一問題，人們提出了一種利用船尾處產(chǎn)生的壓力波來吸收和轉(zhuǎn)化波浪中的動(dòng)能，并將其轉(zhuǎn)化為電能的一種新的結(jié)構(gòu)形式，即尾舵式波浪能發(fā)電，但目前為止，這種方法的效果并不理想，因?yàn)樗牟ɡ四芾寐嗜匀缓艿汀?3)波浪能設(shè)備的體積和重量會(huì)對船舶自身的穩(wěn)定及承載狀況產(chǎn)生一定的影響，因此，在進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)改造時(shí)，必須對其安全性進(jìn)行進(jìn)一步的研究。這無疑是在增加成本。所以，不能將波浪能直接用作船舶航行的主要?jiǎng)恿Α?.4新型動(dòng)力電池在船舶上的應(yīng)用目前，新型動(dòng)力電池系統(tǒng)主要分為兩大類：一是鋰電池，二是燃料電池。(1)鋰離子電池動(dòng)力船，也就是全電動(dòng)船舶，它具有零排放、無噪音、高效、節(jié)能等特點(diǎn)。目前，純電動(dòng)船舶的經(jīng)營和市場建造推廣主要集中在歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，其發(fā)展趨勢與環(huán)保意識、環(huán)保法規(guī)和環(huán)保技術(shù)水平息息相關(guān)。杭州船舶設(shè)計(jì)研究院院長黃佳林說，在船舶電力系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)、電力推進(jìn)技術(shù)、大功率電力并網(wǎng)技術(shù)等核心技術(shù)領(lǐng)域，鋰離子電池儲能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了重大突破。近幾年來，中國研制和生產(chǎn)了一種高能量密度、高電池容量，多周期使用的鋰離子電池，廣泛地應(yīng)用在電動(dòng)汽車行業(yè)。目前，中國已經(jīng)是世界上最大的鋰電池制造國和消費(fèi)市場。中國的鋰離子電池行業(yè)，由于技術(shù)的發(fā)展和市場需求的日益增長，正處于快速的轉(zhuǎn)型和升級階段。中國已成為全球真正意義上的電池生產(chǎn)大國。中國公司占到了2017年的世界前十大電池廠商中的七個(gè)，我認(rèn)為中國在世界范圍內(nèi)將會(huì)成為世界上最具影響力的國家。國家早在數(shù)年前就已將純電船舶發(fā)展納入了《船舶配套產(chǎn)業(yè)能力提升行動(dòng)計(jì)劃(2016-2020)》、《船舶工業(yè)深化結(jié)構(gòu)調(diào)整加快轉(zhuǎn)型升級行動(dòng)計(jì)劃(2016-2020年)》。國家交通運(yùn)輸部隨后發(fā)布了一份通知，要求“加快發(fā)展純電動(dòng)力貨輪，使純電力貨運(yùn)船舶可以在岸邊進(jìn)行安全的充電，快速的充電”。因此，與世界各國相比，我國的純電動(dòng)船舶技術(shù)發(fā)展的速度非?？?，已經(jīng)走在了世界前列，給國內(nèi)船舶工業(yè)注入了一絲生機(jī)。此外，從19年起，還有多艘真正意義上的船舶在沿江運(yùn)營：世界上第一艘2000噸級純電動(dòng)散貨船“河豚”于2019年1月由廣船國際率先交付，中國在全球范圍內(nèi)填補(bǔ)了同噸位級雙電動(dòng)力散貨船市場的空白；同年5月，中國武昌首艘純電驅(qū)動(dòng)航道快艇“長江航道電001”下水;10月，中國首艘京杭運(yùn)河千噸級純電動(dòng)運(yùn)輸船“中天電運(yùn)001”由蘇金洋造船有限公司建造并通過驗(yàn)收后下水；11月，中船712所將中國第一艘全電力客輪“君旅號”交付。這樣的開端，不但填補(bǔ)了純電動(dòng)船舶在國內(nèi)市場的空白，而且推動(dòng)了世界范圍內(nèi)的純電動(dòng)船舶的發(fā)展。到目前為止，世界上已經(jīng)有155條純電力船舶投入運(yùn)行和建造，而國內(nèi)只有20多條。是什么使得大規(guī)模推廣純電動(dòng)船如此困難？在我看來，要實(shí)現(xiàn)大范圍的推廣，必須克服以下幾個(gè)障礙：標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、充電設(shè)備建設(shè)不完善、電網(wǎng)供電能力有限、技術(shù)和成本制約難、商業(yè)化模式不明確。即便以上問題已經(jīng)得到了解答，但是像“河豚”號這樣的搭載重達(dá)26噸的電池，但其續(xù)航里程僅有80公里，能源利用率極低，難以滿足長途運(yùn)輸?shù)男枰?。這也是目前純電動(dòng)船舶向遠(yuǎn)洋航行的一大瓶頸。此外，由于電動(dòng)船的動(dòng)力、使用的能源、推進(jìn)系統(tǒng)與常規(guī)的蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)有很大的不同，因此，電動(dòng)船的動(dòng)力系統(tǒng)并不是單純的更換發(fā)動(dòng)機(jī)而已，這無疑會(huì)加大造船的費(fèi)用，從而導(dǎo)致電動(dòng)船的發(fā)展速度變慢，因此在電動(dòng)化方面，還有許多技術(shù)難題需要解決。不過值得慶幸的是，隨著儲能裝置的成本不斷下降，尤其是磷酸鐵鋰動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的體系日趨完善，國產(chǎn)船舶的純電動(dòng)化將不可避免，不僅局限于在廣東、浙江、江蘇、遼寧等航運(yùn)發(fā)達(dá)的區(qū)域，而且還會(huì)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用性。尤其是廣東省正在加速開發(fā)電動(dòng)核心旅游渡船研制工作，并且已經(jīng)有了一些成果，可以從小型船只中獲得更多的經(jīng)驗(yàn)，好向著大型船舶靠近，并且投入了大量的人力、物力和財(cái)力來支持純電動(dòng)船的發(fā)展，而且相關(guān)的政府機(jī)關(guān)部門也都相繼推出明文支持電動(dòng)船舶，進(jìn)行研發(fā)上的大力補(bǔ)貼。(2)燃料電池是利用甲烷、乙醇等含氫的燃料燃燒，將其轉(zhuǎn)化為電能，作為最理想的清潔能源被人們認(rèn)可。在科技進(jìn)步的同時(shí)，氫能車輛也進(jìn)入到了試驗(yàn)階段，其使用范圍也在不斷擴(kuò)大。在發(fā)達(dá)國家，氫能動(dòng)力已經(jīng)應(yīng)用在了汽車之上并進(jìn)行了一定范圍的推廣。其實(shí)，不僅僅是汽車，國外早在十多年前就已經(jīng)有了關(guān)于氫動(dòng)力船舶的概念設(shè)計(jì)，現(xiàn)在也有一些試驗(yàn)計(jì)劃來檢驗(yàn)氫動(dòng)力船的可行性。氫氣是由某種方式從其它來源制造而成的，不依靠非再生的礦物燃料，并且是一種儲量豐富的可再生能源。它的主要優(yōu)勢是：具有較高的熱值、不會(huì)產(chǎn)生其它的危險(xiǎn)或有害的氣體。氫燃料電池技術(shù)已經(jīng)被認(rèn)為是解決人類未來能源危機(jī)的終極解決方案。目前我國的燃料電池技術(shù)已經(jīng)取得了初步的突破，但燃料電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)上還有待于進(jìn)一步的改進(jìn)和提升，使其更加成熟。燃料電池壽命很長，且維護(hù)保養(yǎng)需求低。這樣，就可以通過提高使用壽命和減少維護(hù)成本來達(dá)到減少費(fèi)用的目的。當(dāng)前，世界范圍內(nèi)主要國家紛紛出臺了促進(jìn)和推廣氫能的法律法規(guī)。在這些政策中，最主要的一個(gè)就是船舶領(lǐng)域。挪威船級社在2018年1月頒布了船載氫氣的首批規(guī)則，這一法規(guī)參考了其它具有長期氫氣使用歷史行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。氫氣在陸地上已經(jīng)得到了大量的應(yīng)用，如何建設(shè)具有失效保護(hù)的燃料電池電站并將其應(yīng)用于船舶，成為氫燃料在船舶領(lǐng)域中應(yīng)用的最終目的。氫氣的儲存一直是氫能源在船上應(yīng)用最大的問題，因?yàn)闅錃獾囊夯瘻囟葹?253℃，如果想要將氫氣液化儲存不僅存在技術(shù)難點(diǎn)，而且對液化罐安全的要求也更高。氫氣除了作為燃料，作為碳排放的中性替代方案也極具意義，它基本規(guī)避了船舶業(yè)需要解決的碳排放問題。目前使用最多的是質(zhì)子PEMFC(交換膜燃料電池)和SOFC(固體氧化物燃料電池)。PEMFC面臨的技術(shù)瓶頸是貴金屬催化劑和純氫燃料。目前，采用新的催化劑結(jié)構(gòu)和材料來提高能量轉(zhuǎn)換效率。由于SOFC技術(shù)上沒有明顯的缺點(diǎn)，但還是需要解決其熱膨脹的匹配問題，改進(jìn)其結(jié)構(gòu)，使其有很大的發(fā)展空間。目前，在功率比、環(huán)保等方面，燃料電池與船舶柴油發(fā)電組的性能相近。但一組燃料電池裝置的成本很高，只能用于某些具有高附加值的船舶。但也有許多問題有待于進(jìn)一步的研究，例如怎樣縮小損失、效率如何提高、材料質(zhì)量如何平衡、工藝如何改進(jìn)、穩(wěn)定性如何加強(qiáng)、成本如何壓縮、電能質(zhì)量如何提高等。因此目前來說，燃料電池技術(shù)還不能完全替代船舶用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。革命還沒有成功，同志們還需要繼續(xù)奮斗。3.5LPG與LNG燃料在船舶動(dòng)力上的應(yīng)用早期的LPG發(fā)動(dòng)機(jī)主要使用的是通過“油改氣”改造而來的汽油機(jī)，大部分用于汽車，它的主要好處是在不改變內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下，將所用的燃料從化石燃料轉(zhuǎn)變成液化石油氣。經(jīng)過改造的LPG(液化石油氣)船舶已經(jīng)在我國，如廣東肇慶星湖、廣西桂林漓江等內(nèi)河內(nèi)湖和南方、北方的許多旅游區(qū)投入使用。在船舶領(lǐng)域，LPG動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)思想是對LPG汽車行業(yè)成熟技術(shù)的借鑒。2002年，國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)頒布了《車用代用燃料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，提出了鼓勵(lì)汽車工業(yè)采用新型能源的建議。自那以后，使用液化石油氣的LPG汽車在國內(nèi)許多城市得到了迅速發(fā)展。鑒于我國“油改氣”的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在21世紀(jì)，我國的小型內(nèi)河船舶也在進(jìn)行柴油機(jī)“油改氣”的試驗(yàn)，將船用柴油機(jī)使用的燃油轉(zhuǎn)化為液化石油氣。目前，我國在北京昆玉河、長春凈月潭、桂林漓江、南湖公園等地的船舶上使用。與此同時(shí)，柴油價(jià)格的迅速攀升也推動(dòng)了LPG發(fā)動(dòng)機(jī)的普及。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該方法可以顯著改善船用柴油機(jī)的性能，可節(jié)約15%左右的燃料成本；環(huán)境保護(hù)方面碳排放降低超過95%；碳和氮化合物的含量降低30%；碳和氧化合物降低35%左右；噪聲降低超過8分貝，并配有易燃易爆氣體報(bào)警裝置和機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)，保證了航行的安全，既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。與液化石油氣相比，液化天然氣(LNG)的主要優(yōu)點(diǎn)是：具有較高的存儲密度。而且還三倍于CNG(壓縮天然氣);氣缸體積更小，重量輕，運(yùn)輸方便，容易設(shè)計(jì)；存儲壓力低、液態(tài)形式更安全，填充速度更快；高濃度的甲烷不會(huì)對大氣層中的臭氧造成損害；更純凈、低碳排放更好、不存在碳煙和Sox的排放，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、高熱值、高辛烷值、能夠溫和的燃燒、低噪音、低振動(dòng)、低溫的特性、發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率高，在冷藏車或船只上也能充分利用產(chǎn)生的冷能；不需要專門的管線進(jìn)行液體的儲存和運(yùn)輸，中短期投資成本低，管理維護(hù)成本也低；加氣站的建設(shè)投入少、投資成本低、能耗低、噪音低于、運(yùn)行費(fèi)用比CNG低50%以上；這為今后液氫燃料的推廣打下了良好的基礎(chǔ)。另外，目前我國已經(jīng)擁有超過40座建成和正在建設(shè)的天然氣液化工廠，每年液化約為500萬噸(每年70億立方米)。LNG的進(jìn)口方面，中海油、中石油、中石化已經(jīng)與海外簽署了長期進(jìn)口天然氣合同，目前正在建設(shè)和即將建設(shè)的LNG接收站包括：曹妃甸、大連、青島、大鵬、珠海、揭陽、深圳、莆田、洋山港、上海五號溝、江蘇寧波、江蘇如東等地。與此同時(shí)，在大鵬、莆田、上海等地已投產(chǎn)的LNG進(jìn)口接收站每年接收數(shù)量已超過900萬噸，建成后的總接收能力將達(dá)到每年5000萬噸(約合每年700億立方米)，是目前的10倍。2009年，我國LNG年消耗量約為700萬-800萬噸，“十二五”期間，我國天然氣消耗量占比將由原來的4%增至8%，按此消耗增長速度持續(xù)下去，預(yù)計(jì)到2015年，我國天然氣消耗量可超過2000萬噸。近年來，LNG在船舶上的應(yīng)用受到了越來越多的關(guān)注。全球各國都在大力發(fā)展LNG船舶。法國船級社相信：“未來的綠色航運(yùn)中，天然氣動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)將是重要的貢獻(xiàn)者之一”。挪威船級社也公開表示：“全球航運(yùn)界有潛力到2030年之前實(shí)現(xiàn)減排30%，其中將液化天然氣(LNG)用作燃料是最有效的方法”。3.6核能在船舶動(dòng)力上的應(yīng)用核動(dòng)力就是利用核燃料發(fā)生裂變或者聚變，從而產(chǎn)生大量的熱能，使水變成高溫、高壓的水蒸氣，從而帶動(dòng)引擎。核燃料中蘊(yùn)含著巨大的能源，一次核反應(yīng)可以產(chǎn)生三十萬倍于一噸礦物燃料(煤碳)的能量，適合于需要更多電力的船只。另外，核燃料在反應(yīng)過程中所占據(jù)的空間較小，因此被廣泛地應(yīng)用于諸如潛艇、深海探測器等裝置中。核電場因其自身的特殊性，其整體結(jié)構(gòu)與裝置設(shè)計(jì)均十分重要且嚴(yán)謹(jǐn)。它不僅要求與常規(guī)的船舶相適應(yīng)，而且還要求船舶的設(shè)計(jì)、建造、操作、運(yùn)營、航行、收交貨等多個(gè)方面的技術(shù)要求都需要更高。通常，它并不適用在民用船舶上。第4章未來趨勢總之，我覺得最有希望量產(chǎn)的新能源應(yīng)該是氫能，因?yàn)樘柲芎惋L(fēng)力發(fā)電受到了很大的外部限制，能源轉(zhuǎn)換效率很低。電池馬達(dá)的動(dòng)力利用率太低，很難維持較長的使用時(shí)間，而廢舊電池的再利用也是一個(gè)很大的問題；由于受到各種經(jīng)濟(jì)、法規(guī)、安全等方面制約，核電難以在民用船只上得到進(jìn)一步的發(fā)展。但在所有的能源中，氫能卻是最重要的，因?yàn)樗哂袩o污染、可再生的優(yōu)點(diǎn)，而且成本低廉、安全、高效。另外，液化石油氣(LPG)和液化天然氣(LNG)作為氫能的兩種主要代表，已經(jīng)在人們的日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。在汽車行業(yè)，有38個(gè)國家和地區(qū)使用LPG的汽車數(shù)量超過900萬。類似的，國內(nèi)和國外都有使用氫氣的船舶。2000年，多條液化石油氣動(dòng)力裝置船在南方投產(chǎn)，隨后桂林漓江、北京昆玉河等地陸續(xù)投產(chǎn)。2010年上半年，由江蘇省地方海事局牽頭，對改裝后的LNG+柴油混合動(dòng)力船進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果顯示，這一技術(shù)不但能為船舶提供了充足的電力，還能大幅減少成本：采用混合動(dòng)力后，一條過去一年平均耗油60噸的船舶，一年可節(jié)約15萬元，若將有關(guān)技術(shù)應(yīng)用于京杭運(yùn)河上的全部船只，僅燃油成本就可節(jié)省約45億人民幣。這還只是LNG和柴油的混合動(dòng)力。未來，值要技術(shù)有了長足的進(jìn)步，就可以避免浪費(fèi)柴油，從而降低運(yùn)營成本，增加利潤。不過，我也認(rèn)為，隨著科技的進(jìn)步，環(huán)保意識的提高，我們會(huì)更多地利用潔凈的能源。在清潔能源的應(yīng)上取得突破，將會(huì)使船舶能源技術(shù)的創(chuàng)新帶來新的突破，從而使船舶能源的未來走向多樣化。作為一種新型的能源船舶，不論是純電動(dòng)船、LNG船還是氫燃料船，目前在法律和技術(shù)等層面仍然遇到了很多的問題，大規(guī)模的推廣應(yīng)用仍面臨不少困難，但是這種發(fā)展是無法阻止，也是不可逆轉(zhuǎn)的。在這樣的大環(huán)境下，新能源船舶的發(fā)展迅速，已經(jīng)慢慢取代了傳統(tǒng)的船舶市場，并在全球范圍內(nèi)占有也來也重要的位置。因此，中國造船企業(yè)在新能源船舶發(fā)展的新趨勢下，應(yīng)該從哪些方面著手，才可以在新能源發(fā)展的浪潮中取得更大的發(fā)展。首先，在國家層面上，要采取政策、資金等形式，逐步加大對LNG的扶持力度，包括繼續(xù)實(shí)行新的LNG補(bǔ)貼政策，對現(xiàn)有的LNG動(dòng)力進(jìn)行全面升級改造，以及按實(shí)際情況增加補(bǔ)貼等。其次，在行業(yè)層面，要加強(qiáng)政府的指導(dǎo)和宣傳，要大力培育和推動(dòng)工業(yè)的發(fā)展。最后，各地要建立試點(diǎn)項(xiàng)目，推進(jìn)試點(diǎn)，盡快制定相關(guān)的政策。同時(shí)，我們也想要制定一系列的金融獎(jiǎng)勵(lì)措施財(cái)，以促進(jìn)氫燃料船舶、電動(dòng)船舶等其他新能源船舶的開發(fā);另外，要加大新能源船的國產(chǎn)化比重。在新能源船舶重，要優(yōu)先考慮新能源船的航行和通航費(fèi)用的減免，并制訂相應(yīng)的新能源船舶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范。第二，船舶工業(yè)要在船舶設(shè)計(jì)、制造技術(shù)上取得突破，努力解決問題，加強(qiáng)與國外同行的深入交流，加速技術(shù)創(chuàng)新，降低建設(shè)成本，掌握關(guān)鍵技術(shù)，打造具有國際競爭力的新能源船。比如，LNG船的發(fā)展必須突破國外技術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)對LNG船的自主研發(fā)和維護(hù);船舶配船公司要做好關(guān)鍵設(shè)備和設(shè)備的維護(hù)工作，掌握關(guān)鍵設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，不被別人牽著鼻子走。技術(shù)創(chuàng)新需引進(jìn)技術(shù)、并購海外企業(yè)、企業(yè)并購重組、加強(qiáng)國際交流相結(jié)合的方式，促進(jìn)新能源船舶的發(fā)展。第三，船東工業(yè)不但要依靠高校、科研院所、船級社等組織的大力扶持，還要與航運(yùn)、能源等相關(guān)產(chǎn)業(yè)結(jié)成戰(zhàn)略同盟，將整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)合在一起，匯聚各方面的優(yōu)勢資源，形成示范工程，推動(dòng)新能源船的建設(shè)