船舶新能源动力系统的现状及其发展前景

船舶新能源动力系统的现状及其发展前景彭美康能动ZY1301摘要:本文先介绍船舶新能源动力系统的种类及其产业格局，然后结合船舶柴油机在能源类型，排放，震动和噪音等方面的不足，阐述推广船舶新能源动力系统的意义，最后重点分析船舶新能源动力系统的现状及其发展前景。关键字：新能源；船舶；动力系统；现状；发展前景。一．船舶动力系统的种类及其产业格局由船舶主机（柴油机、蒸汽轮机、燃气轮机等）、传动系统（轴系、齿轮箱、联轴节、离合器等）和推进器（螺旋桨、全向推进器、侧向推进器等）组成的船舶动力系统，是船舶上最主要和最重要的设备。平均来说，其价值约占全船设备总成本的35%，约占总船价的20%。目前，世界上各类船舶的动力系统主要有以下四种推进方式：①蒸汽轮机推进系统—取代往复式蒸汽机，又被柴油机所取代，目前主要在LNG（液化天然气）船和核动力军船上应用，蒸汽轮机的技术发展趋势是：不断增强可靠性、机动性，提高操纵性，简化设备。②柴油机推进系统—全面取代往复式蒸汽机和蒸汽轮机，成为最主要的船舶动力，目前在各型船舶上应用，作为柴油机推进系统的主要设备。③燃气轮机推进系统—上世纪50年代开始在商船上作为主机，但从未得到大规模应用，目前主要在军船上使用，作为燃气轮机推进系统的主要设备。④电力推进系统—上世纪90年代开始在船舶领域应用，目前除在军船上应用外，还在小型商船上应用，目前采用电力推进的船舶比例还较小。目前，船舶动力系统的研发、设计，仍然是欧洲、美国、日本等国家或地区居领先和垄断地位，并且，蒸汽轮机及锅炉、燃气轮机、电力推进装置的制造也分别由这些国家的企业掌控。而占船舶动力系统最大比例的柴油机推进系统的制造已基本转移至韩、日、中三国。二．推广应用船舶新能源动力系统的意义目前，在船舶动力装置中，95%是柴油动力装置。而船舶柴油机的主要缺陷有以下几个方面。（1）使用不可再生能源。动力来源为不可再生的化石能源。据科学家的预测，目前地球上的石油只能够人们再使用60年。也就是说，60年后地球上的化石能源就会枯竭。因此，我们必须使用别的能源，最好是可再生能源。（2）大气污染。虽然现在的科技发展使柴油发动机的污染气体排放一步一步得到控制，但考虑到超大型船舶每次航行都会消耗数以千吨的化石燃料，还有历史留存下来的老旧式柴油机，这些都将会排放出大量的污染气体，将对大气造成严重的污染。这与绿色环保的时代主题无疑是相违背的。（3）严重的噪音问题。据有关数据显示，在船舶中，由柴油机发出的噪音可达120分贝。这是一个非常可怕的数字，长期处于这样的环境中，工作人员的听力将受到极大的损伤。这个问题在一下小型船舶上尤其凸显。因此，有必要解决这一问题。而传统的柴油机由于其自身的结构和工作原理的影响，其噪音问题很难解决。从而只能在新能源动力系统上寻求突破。推广新能源动力系统，用可持续的能源为其供能，同时进一步降低其有害气体的排放以及解决其噪音问题，这不仅将给船舶上的轮机人员提供良好的工作环境，同时降低污染气体的排放也是对国家的可持续发展路线相契合。因此，开发船舶新能源动力系统有着重要的发展意义。三．船舶新能源动力系统的应用现状及发展趋势所谓新能源，就是各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部深处所产生的热能。相对于传统能源，新能源具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源枯竭问题具有重要意义。而船舶所消耗的燃油占燃油消耗的百分百正逐年上升，导致燃油占船舶运输成本越来越大的情况下，如何进一步做好船舶的节能工作，从而有效降低运输成本已迫在眉睫。随着科学技术的不断进步,以风能、太阳能、核能、生物质能和潮汐能等为典型代表的新能源在节能减排方面所具有的独特优势和所能产生的效益已经越来越显著,其在船舶交通运输行业的应用和推广已呈潮涌之势。1.风能。风能源于地球表面大量空气流动所产生的动能,是一种无污染且无限可再生资源。人类对风能的利用历史可以追述到公元前,随着科学技术水平的不断进步,工业社会对于风能的利用有着丰富的经验,配套产业和基础设施也较为成熟。但是,风能利用存在着间歇性、噪音大、受地形影响和干扰雷达信号等难以彻底消除的缺点。当前,风能利用主要以风能作动力(风帆助航)和风力发电两种形式为主,在船舶上的应用形式偏重于作为航行的主动力或辅助动力,只在少数船舶上应用风力发电技术。其实早在20世纪80、90年代,日本在风帆助航的研究和利用方面有了新的突破。1980年日本建造了第一艘装有普通翼帆的新爱德丸油轮,新爱德丸号装有两个高12.15m、宽8m的风帆。之后又建造了扇蓉丸、日产丸等机动风帆货船,1984年又设计和建造了2600t的臼杵先锋丸和另一艘31000t的现代风帆助航远洋货轮。而在2007年12月15日全球第一艘用风筝拉动的货轮白鲸天帆号由德国汉堡市起航。2.太阳能。太阳能的利用主要有两个方面的技术,即光热技术和光伏技术。光热技术是利用太阳光的热辐射,其应用最为成功的领域是太阳能热水器。该项技术的进一步延伸是太阳能热发电,即利用集热器把太阳辐射热能集中起来给水加热产生蒸汽,再通过汽轮机、发电机来发电。考虑到船舶运行过程中对于热水的需求量不高,进行热电转换在有限的船舶空间内难以实施,故而光热利用的可行性不是很高。但是应用光热技术代替常用的蒸汽盘管和电加热盘管对船舶所使用的重油进行预加热,是一个值得关注的方向。光伏技术是对太阳光中的短波辐射能照射于硅质半导体上所产生的电能进行调制后加以利用,亦称为光生伏打效应。随着太阳能光伏技术的不断深入发展,其效率、可靠性和稳定性均有了很大的提升,因而从最初的单纯技术研究逐渐转向实际应用领域。太阳能光伏发电应用于船舶是目前绿色船舶发展的一个重要方向。从最开始1997年,瑞士在日内瓦湖上从洛桑到圣叙尔皮斯区投入使用了两艘太阳能驱动客运船可有效承载60名乘客。到2010年2月25日,世界最大的全太阳能动力船“星球太阳”号,在德国基尔下水。太阳能在船舶上的运用已经日臻完善。3.生物质能。生物质能的利用主要有直接燃烧、热化学转换和生物化学转换等3种途径。其分为生物燃料、生物柴油、生物质油三种。生物燃料是指利用大自然的动、植物资源而得到的高效、污染少的能源,其典型代表就是生物柴油和生物质油。生物柴油是以动、植物油脂及餐饮废弃油脂为原料制成的液体燃料,是优质的石化柴油代用品。生物质油是指生物质通过热解技术裂解而得到的液化产物。但是船舶属于一个相对独立且空间区域较为有限的结构体。机舱内电、气、热设备和系统高度集成,考虑在船舶内附加安装生物质能转换装置有着不可避免的局限性,故而可行性不高。就船舶现有设备条件出发,直接或间接使用由生物质能转换而成的替代燃料(例如生物柴油等)是主要的应用模式。面前，最成功的生物燃料船，为2008年6月27日完成环球航程,使用生物质能的新西兰地球竞赛号高速环保机动船。有趣的是，动物的脂肪也有望成为一种新型能源。脂肪当燃料“地球竞赛”号被称为世界上最快的生态船，造价240万美元，融合多项高科技。“地球竞赛”号长约23.8米，形似一只展翅欲飞的天鹅。船身有三层外壳保护，内有两个功能先进的发动机，最高时速可达每小时40节，约74公里，即使航行在巨浪中，速度也不会减慢。缺陷则是来源不稳定。毕竟动物脂肪的提炼可能还会导致一些宗教人士的抵制，而且脂肪量的问题也会使这一能源不能的到到飞跃的发展。4.核能。核能作为一种新型能源,特别是一种动力能源,其优越性相当明显它具有体积小，能量巨大、运输与储存较方便，安全性高、较低的污染性、强大的放射性和杀伤性、技术和管理要求高等特点。用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式。它与火力发电极其相似，能源转换过程过程：核能→水和水蒸气的内能→发电机转子的机械能→电能。核动力反应堆可以用来发电、供热和推动船舰。在作为船舶动力源方面,核动力装置首先是被应用于潜艇和航空母舰等军用舰艇,而后建造核动力舰艇的一些国家也将船用核动力堆用于推动民用水面船舶,如核动力客船、散货船和破冰船,等。纵观世界船舶发展历史，发展民用核动力船舶,已经有若干国家在此方面迈出了第一步。比如美国的核动力船“萨娃娜号”于1962年建成。与德国矿石运输船“奥托汉号”于1968年月12月建成。还有俄罗斯共建成了9艘核动力破冰船,目前正在服役的有8艘,计划建造的破冰船有2艘。而其缺点也是明显的，由于开发利用以及后期维护，使用中需要严格防止核燃料的泄露和集中处理，具有很大的事故隐患。因此，这一技术只是在大型的企业和国防军队中得以以用，而民用的大范围推广还需要科技的进一步发展来确保以上问题得以解决。5.LNG。液化天然气用于车/船的主要优势在于：储能密度大，是CNG（压缩天然气）的3倍；气瓶占用空间小，也更轻，匹配设计更方便；存储压力低、液态形式，更安全，充加速度快；甲烷含量高，更纯净，低碳排放更好、无碳烟和SOx排放，有利于发动机可靠性，热值和辛烷值高，燃烧柔和，噪声和振动小；低温特性，发动机充气效率高，冷能可在冷藏车或船舶上利用；液态储运，无需专用管道，中短期投资成本低、管理和维护简单；加气站投入少，投资成本较CNG低，能耗和噪音也较CNG低，运行费用较CNG低约50%；为未来液氢燃料应用奠定基础。另一方面，我国已建成和正在建设的天然气液化工厂有40余座，液化能力约500万t/年（70亿m3/年）。进口LNG（液化天然气）方面，国内中石油、中石化、中海油等石油公司已与国外签订了长期的天然气进口协议，在建和拟建的进口LNG接收站有大鹏、莆田、洋山港、上海五号沟、珠海、揭阳、深圳、宁波、江苏如东、曹妃甸、大连、青岛等12个，其中已投产的大鹏、莆田和上海LNG进口接收站总规模超过900万t/年，全部投产后的接收规模将达到5,000万t/年（约700亿m3/年）。2009年我国LNG的年消费量为700万~800万t，“十二五”期间我国天然气消费比重将由4%提高的8%，如果LNG同比增加，则到2015年我国LNG消耗量有望达到2,000万t。目前，国内外已逐步重视LNG做为船用燃料的发展。法国船级社认为：“天然气动力推进系统将成为今后绿色航运的主要贡献因素之一”。挪威船级社也公开表示：“全球航运界到2030年有潜力实现减排30%，这其中最有效的措施就是使用LNG作为燃料”。6.燃料电池。目前的燃料电池与相同功率的船用柴油发电机组在性能上完全具备了可比性，在功率比、环保等一些性能指标还有明显的优势。不过现阶段燃料电池装置仍处于研制阶段，产业化的程度很低，所以一套燃料电池装置的成本还很高，往往只能应用在少数高附加值的舰船上。同时，它还存在不少需要继续解决的问题，如减少损耗，提高效率，提高材质，改善工艺，提高稳定性，降低成本，改善电能质量等，短期内在船舶上大规模推广还不现实。四．结语对于新能源船的设计生产来说，从船舶设计阶段,就要充分考虑新能源的利用。有利于船舶新能源的充分利用;有利于降低船舶的制造或改装成本,同时提高船舶的可靠性。并且单一的新能源具有一定的局限性，可以考虑各种新能源的混合利用。从实际出发，可以综合考虑传统能源和新能源在船舶上的综合利用，提高船舶动力来源的多样性。从亘古到今天，人类探索的步伐就不曾停止，在人们日益重视到了新能源的可再生性和环保性之后，对它的大力开发就不曾间断过。并且也有了非常引人瞩目的成果和成就。在无数前辈用自己的信念和汗水铺就的康庄大道上，我们势将不断前行，为人类的生活和子孙的栖息创造一个更加美好的未来。在不久的将来，我相信，更环保，更安全的新能源动力船舶将会更好的造福于我们的生活，并且会为我们的生活提供更好的服务。