船舶替代能源的发展与展望分析

2010-08-15胡健

船舶与海洋工程 2010年4期

关键词：太阳能船舶能源

胡健

（上海船舶研究设计院，上海 200032）

0 前言

在传统能源日趋紧张的今天，如何寻找新兴能源逐步替代传统能源，已成为摆在全人类面前的重要课题。而在高度依赖传统柴油作为动力的船舶业界，毫无例外的将随着全球能源大环境的变化而变化。

作为业界的制造商，要精准地预测未来的发展趋向，加大该系列产品的研发和投入力度，才能抢占市场先机，从而在将来竞争更加激烈的配套市场上获得更大的市场份额。

1 能源溯源和转化

1.1 能源分类

地球上的能源种类很多，包括天然能源和人工能源。天然能源包括石油、煤炭、天然气、可燃冰、狭义太阳能、风能、水能、潮汐能、洋流能、地热能等。人工能源包括电能、核能等。其中煤炭、石油、天然气、以及可燃冰，都由于形成于远古时代而深埋地下或海底，故统称为化石能。这些化石能都是以远古生物作为载体，以远古的太阳能作为能量来源，因此它们又同属于生物能的范畴，是远古生物能在现世的开采和利用的表现形式。风能是由于不同地域的空气吸收太阳能的多少不同，导致温度和密度的不同，最终促使空气规模性的运动，而形成的洋流能基本上也是这个道理。而水能，虽然表现形式为势能，但也是由太阳能蒸发洋海湖泊中的水分作为循环伊始的，根源还是太阳能。所谓现世生物质能，就是现世的太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源。所以从广义上讲，现世生物质能，同样也是太阳能的一种表现形式。

1.2 无穷性和珍贵性

能源本身是取之不尽用之不竭的，能源不会消亡，只是以不同的形态存在而已。同时，可利用的能源在不同时期和场合受到当时当地人类的技术水平和经济成本的制约，这种制约还包括人类赖以生存的环境的承载能力，以及能源的消耗和产出的关系，能源的珍贵性也恰恰体现在这里。一定时期内，当预期的能源消耗大于可利用的产出时，能源危机便出现了。因此，能源既具有无穷无尽的属性，也同样具有珍贵性。无穷是宏观的，珍贵是微观的，这种宏观和微观将伴随着人类生存和发展的始终。

2 船舶和海洋结构物在能源利用上的特点

船舶和海洋结构物在能源的利用上，具有其自身的特点。这些特点有些与陆地上的车辆相通，却亦有其它独特之处。

1)不降低自身稳性:船舶的稳性是自身赖以维持的最重要的性能之一。某些新能源，例如风能，在应用过程中需要想方设法降低风压倾侧力矩对于船舶稳性的不利影响。

2)供给的稳定性、持久性：能源供给的不间断、持续、稳定和持久是保障船舶航行安全和效率的必不可少的特征。

3)功率大：船舶航行时需要克服水的巨大的阻力，相应的推进功率也较大。

4)安全性：在能源的使用过程中，安全始终是放在第一位的。

5)经济性：对于采用新兴能源的船舶，应认真剖析它的利弊得失和经济性，因为造船是现代经济利益链条上的一环。只顾及建造新型船舶，往往会因为经济性缺失而最终被放弃[1]。

6)环境友好性：对于某种新能源，除了看它在使用过程中是否环保，还要从整个产业链的流程来综合分析和评判。

7)滞后性：为了保证船舶营运的安全，船舶的设计、建造和营运需获得船级社规范和相关部门法律法规的约束，这些约束具体、谨慎而细致，而规范、法律和法规的制定需要时间和实例的支撑和积累，相对于某些最新革命性的科技成果，可能具有一定的滞后性，虽然这些约束也具有相当的包容性和前瞻性。另外，陆地上的科技成果成功转移到海上，需要改型从而克服摇摆、振动、防火、防潮等限制条件，并通过船级社的产品认证，这在一定程度上也具有滞后的效应。

3 新能源在船舶和海洋结构物上的应用和展望

3.1 风能

风能在船舶上的应用由来已久，在现代，风帆船已经不大见到。原因是稳性太差、操作繁琐、方向不易控制、碰到恶劣天气，给船舶的安全性带来严重隐患、占用面积空间过大，给货物装卸带来不便以及相对大型船只其功率仍不够，无法作为主动力。而且靠风力可能让航行增加不确定因素，对于必须严守交运时间的船运公司可能不愿冒风险[2]。还有，要想完全遵循《避碰规则》，风帆在布置上恐怕限制颇多。

随着现代控制技术的进一步发展，传统风帆船的上述缺点有望逐步得到改善和部分克服。比如研发自适应型可调可倒可收的风帆，当风向风力稳定在预期范围时，风帆升起，而风向风力不利时，则放倒。

尽管有着众多的缺点有待克服，各发达国家对于现代风帆船的研究和试制却从来没有停止过。其中日本在发展现代风帆船方面一直处于领先地位。1980年8月，日本建成世界上第一艘现代风帆油船——1600dwt的“新爱德丸”号。后来又制造了10艘沿海现代风帆船和1艘远洋现代风帆船投入营运，其中最大的为26000dwt。实践证明，现代风帆船在节能性方面是显著的，而要完全克服众多缺点，恐怕还有很长的路要走。

另外，海上风电场的建设需要考虑风浪流和水文要素的影响[3]，具有一些海洋结构物的特性，但因为它本身是以发电为目的，不属于本文所讨论的专属用途船舶和海洋结构物范畴。

3.2 直接太阳能

在船舶上直接应用太阳能的例子少之又少。分析的原因有5个方面：一是光电转化率很低，只有10%左右；二是因为效率低，因此需要很大的面积；三是光照指数变化很大，导致供给不稳定、不持久；四是供给功率小，无法作为主动力；五是成本高昂，经济性差，面板的制作本身就是高耗能、高污染的过程。

虽然有着上述缺点，但并不是说太阳能在现代船舶中完全不能被利用。比如日本的某汽车运输船，就采用了太阳能发电作为辅助住舱用电，发电量约占全船动力不足1%。再比如在钻井采油平台上的一些高空和运动部件上的灯具，由于电缆到达和维护不易，可以采用太阳能灯具，如平台的钻塔上方、自升式平台桩腿的上部等等部位。显然，太阳能发电系统全面应用于船舶领域可能还为时尚早。

3.3 潮汐能、海流能和波浪能

目前潮汐能的应用主要是指潮汐电站，但因投入产出比大，投入商业运营的并不多。海流能的应用也只限于为灯塔和灯船提供电力，另外，曾有一种海流发电船，类似于驳船，在船舷侧装有两个巨大的水轮，专门用于发电，发出的电力通过海底电缆输送到岸上。目前世界上利用波浪能发电已取得了一定的成绩，其中日本的“海明”波浪发电试验船实现了海上浮体波浪电站向陆地小规模供电。另外，波浪发电也有望成为海上航标和孤岛供电的重要来源。

3.4 氢能源

目前在人类提取氢气的手段还没有成熟以前，无论从能源节约、利用角度，还是经济性上看，都不适合大面积使用。

3.5 可燃冰

可燃冰是天然气和水结合在一起的固体化合物，外形与冰相似。由于含有大量甲烷等可燃气体，因此极易燃烧。它广泛分布于海底和大陆冻土带中，储量巨大，是一种新能源。但同时，如果开采不当，则可能会带来灾难性的大气温室效应灾害和海底地质塌陷[4]。在不远的将来，可燃冰很可能成为替代传统能源的最主要的能源之一。

3.6 核动力

目前，核动力装置主要用于大型军舰和潜艇[5]。由于担心放射性物质污染航道、港口和城市环境，因此很多港口拒绝核动力船进港。对核燃料使用后的核废料也还缺乏妥善处理办法。所以，目前核动力装置还没有被民用船舶所采用。一些已建成的核动力船都已改装为常规动力装置船。但随着人类核技术应用水平的不断提升，相信使用核动力的船舶数量会越来越多。

3.7 生物柴油

现阶段，主要可以提炼生物柴油的作物包括大豆、棕榈、藻类等。根据统计，经人工培育的异养藻类，单位养殖面积的产油效率是大豆的200倍，棕榈的15倍，炼油后剩余的生物质还可以转化为沼气和饲料，可以说是一种非常高效的太阳能衍生能源。生物柴油应用于船舶和海洋结构物，具有其它新能源无可比拟的优势。

由于生物柴油燃烧产生的碳排量源自生物生长过程中吸取大气中（或其它工业生产中排放出）的碳，与将化石能源中的碳从地底排放至大气相比，并未对大气中的二氧化碳含量造成任何变化，因此可以从真正意义上称之为“零排放”。可以预见，如果生物柴油能够大面积在船舶上应用，全球的减排指标将可以制定得更为严格，新船设计能效指数EEDI的计算公式亦将被重新改写。

另外，同样是太阳能，一个是在陆地上通过生物的方式吸取太阳能，一个是在海上通过太阳能面板的方式吸取太阳能，相比之下，可能前者的方式更适合船舶。因为对于船来说，通过使用新能源去带动新能源产业的发展，可能比自身去吸收新能源更加适合。

4 传统能源在船舶和海洋结构物上的集约化应用

在新能源尚未能成为大范围替代传统能源在船舶和海上建筑物上应用的同时，提高集约化利用传统能源的方式、效率，从而达到节能、低耗、环保。比如在FPSO和采油平台上采用柴油与燃气双燃料发电机组代替传统柴油发电机组，其中的燃气采用原来通过燃烧臂白白烧掉的油田伴生气；锅炉采用燃油燃气双燃料锅炉代替传统燃油锅炉；通过热回收机组回收冷却水系统中的散热量等值得推广的实例。