乔纳森·科勒 达格默·内利森 迈克尔·特劳特/荷兰代尔夫特理工大学

航运业何以“御风而行”？

乔纳森·科勒 达格默·内利森 迈克尔·特劳特/荷兰代尔夫特理工大学

研究结果表明，船舶风力推进技术尽管有市场壁垒须打破，但也面临着市场机遇。

根据代尔夫特理工大学2015年的一项研究，2007—2012年期间，航运业的二氧化碳（CO2）年均排放量为10亿吨，相当于全球人为碳排放量的3%以上。展望未来，尽管市场及法规在航运业减排方面发挥的作用越来越大，但随着航运量的持续增长、其他行业排放量的进一步减少，航运业碳排量在全球排放量中的占比还将大幅增加。这意味着，有助于显著减少航运业碳排量的举措，将在公平分配减排目标、应对全球气候变化挑战等方面发挥重要作用。

为实现“去碳化”的目标，航运业需要采取慢速航行、利用可再生能源等一系列措施。其中，船舶风力推进技术（WPT）有两大优点：几乎可实现零排放，燃料成本为零。当前，已有许多创新性的风力推进技术实船应用。然而，这些技术均不够成熟，未能达到推广应用的程度。就本研究项目涉及的技术而言，目前有两项船舶风力推进技术接近实现商用化，另有24项技术有望在2030年之前得到应用。

本研究对2030年风力推进技术的减排效果、市场潜力、经济及社会效益进行了评估，分析了发展、应用该技术的障碍，找出了有助于消除障碍的做法。

风力推进及其节能效果

在研究中，技术人员针对以下4种技术建立了数学模型：刚性/翼形帆、牵引风筝、弗莱特纳（Flettner）转子和风力涡轮机，计算了6艘样本船的节能量。这6艘样本船分为油船、散货船、集装箱船3种船型，每种船型有两个尺度，每艘船有两种航速（见表1）。

表2为每艘样本船的风力推进装置的尺寸。为评估、比较不同设备的节能效果，技术人员设立了由航速、航向、风速及瞬时推力、侧向力、消耗/产生的功率等变量构成的函数。此后，技术人员收集了每艘样本船的全年卫星追踪数据，用于确定其相关航行数据；根据天气预报，收集10米高空每隔6小时的风力数值，并根据风速与海拔高度的关系，对风力数据进行了修正计算。通过将收集到的数据导入到数学模型中进行计算，技术人员得到了每艘样本船使用风力推进装置后在1年中取得的节能效果。

如表3所示，4种风力推进装置的节能效果为：翼形帆与弗莱特纳转子的节能效果相同；牵引风筝在小型船上产生的节能效果要优于大型船；风力涡轮机的能效最低。

研究获得的另一个结论是：就能源的相对节约而言，上述4种设备均在慢速航行的条件下更为节能，其原因是船舶在慢速航行时主机功率较低；而就能源的绝对节约（在图1中以千瓦表示）而言，尽管牵引风筝和风力涡轮机在慢速航行时取得的节能效果与快速航行时接近或略胜一筹，但翼形帆与弗莱特纳转子均是在快速航行时节能效果更佳，且在所有样本船上均是如此。

这可谓一个非常重要的发现，意味着船舶利用风能的难度在以往被夸大了，有些风力推进系统并非只有在船舶慢速航行的条件下，才能取得节能减排的效果。不仅如此，翼形帆及弗莱特纳转子在大型船舶上取得的节能效果要优于小型船舶，尤其是在散货船上。在某种程度上这是因为，与小型船舶相比，大型船舶的航线上的风速更大。此外，大型船舶往往会使用数量更多、高度更高的风力推进装置，而高处的风速更大。

上述研究结果表明，即使对于在常规模式下运营的船舶而言，一些风力推进技术也称得上潜力巨大。

图1显示了6艘样本船的节能效果。其中实心图例为船舶在快速航行条件下取得的节能效果，空心图例为慢速航行条件下取得的节能效果。

表 1

表 2

市场潜力和经济效益

项目的技术人员开发了一个动态模型，用于模拟安装了风力推进装置的船舶随着航行时间的增加而取得的节能减排效果。该模型充分考虑了不同类型及尺度的船舶，并基于以下假设：

●风力推进装置的投资回报期为5年；

表 3

图1

●未来现金流的贴现率为5%；

●重油的价格2020年为450美元/吨，2030年增加到550美元/吨。

其中，船队规模的数据来源于克拉克松曾公布的新船订单、手持订单数据，国际海事组织（IMO）2014年做出的船队规模长期预测。

根据上述条件，模型计算得出的结论为：到2020 年，将有部分船舶风力推进装置实现商用化；到2030年，安装在散货船及油船上的风力推进装置最多将达10700套（包括新建船舶及在航船舶）。据此计算，2030年，上述装置可使船舶的二氧化碳排放量减少约750万吨，在全球航运业排放量中的占比为7%；此外，因船舶风力推进技术的推广应用，业内将产生约8000个直接工作岗位、10000个间接工作岗位。

表4为2020年—2030年将安装风帆的船舶的数量预测。

研究人员的分析结果表明，2030年并非风力推进装置装船使用的高峰期，预计这一时间应为2040年左右。届时，将有更多的新船投入使用，而在新船上安装风力推进装置，要比在航船舶加装该装置更为经济。此外，在规模效应的作用下，使用风力推进装置的成本将进一步下降。需要指出的是，上述结论较为保守，因其是研究人员在该装置装船量较小的条件下得出的。

当前面临的困难

研究人员的分析表明，当前阻碍船舶风力推进技术进一步发展并推广应用的因素主要有以下几点：

●风力推进装置的技术特征——如其对甲板空间的要求及需要安装风力发电机等——导致其装船受限，尤其是对于在航船舶而言；

●部分因素如燃油价格下跌会导致其在经济效益方面的优势不足；

●世界经济的周期性等确定的影响因素、风力的变化等不确定的影响因素对其经济性的影响；

●获得投资以更多的使用风力推进装置的难度较大。

表 4

影响风力推进装置装船率的因素还可能有：船东与船舶运营商的收益分成机制，业界对行业可能因推广某种技术而产生重大变化的质疑等。

此外，为进一步发展船舶风力推进技术，业界还需要消除以下障碍：风力推进装置供应商一直未能说服航运业普遍认同其产品在降低运营成本方面的成效，且未能获得令人信服的投资收益。这导致风力推进技术难以获得资本的青睐，尤其是在船东对油船及散货船投资普遍有限的背景下。此外，航运业的现状是，未能按时到港的船舶会受罚，因此船舶很难通过慢速航行来更好地发挥风力推进装置在节能减排方面的作用。不仅如此，业界还缺乏对装有风力推进装置的船舶进行安全评估的机制。

根据以上分析，简而言之，以下三大问题是影响风力推进装置推广使用的最大障碍：

●业界需要更多的关于风力推进装置的可靠信息，如其性能、可操作性、安全性、耐久性及节能效果；

●获得投资以大范围推广风力推进技术；

●建立起提高能源效率、减少二氧化碳排放的激励措施。

应对之策

无疑，风力推进技术要获得资本的支持才能进一步发展，而在其推广应用并取得明确效果之前又难以获得投资。要解决这个“先有蛋还是先有鸡”的问题，可从制定一个标准化的风力推进技术评估方案来入手。在此过程中，应考虑船舶能效设计指数（EEDI）与评估方案的有机结合。

此外，为实现评估标准化，应建立相关信息公开机制。比如，基于欧盟的“航运业二氧化碳排放监测、报告和核实机制”（MRV），船舶应能够公开其利用新能源的情况。举例来说，对于芬兰Norsepower公司为“维京优雅”号（Viking Grace）提供的弗莱特纳转子，就应由独立的第三方来提供相关信息，用来说服船东及投资方，同时表明其有效使用了由欧盟委员会和芬兰政府提供的公共基金。

除欧盟外，排放控制区（RCA）的相关国家，都有望为风力推进技术提供资金支持。

除利用公共基金外，若想调动企业应用这项技术的积极性，可从以下方面入手：

●为小微企业（SME）提供资金支付方面的支持；

●尽可能减少行政领域的负面影响；

●制定计划，促使航运业开展相关示范项目；

●在开展示范项目过程中，避免缩小可行性技术的范围。

综上所述，风力推进技术有望大幅度减少温室气体和硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）、颗粒物的排放量。这意味着，该技术的节能效果有可能促使相关投资在未来进一步增加。但就目前而言，这一技术仍处于示范阶段，在推广应用方面仍有难题待解。若能消除政策法规、市场壁垒等方面的障碍，航运业就能大规模采用风力推进技术。

（刘颖 编译）