船体创新设计和高效节能船型研发,以及对于发动机的改进,是船舶低碳化发展过程中的另一个关键,因为每一种低碳或零碳燃料的使用需配合相应技术才能使其呈现最佳减排效果。
自20世纪80年代以来,随着船舶工业水平发展,新造船的运营效率得以大幅提升,这主要是由于船用发动机性能突破和电气系统优化。尽管如此,仍然存在通过创新的船体设计来实现降低船舶阻力的可能。
根据船舶设计经验,在排水量达标基础上,合理调整船型尺度比、方形系数和浮心位置等参数优化总体设计,改变前体线型、水线进流角,可以最大限度地降低船体航行过程所受阻力,从而达成在全航程及多工况下最佳阻力性能的船型优化。在当下全球致力于实现航运减排、能源转型的大格局下,创新是所有新船设计的基础,创新设计带来的能效提升将是实现能源转型的关键组成。这份报告提到,改变船艏设计可以降低阻力、提高能效。
乌斯坦船舶设计与解决方案公司(Ulstein Design&Solutions)在去年宣布将与总部位于奥斯陆的Edge Navigation公司联合开发使用X-BOW(X型艏)的新一代集装箱船。X-BOW允许船舶“穿浪航行”,就像“水上滑梯”那样利用波浪前进。这可以有效减小船体阻力,从而降低船舶动力所需的能量。另外,拥有X-BOW的集装箱船可以消除波浪对船体产生的振动。加拿大船舶设计与研究公司(NaviForm Consulting&Research)也在对类似的船艏减排进行研究,该公司设计的翼状艏(Winged Bow)不仅将减少船体阻力,还可提高航速、降低能耗并减少船舶污染物排放。相较传统设计,翼状艏在测试及实际营运过程中均能有效减少20%以上的动力/燃油消耗和GHG排放。此外,加拿大船舶设计与研究公司还在尝试零波艏(Zero Wave Bow)设计,从而使相应船舶在低功率的情况下保证优异工作状态。
空气润滑技术也是航运减排技术路径中的一个关键技术。Silverstream Technologies公司开发的空气润滑系统可让船体有效地减少阻力,降低发动机燃料消耗。空气润滑概念最早出现在19世纪,船舶行业通过更多的研究对这个概念在船舶上的应用进行了完善。这项技术的原理并不复杂,但却带来了实实在在的能耗节约。空气润滑系统利用基本自然法则,在船体下方形成一层稳定的微气泡“地毯”,减少了船体表面与水的直接接触,达到了减少船体与海水之间的摩擦阻力的目的,进而提高能源使用效率。如今,已有多家船东/运营商订造的一系列船舶采用了空气润滑技术来降低船体阻力。
船体表面减阻的另一个重要方式是应用减阻涂料。可以想象,当藤壶等其它海生物附着在船体上时,难免会产生额外阻力,这意味着需要额外的燃料来推动船舶航行,这不仅会导致运营商支付更高的燃料成本,还会产生更多的船舶污染物排放。因此,运营商需要船体保持光滑。目前,一些独特的涂层结合了有机硅涂层的光滑性和改进的水凝胶微层及活性成分,最大限度地提高了船舶效率。比如海虹老人(Hempel)的创新防污解决方案(Hempaguard X7)在最近十年间已应用于2000多艘船舶,共减少了约760万吨的燃料消耗,据悉,这意味着至少节省了26亿美元的燃料支出,并减少了约2350万吨的二氧化碳排放量。
未来,风帆是降低主机功率需求的动力辅助措施之一。在《通向2050的三种路径》一文中,我们可以看到零碳燃料价格长期呈递减趋势,但相比传统燃料,其售价仍然偏高,随着航运业温室气体减排压力越来越大,以及现有船舶能效指数(EEXI)和营运碳强度指标(CII)等规定的实施,将迫使约80%的船舶减速航行,行业因此需要通过其它方式降低燃料消耗,船舶应该利用风能这种随处可见的免费能源,提高船舶的能效表现。
今年年初,Zéphyr&Borée公司获得风力辅助推进系统原则批准(Aip),其旗下一艘集装箱船将配备翼帆辅助系统,通过操纵捕捉舷风,并根据风况自动调整,以实现最佳效率。同所有安装了风帆推进系统的船舶一样,在航行中,该船引擎和翼帆结合使用,为此,Zéphyr&Borée公司使用了一种通过统计气象和路线的工具预测船舶性能并估算燃油消耗量,以便能够选择最佳风力条件下的航线,该公司表示,“结果取决于想要达到的速度,但在11节航速和典型风力条件下,预计50%的动力将由翼帆完成,这将减少相同比例的燃油消耗。”
旋筒风帆或硬质帆已经被部署于多种类型船舶,更有创新性的风筝帆也将在不久之后出现。Airseas公司正在创造一种名为“Seawing”的全自动船帆,该帆由与滑翔伞相同的材料制成,可在后部甲板上方33米处扬起,以捕捉能起到推进作用的强风,产生的推进力将使船舶主机油耗和排放量减少约20%(理想情况下,在跨洋航线可减排达40%)。
与市场上其它清洁燃料相比,风力推进有其优势。氢或氨价格较高,单位体积能量密度不佳,并通常需要额外的技术或发动机设计,并且比传统化石燃料的能量密度更低,而风帆系统通过运用零成本的风能降低了燃料消耗,且让投资总额显得更加固定。可以说,风帆辅助推进技术是航运业能够将其环境、社会和治理承诺转化为切实行动的途径,并满足船东和投资者日益增长的可持续性需求。
降低主机功率需求也让业界围绕着螺旋桨进行发散创新。螺旋桨越大,就越难与船体适配,也越容易增加船舶吃水,导致搁浅。因此,最大的船的螺旋桨直径也只有10米左右。相比之下,鳍和鳍状肢会侧向伸展,不受吃水深度的限制,这意味着它们可以长得足够大,向四周推动更多的水,也不需要像螺旋桨那样坚硬。自然界当中,鳍已进化为鱼类获取动力的必备肢体。为何船舶推进器件的设计不能更进一步呢?颠覆者可能已经出现。前海洋生物学家、建筑师本杰明·皮埃特罗·费拉尔多(Benjamin Pietro Filardo)正在研究如何设计出从水流中获取动力的设备,他计划使用柔韧的材料,可以更轻松地甩掉卷入设备中的任何杂物,且在此过程中把波浪的起伏也有效地转化为推力——一款名为Velox的推进器可以模仿鱼类柔软的鳍在水中摆动,同等能耗情况下其所产生的推力是一般螺旋桨的三倍。也许在不久的将来,仿生鱼鳍或将取代螺旋桨成为船舶的推进器。
当清洁能源被广泛使用时,混合动力在特定系统的配置中起着重要作用,这与船舶性能和燃油消耗预期、电池集成、动力系统电气化等有关。电力驱动系统是对传统船舶推进系统的逐步改变,Berg propulsion公司专注于船舶推进和系统集成领域研发,为船舶工业可持续发展提供解决方案。在过去十年中,大型商船对轴带发电机的需求迅速增加,这主要是由于排放法规收紧和燃料价格上涨。与传统发电机组相比,使用抱轴式永磁轴发电机可以显著节省燃料,并降低了船舶温室气体排放量,有助于船舶满足将于明年实施的EEXI和CII要求。
当用作轴发电机时,永磁电机安装在位于主机和螺旋桨之间的推进轴上,由于二冲程发动机相比于四冲程发动机具有更好的燃油消耗量率(SFOC),这意味着与使用效率较低(更高SFOC)的四冲程发电机组发电相比,运营商可以节省大量燃油。磁场是由永磁体产生的,而不像传统电机中那样由电磁铁产生,这显著提高了机器效率。当使用轴发电机时,发电机组可以保持关闭状态,这也大大降低了维护成本。轴带发电机还可以作为推进电机,在特殊情况下(如恶劣海况或主机故障)从发电机组获取电力,实现加力PTH(发电机组供电,轴发驱动螺旋桨)功能。若使用轴带发电机辅助达到推进系统的峰值功率,则可以选择比标定功率小10%-15%的主机,这样可降低造船时投入的成本。可以说,直驱永磁技术的轴带发电机实际上非常适合船舶应用,一方面能够降低船舶燃油消耗、减少碳碳排放,另一方面还能够降低船舶的维护和初投资成本。
面对氢、氨和甲醇等各种未来绿色航运燃料,以及它们在燃料可用性、价格和法规方面各自不同的市场需求,业界需要研发不同技术以用于大型发动机的燃料喷射和燃烧控制等,采用渐进化、模块化的设计帮助船队实现脱碳。
曼恩(MAN)正在深入研究两种发动机概念。航运应用的第一阶段是双燃料低压发动机,可在有限的氢燃料能量占比和降功率的情况下运行氢燃料,在确保灵活性的同时,最大限度地降低氢燃料供应或系统问题的风险,并且将柴油或LNG作为后备解决方案。在用于传统的双燃料发动机时,氢气燃烧阶段不会排放硫氧化物和二氧化碳。航运应用的第二阶段是双燃料氢气发动机,重点关注氢气模式下的效率和全功率。川崎重工、洋马发动机和日本发动机(J-ENG)也联合宣布共同开发用于大型船舶的船用氢燃料发动机。虽然目前尚无可供远洋船舶使用的氢燃料加注船或加氢码头,仅有一艘液态氢燃料运输船(从澳大利亚航行至日本的灰氢运输船),但这不影响业界对于这种零碳燃料的积极关注。
考虑到航运业必须迅速降低排放,曼恩还在进行一项模块化设计,既不会大幅改变推进系统布局,也可使现有船舶更容易改造为使用氨燃料运行。通过这种非根本性的改变,船东不必以简单的方式在短时间内重新考虑船舶设计。与使用船用轻柴油的发动机相比,氨动力双燃料发动机从油箱到螺旋桨的温室气体排放将减少约95%(5%的排放是由于使用常规燃油作为引燃油)。考虑到安全性,双层管道和其它安全程序可能是防止“氨逃逸”的关键,在氨燃料发动机中使用的另一个安全机制是“双重封锁和放气”,将各系统分开,并有能力用氮气来清洗以前有氨的区域。以便工作人员在需要时能够安全地排除故障和进行维护。
在不久的将来,通过进气道燃油喷射(PFI)技术,以甲醇为主要燃料的发动机将成为可能。PFI技术实现了发动机相关模式下稳定的运行范围和高甲醇占比,通过将“绿色”甲醇与生物柴油结合使用,这种简单而可靠的喷射技术可以实现完全碳中和的发动机运行。基于PFI Ready概念,曼恩(MAN)研发的四冲程发动机可于2024年使用甲醇燃料运行,适用于新建柴油发动机和双燃料发动机。此外,MAN已将高压缸内直喷(HP-DI)技术作为长期解决方案研究,以便在整个发动机运行模式下以最高效率实现甲醇模式全功率输出。
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