DNV展望2020年的绿色船舶前沿技术
随着近年技术革新的飞速发展，人们不禁对未来充满期望。到2020年我们将会拥有并实现怎样的先进技术？DNV的研究部门曾对包含造船、海运等多个工业领域进行了针对未来技术革新的调查研究，并编辑出版了名为《Technology Outlook》的手册，介绍了未来的新技术及发展动向。上一本《Technology Outlook 2015》出版于2008年，DNV在其中展望了2015年的技术和发展动向。而2011年DNV又出版了《Technology Outlook 2020》，在造船、海运、燃料/再生能源、核能、发电系统等多种工业领域进行调查研究，介绍了面向2020年受人瞩目的新技术。从中我们选择了与环保造船有关的技术进行聚焦，来展望一下DNV所描绘的未来节能船舶技术。
一、减少能源损失相关技术
1.1 空气润滑法
减少船体阻力可以看做是改善能源效率的有效手段之一。自兴波阻力被控制在最小限度的一些新船型被开发出来后，可减少船体摩擦阻力的技术研究开始显得尤为重要。空气润滑法便是一个能够在船底与海水之间使用空气进行润滑以减少船体摩擦阻力的新技术。
目前全球利用空气润滑法的系统有2种模式。一种是由船底开设的许多气孔喷出空气，形成空气层来减少船底与海水的摩擦阻力。这种技术的关键在于控制空气的喷量以达到在船底形成稳定的空气泡层的效果。
第二种是船底留有大块凹陷区域，从中送入压缩空气，形成空气膜来减少船底阻力。这个模式的关键在于如何维持空气膜的稳定存在，因为在不稳定的情况下无法发挥应有的降阻效果。
至于该系统是否会对螺旋桨性能带来不好的影响是今后需要继续研究的课题，不过两个方式都可以减少10%~20%的船底摩擦阻力，最终达到减少10%油耗的结果。
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1.2 复合材料
使用复合材料建造船体可减少船体重量，削减燃油消耗，同时还可减少有害气体及温室气体的排放。比如纤维增强塑料，铝，钛等轻型材料已作为小型船舶的建材所使用，而纤维和金属复合的材料作为未来船舶的轻型材料受人瞩目。
纤维和金属复合材料是由金属薄板和聚合物层积体相互交叠形成的材料，它同时拥有耐冲击性、耐磨损性等金属材料的特质，以及高强度、耐疲劳性、耐腐蚀性等复合材料的性质。金属薄板可采用铝合金板或者钢板，聚合物的主要材料则可用碳纤维或者玻璃纤维来强化。这些材料目前广泛用于航空航天产业，可以考虑将其中的一部分用于特殊船舶的建造。对于普通商船来说将来也有可能使用，不过其价格十分高昂，推广普及或许要到2020年以后。材料成本方面，制造技术、回收利用技术、防火性等方面的改善将是今后的课题。
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1.3 混合推进系统
传统的推进系统是2冲程主机与推进轴直接连接，通过常规螺旋桨推进，整套系统的效率设计都是为了达到期望航速而服务，而在设计范围之外的场合无法发挥全部性能。
混合推进系统的设计理念是将传统轴螺旋桨推进与吊舱推进器组合，可改善上述推进系统的缺点。例如，将吊舱推进螺旋桨安置于调距螺旋桨后方并反转，亦或者在船体中心线以上安装主轴螺旋桨，其两侧安装操舵式吊舱推进螺旋桨。如果采用这样的混合推进系统，可增加推进性能，获得更好的有效速率，以达到高效航行的目的。如果再拥有最适船型设计，可减少最多10%的燃料消耗。当然增设吊舱推进器所带来的成本增加，以及设计费用的增加仍是一个问题，但这无法阻挡混合推进系统成为将来节能技术的一大亮点。
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1.4 无压载水船舶
无压载水船舶的理念久为人知，不过至今为止一直未能实现实船建造。但是随着船舶气体排放规则的日趋严格，以及压载水管理条约的强制执行渐渐临近，无压载水船舶渐渐成为一个受人瞩目的环保技术。
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无压载水船舶在水面以下的船体形状近似倒三角，这种构造使得即使不搭载压载水，也可保证足够的吃水和复原性。但是想要维持与常规船舶一样的排水量和载货量的话，无论如何船体的总长和总宽都要扩大。同时，根据载货状态的变化，会产生船首船尾的平衡性问题。考虑到实际情况，为了保证载货的自由，在船首和船尾各设立1个调整平衡用的压载水舱是比较好的解决方式。
根据压载水管理条约，如使用压载水，船上必须安装有压载水处理装置，不过与常规船舶相比选择一个容量较小的处理设备亦可，处理装置的小型化减少了整体重量，减少了电力消耗，这些都可使得燃费得以削减。
当然伴随着船体的大型化，建造设备也需要扩张，特别是独特的断面形状使得目前的建造方法和建造标准需要重新构建，这些仍是有待突破的课题，想必在2020年无压载水船舶将是高价型船舶。
二、寻求更清洁的替代能源
随着NOx、SOx以及PM等排放规则的日益严苛，在不远的将来或许会推出对二氧化碳排放的限制规则。基于这种背景下，以LNG、生物燃料为首的清洁能源倍受重视，而风力、核能等能源的利用也正在被考虑。今后随着石油价格的进一步高企，船舶领域的燃料从传统石油逐渐转向清洁能源的速度将更快。
2.1 LNG
使用LNG作为燃料的主机不会排放SOx和PM。并且采用稀薄燃烧方式的4冲程燃气轮机比传统柴油机能够减少90%的NOx排放量。当然如果大型商船改用2冲程的低速主机，减少的NOX排放量与燃气轮机差别不大，但是后者更能符合日后的排放规则。
采用LNG燃料，比起传统的石油燃料能减少25%的二氧化碳排放量。但是，根据燃气轮机的型号不同，LNG中的甲烷无法在主机内完全燃烧而造成残留气体排入大气是一个无法忽视的问题。如果不完全燃烧的残留甲烷排放量较多的话，最终会稀释了减少二氧化碳排放控制温室效应的成果。
燃气轮机经常作为陆上发电设备使用，已取得良好的效果，船用燃气轮机的开发也在继续发展。在LNG用于船舶燃料的研究课题方面重点在于如何有效率的配置燃料舱。要储存LNG必须先进行极低温冷却后液化，与常规的柴油燃料相比，燃料舱的容积需要大2~3倍。并且燃料舱造价较高，因此LNG燃料船的新船造价要比常规船高10%~20%。而LNG的燃料补给站目前只在北欧地区有所展开，地域限制较高，今后应将更多的建造LNG补给站。
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当然LNG的价格与石油价格一样会有波动，不过在今后10年内，在ECA区航行的短途船舶将会诞生不少LNG燃料船。
2.2 风 筝
目前还有一型采用风筝获取风力推进的船舶十分醒目。该系统十分简单，仅由风筝、控制缆线、固定系船索组成。投入商业化运营的风筝船舶，风筝面积在160~300m2左右，在蒲福风级3~8级时可保持在100~420 m高度。船内的自动控制系统可控制风筝发挥最大的性能，根据船速和风力高低，最大可产生2000 kW的推进动力。
船舶在装备风筝推进系统时需要注意的是，设计时不要让装载物和烟囱等甲板上的构造物影响到风筝作业。
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2.3 生物燃料
生物燃料作为一种可再生能源，可以削减二氧化碳的排放。如果采用生物燃料，虽然会增加些许NOx的排放量，但是SOx和PM的减排效果十分卓越。目前的柴油主机可以使用生物燃料与柴油混合的燃料，甚至植物油也有望成为船舶的燃料。生物燃料的普及与否，受到其价格、奖励制度以及流通量的影响，目前还存在的一些问题或许到2020年可以得到解决。
2.4 核 能
核能设备在工作中不排放NOx、SOx和其他会产生温室效应的气体。而使用核能的推进系统已广泛用于各国的军舰上，不过尚无使用核能的商船诞生。
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如果将来能建造核能的商船，可以考虑使用低浓缩铀。以陆地上所使用的反应堆为原型设计的小型核反应堆可以提供媲美于大型柴油主机的25 MW功率。比如美国Hyperion公司开发了一型小型核反应堆，燃料寿命在10年以上，价格则为200万美元。
核能在核燃料的分裂、扩散控制、分解、放射性废料的处理、建造成本以及来自社会的理解等方面还有很多问题有待解决。而对核能设备需要进行广泛持久的实证试验，要在2020年就投入商用成为商船的主力推进系统或许还很难，需要各国政府的支持。
三、电力推进
3.1 混合供电系统
采用了结合多种发电方法的混合型供电系统的电力推进船，是高效环保的船舶。如果是采用单一发电方式的推进系统，在满足设计条件范围内运行时可以发挥最高的效率，但是当发电量和供电量有所变动，就会影响到发电效率。如果能够搭载混合型供电系统，可以根据情况弹性供电，提高能源效率。
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到2020年，或许会出现这样的电力推进船，它的供电系统会从常规的电动机、发电机发展到超导体电动机、发电机，甚至燃料电池、蓄电池组合而成的混合供电系统。另外对电力推进船来说，除了这些能源外，还可有太阳光发电以及风车发电等可再生能源的组合供电系统。
同时还有一些课题有待攻破，比如复杂的系统控制、日常维护负担增加、如何最佳配置系统以及设备的轻量化。
3.2 船用燃料电池
所谓燃料电池，就是将从化学反应中产生的能源直接转化为电力使用，其最大转化效率可达80%（氢燃料）。天然气、生物气体、甲醇、乙醇柴油、氢气等都可以作为燃料。其中LNG燃料电池与常规柴油主机相比，每kW可减少50%的二氧化碳排放量。
目前，300 kW级的船用燃料电池原型正在开发中。燃料电池所面临的问题在于成本、重量和大小、使用寿命、载荷变动时的联动性等。到2020年如能克服这些困难，燃料电池或可将实用化。
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3.3 蓄电池
蓄电池可储存能量，在必要的时侯提供动力。如果在供电系统中准备足够的蓄电池，可以保证无间断的稳定供电。比如在发生急剧的载荷变化而燃料电池还未跟上这一变化时，蓄电池可帮助补充断档时的电力供应。另外如果采用蓄电池提供载荷变动时的衔接供电，可以使双燃料主机以最佳的效率运转，并且抑制载荷变动时产生的过剩废气排放。在前文所介绍的混合供电系统中，为了在载荷变动时发挥最高效率，在电力供应系统中加入蓄电池是十分有效的手段。
到2020年，预计可开发出400 kw，峰值4000 kw，重量在2~4 t，容积1m3的电源组。
3.4 超导体
常规的发电机、变压器等电力设备由于电阻的存在，总是会有能量损失。超导体在-160℃的环境下为零电阻，超导体电线所传导的电流是同规格的铜制电线的150倍。如果采用超导体则发电机等相关设备可大大减小体积规格，并且还可期待使用超导线圈的能源储存设备技术发展。
但是如果要使用超导体材料，需要在液氮等超低温环境下以及采用屏蔽罩装置，如果没有这些条件超导体无法保存。如何在超低温环境下保证设备的稳定性将是超导体船舶在设计上需要攻破的课题。
2009年美国海军成功进行了36500 kW的超导体发电机用于船舶推进系统的试验。
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3.5 船舶岸电供电系统
一般船舶燃料的年消费量中5%是在港口停泊时消耗的。在人口密集的港口停靠时，船舶发电机中排放的废气对环境和人类的健康有无法忽视的影响。如果船舶岸电供电系统能够普及的话，将消除船舶废气排放对港口周边环境和人类健康的损害。
到2020年，陆地与船舶之间的充电插口或许将标准化，不仅新造船舶，现有船舶也将统一配备。这个接口可将岸上的供电电压转化成船舶内的供电电压，使船舶可自由的在世界各个港口的岸上充电设备获取电力。
为港口配备岸上供电系统将是今后有待突破的课题。下图为CrossTree公司提出的岸电供电系统方案。
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四、信息化航海技术
所谓信息化航海技术，是指将船舶的精确方位数据、气象数据、各类测算数据、船舶性能数据等融合一体，将电子海图打造成船内信息集成平台的技术。电子海图系统将从其他设备上收集信息，比如安保信息和危险航道信息、出入港口及天气等，集成为航海计划，统一显示在一个屏幕上。这样一来，可以降低事故发生频率，使船舶航行在最安全、最经济的航道上。
4.1 电子海图信息显示设备
触礁不光对船舶本身有巨大的伤害，更有可能发生死亡或者漏油等重大事故，十分遗憾的是这样的重大事故时有发生。如果船上安装了电子海图信息显示设备（ECDIS），可以减少30%的触礁或搁浅事故。因此IMO规定了到2020年所有的船舶都要安装ECDIS。
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ECDIS整合了船舶气象定线、海盗预警、冰山识别、浮游生物警报等系统为一体，可以说是支援系统的集成平台。并且，除了以上航海时不可缺少的支援系统外，ECDIS还结合了出入港口、通关手续办理系统，可以说ECDIS是信息化航海技术中的核心。
4.2 船舶气象定线系统
现有的只考虑天气的航线计划，重点都在规避恶劣气候，安全航行上。但是船舶气象定线系统没有被局限于对气候的把握，它还可在燃油消耗量，船舶到港时间，工作人员乃至乘客的乘船体验，船体的疲劳强度等方面对航线进行最适宜的制定，以船舶的性能、风向、波浪、潮流等的变动信息为基础进行风险审计，指示一条最合适的航线。到2020年或许船舶气象定线系统还可拥有自主学习功能，成为一个高精度的支援系统。
目前信息化航海技术大都用于行业中处于金字塔顶端的少数船队中，到2020年或许可以全面普及，使得所有船队均可运用。
五、结 语
以上《Technology Outlook 2020》所提到的技术中已有部分实装投入使用，另有一些技术也已在研究开发中。或许到了2020年我们将见到更环保更先进的绿色船舶，但在此之前持续发展先进技术的脚步不能停歇，只有拥有更广阔的视野，更多的去了解各个工业领域的前沿技术，用超前的眼光和意识进行技术革新，才会有更好的明天。
原帖链接：http://www.chinaship.cn/marinetech/2014/0730/250.html
