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船舶动力加快脱碳!为“新一代”船舶更换“绿心”

2022-06-04 20:02:21
来源:中国船检 编辑: 国际船舶网 我有话要说

船舶动力系统相当于船舶的心脏,任何燃料上船后便进入船舶动力系统的管辖范围。但替代燃料由于其不同于原油的特性,上船后与现有船舶动力系统产生了不适配现象。因此,行业各大公司开始了对适用于各替代燃料的船舶动力系统的研究,并陆续推出了各类“新一代”船舶动力系统相关技术和解决方案。近半年来更是呈现出百花齐放之势,那么,在这场绿色竞赛中,谁将拔得头筹呢?

“新一代”船舶动力系统

船舶动力系统是为保证船舶正常营运而设置的动力设备,是为船舶提供各种能量和使用这些能量,以保证船舶正常航行,人员正常生活,完成各种作业。船舶动力系统是各种能量的产生、传递、消耗的全部机械、设备,它是船舶的重要组成部分。近来,行业陆续推出了多个针对替代燃料的船舶动力系统相关技术与解决方案,为行业减排提供了有利支撑。

双燃料模式为燃料上船提供了更多选择。MAN Energy Solutions公司在其发动机系列中新增了一种能燃烧甲醇的低速双燃料发动机——MAN B&W G80ME-C10.5-LGIM版本发动机,扩大了船东对双燃料发动机的选择。该发动机还可选配废气再循环(EGR),以确保符合氧化氮Tier III排放要求。新版本的发动机将有6缸、7缸、8缸和9缸等版本。此次发动机平台的扩大将使MAN公司能应对中型集装箱船以及超大型矿石运输船和原油运输船对甲醇燃料方案的日益增长需求。与MAN公司近期推出的其它双燃料解决方案一样,该方案也将适用于改装现有的G80ME-C发动机。

替代燃料动力系统。随着替代燃料应用的推进,专门用于替代燃料的动力系统也获得了可喜成果。国际领先的动力系统解决方案提供商瓦锡兰近日成功开发出用于甲醇燃料的供应系统MethanolPac。该系统与最近推出的Wartsila 32甲醇燃料发动机以及经过充分验证的改装和系统集成能力相结合,使瓦锡兰能够在广泛的船舶领域提供甲醇燃料供应系统和动力系统。MethanolPac包括燃料供应系统的低压和高压部分,以及相关的控制和安全功能。这包括高压甲醇燃油泵单元、低压泵模块、燃料阀组、燃料加注站和储罐仪表。新造的Wartsila 32甲醇发动机结合了历史悠久的甲醇燃料喷射技术—在2015 年首次为Stena Germanica 客滚船改装瓦锡兰Z40发动机而开发的,以及成熟的瓦锡兰32 平台的尖端控制和自动化系统。甲醇燃料喷射还可改装应用于5000多台正在使用常规燃料运行的瓦锡兰32发动机中。而MethanolPac意味着这种改装工作可以大大简化,因为发动机和燃料供应系统由同一家供应商提供。混合动力系统多项技术的混合使用,将使得事半功倍。电力推进领域领导者英国防务集团(BAE Systems)公司与豪华游艇制造商Southern Wind公司签约,将为一艘新造高性能超级游艇提供混合电力与推进系统——“新一代”电力推进系统HybriGen,包括一台电机、2台变速发电机、1套锂离子能源存储系统和可岸基充电的船舶辅助电力,这种领先的技术使用了更少、更轻、更紧凑的部件,提高了电力效率和船舶航程,增加了推进功率并且简化了安装。

“新一代”混合能源系统。克罗地亚DIV集团旗下Brodosplit造船厂正在建造的“新一代”零排放客运帆船船首和船尾有两台垂直风力涡轮机,在船舶停靠港口和风帆下降时为其供电。光伏太阳能系统将安装在船舶上层建筑的屋顶上。该船将使用源自完全可再生能源的电力和水,而且在获取全部能源的过程中不会排放任何二氧化碳。因此,这艘船不仅100%“绿色”,而且几乎没有燃料和推进机械成本。这艘电动帆船与同类船舶的不同之处在于,她在航行时还能以非常复杂的方式为电池充电。除了风力涡轮机、水轮机和太阳能电池板系统外,该船还使用了可变螺距和特殊几何形状叶片的船舶螺旋桨系统,在航行时可用作水轮机。这种“可逆螺旋桨”将为下层的大功率电池充电。此外,船上的所有信息都将在驾驶台上进行收集和控制。同时,船上的所有能源“回报”和“消耗”都受到监控。

“新一代”喷水推进系统,该设计不仅最大限度利用现有资源水,还使船舶可在消耗等量能源情况下动力大增。意大利企业菲亚特动力科技工业(FPT Industrial)和初创公司Sealence公司联合开发了一种混合电力喷水推进系统,外形像一架喷气式飞机引擎,为游艇和工作船提供了全新的、极具创新性的混合动力船舶推进系统的概念设计。该概念机型采用了菲亚特动力科技N67 570 EVO生物柴油发动机,并配有变速永磁发电机,可作为增程器来为电池组充电。这种新的混合电力系统设计具有效率最大化、静音、应用模块化和灵活性等优点,在相同数量的能源下,与一套螺旋桨系统相比,该系统能产生更多的推力和航速,消耗的能源则更少。同时,新系统属于舷外系统,可直接安装在船体下方,因此只需围绕船体排布线缆,这意味着该系统的安装不需要会限制灵活性的笨重机械连接和接口。由于不需要变速器和车桥,因此船上有更多的可用空间,使船厂有机会优化主机房布局、船舶设计和内部布局。

船舶动力减排路

经过多年的摸索与研究,回望来时路,船舶动力的减排之路并非平坦,而是经历了一番曲折与变换。

对现有船舶动力系统进行升级改造。近年来,行业环保法规不断推陈出新,速度之快前所未有,充分显示了当下环保的紧迫性。面对快速收紧的环保法规,行业在探索实现终极减排目标的同时,也在想法应对最新法规。例如,国际海事组织(IMO)2020年生效的限硫法规,催生了脱硫塔的产生。与此同时,行业也开始着手LNG燃料在船舶上的应用,因此出现了不少船舶升级改造的订单。此后,由于改造成本高昂,且因为该行业面临一系列商业和技术风险因素,因此并未产生规模效应。这时,行业便开始了“为替代燃料而进行的改造投资是否值得”话题的思考与讨论。

适用于低碳替代燃料的双燃料动力系统。就在大家还在斟酌船舶改造投资是否值得的时候,行业环保进程再次向前推进一大步,增加了碳排放的关注。2018年4月,IMO通过了船舶温室气体减排初步战略,该政策框架设定了阶段性目标:到2050年,从事国际航行的船舶年温室气体排放量与2008年水平相比减少至少一半。除此之外,在21世纪要努力尽快逐步实现船舶温室气体零排放,到2030年将从事国际航行船舶的碳排放强度平均降低至少40%,并力求2050年的碳排放强度比2008年的水平降低70%。在绿色环保低碳成为全球几乎所有行业未来发展的共识以及目标之后,相关领域的新技术和产品在实际生产应用中的推进显著提速。初期,LNG燃料凭借其环保性能好、易获取等优势从众多替代燃料中脱颖而出,此后LNG燃料船舶订单呈指数级增长。如选用LNG作为船用燃料,其硫氧化物排放为零,温室气体排放可减少15%~20%,颗粒物减排高达80%。在实船应用层面,现有船舶可通过改装实现LNG-柴油双燃料主机应用,即在船舶现有柴油机的基础上,加装一套LNG供气系统(LNG储罐)和气体处理系统,以及一些辅助系统,如通风、电子控制、安全和自控系统等。新造船舶则可在设计阶段就开始考虑采用双燃料发动机优化布置,空间利用和维护保养也就更加具有优势。

LNG燃料的双燃料应用,为后期其他替代燃料(如氨、氢、甲醇等)的船舶双燃料应用打下了坚实基础,包括替代燃料预留设计。2022年1月,大连理工大学隆武强教授团队成功开发了我国首台氨/柴油双直喷二冲程内燃机原理样机,实现了零碳燃料内燃机核心自主技术新突破,填补了我国在氨燃料低速机工程化应用的空白。该团队介绍,采用液氨/柴油双燃料缸内高压直喷工作方式,具有氨燃料替代率高、污染物排放低、可以灵活切换燃料利用模式、满足多场景需求等优点。针对氨燃料独有的燃烧特性,通过自主研发的燃烧调控策略,成功解决了氨燃烧的难题。在内燃机运行全工况条件下,液氨替代率可达80%以上,有效降低了“碳排放”。除氨燃料燃烧关键技术外,预混合压燃、快速混合燃烧等技术在该机型中均得到了成功应用。据了解该团队还参加了由中船动力研究院有限公司牵头的国家重大专项“船用低速机工程(一期)”项目,成功开发了国内首台高替代率、高热效率、低排放甲醇扩散燃烧的四冲程原理样机及1E-150直流扫气柴油机。

适用于零碳替代燃料的动力系统。航运业的终极减排目标是实现零碳,行业在寻找低碳替代燃料应用的同时,也在加大对于零碳替代燃料的研究与探索。近日青岛双瑞公司自主开发的船用甲醇燃料供应系统(LFSS)获得船级社颁发的AiP证书,该系统具备甲醇燃料加注、储存、供给、调压、控温功能,满足LGIM发动机供给压力、温度的要求,适用于当前MAN-ES公司二冲程LGIM双燃料发动机,并可为其他主机提供配套方案。国际领先的发动机制造商瓦锡兰于近期交付了首个专门的甲醇燃料供应系统MethanolPac,与最新推出的Wärtsilä 32 甲醇发动机构成了船舶应用中甲醇的完整解决方案,使瓦锡兰能够在船舶领域提供具有甲醇能力的燃料和动力系统的解决方案。MethanolPac包括燃料供应系统的低压和高压部分,以及相关的控制和安全功能,包括:高压甲醇燃料泵单元、低压泵模块、燃料阀组、加油站和油箱仪表。

船舶动力加快脱碳

由于各替代燃料都具有自身特性,导致现有的船舶动力系统无法满足所有替代燃料的有效应用。稍有不慎,将会出现排异现象,严重的将导致船舶发动机出现故障甚至失灵。此外,由于各替代燃料所含元素不同,即便该替代燃料是清洁的,但使用过程中以及使用完成后所产生的“废物”可能就无法满足最新的环保法规了,那么就需要对其进行进一步的处理,例如废气后处理系统脱硫塔以及碳捕集与封存(CCS)的产生。然而面对这绿色转型中的重重困难,全行业并未退缩,而是齐心协力攻坚克难,经过多年努力,终于迎来了喜人的阶段性成果。

在环保监管日益缩紧的当下,选择替代燃料的船舶的占比实现了逐年增长的态势。据克拉克森研究数据显示,2022年第一季度签订的新造船订单中,以总吨计有61%的订单为替代燃料动力。以总吨计,当前4.5%的船队为替代燃料动力,是过去四年的总和。替代燃料将成为航运业实现最终减排目标的最佳选项也成为了行业的共识。按照燃料类型来看,当前手持订单和今年一季度新签订单中的替代燃料动力船舶主要为LNG燃料船舶、LPG燃料船舶以及其他类型替代燃料船舶(包括甲醇、乙烷、生物燃料、氢以及电池),其中LNG燃料船舶占比最高。

值得注意的是,从新签订单数据可以看出,船东明显倾向于选择可使用多种替代燃料或替代燃料预留的船舶设计,以备在未来的各种不确定性中拥有更多的可选择方案。但即便如此,替代燃料船舶的订单还是呈现出增长态势。克拉克森研究表示,节能型船舶与非节能型相比在租金收益、资产价值等方面均有一定优势。目前“现代”节能型船舶(使用电喷主机)以总吨计已达到27.7%。该比例在一年前为25.1%,在5年前仅为11.5%。预计到2023年,“现代”节能型船舶在船队中的比例将上升至30%。预计2022年全球船队燃料成本将上升至超过2,000亿美元,市场对节能船型的需求将进一步上升,其租金溢价也将上涨。

目前,航运业的减排进程已经迈入零碳替代燃料的研究,针对零碳替代燃料(氢、氨、甲醇等)的动力系统,尤其是发动机方面还需要做哪些调整,中船动力集团首席专家吴朝晖曾在接受本刊采访时表示:“氨或甲醇发动机相对于传统燃料发动机,主要调整的是燃料供给、燃烧和排放控制及安全系统,这主要是由燃料的物化特性决定的。对于氨发动机如何实现稳定快速燃烧,以及如何降低NOx排放是需要关注的重点问题,甲醇发动机则是需要重点关注燃料替代率、爆震及非常规排放物如甲醛处理等问题;另外,针对氨、甲醇由于刺激性、毒性带来的安全使用问题,也需要重点关注。”

如果你认为航运业的减排之路已行至正道,接下来便都是平坦大道,那么,你可能过早乐观了。2021年6月,IMO通过了关键性短期措施,这些措施将技术方法与营运方法相结合,以提高船舶能效。其中最重要的是通过了两项提案——所有船舶必须计算其现有船舶能效指数(EEXI),5000总吨以上的船舶将建立其年度营运碳强度指标(CII)和碳强度评级机制。显然,未来的路道阻且长,理应时刻保持危机感,以应对市场的瞬息万变。

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