imo的船舶推進(jìn)效率與電力推進(jìn)系統(tǒng)

imo的船舶推進(jìn)效率與電力推進(jìn)系統(tǒng)

國(guó)際海運(yùn)是對(duì)世界經(jīng)濟(jì)的主要因素之一。為此,IMO在2011年7月對(duì)新造船舶的單位運(yùn)輸能力對(duì)應(yīng)的溫室氣體排放量進(jìn)行了規(guī)定,通過(guò)了MARPOL公約附則VI的修改案并在2013年開(kāi)始實(shí)行。MARPOL公約本身是以大型船舶為對(duì)象,但是對(duì)小型船舶的溫室氣體排放量的控制也是必須的。歐美國(guó)家湖泊區(qū)域較多,它們禁止采用內(nèi)燃主機(jī)的船舶,而推行電池推進(jìn)船的使用。同時(shí),船舶主機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所排放的NOX、SOX等物質(zhì)對(duì)包含?？扛劭趨^(qū)域在內(nèi)的沿岸海域大氣造成污染。為了減少NOX等的排放,對(duì)船舶主機(jī)必須要有相應(yīng)的解決辦法。MARPOL公約附則VI制定了一個(gè)階梯式的規(guī)則,在2000年1月以后建造船舶所搭載的功率在130kW以上的主機(jī)適用第一層級(jí)的要求(公約在2005年5月生效),2011年1月之后建造的船舶適用第二層級(jí)的要求(比第一層級(jí)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格15%~22%)。并且,IMO原本預(yù)計(jì)將從2016年開(kāi)始導(dǎo)入針對(duì)ECA海域的第三層級(jí)的要求,將比第一層級(jí)嚴(yán)格70%,實(shí)施的時(shí)間將與全球技術(shù)開(kāi)發(fā)進(jìn)展情況掛鉤,不過(guò)在2013年5月13~17日召開(kāi)的IMO第65次海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)會(huì)議上通過(guò)了推遲5年實(shí)施的決議。減少船舶溫室氣體和NOX排放,解決方案之一就是采用電力推進(jìn)系統(tǒng)。電力推進(jìn)系統(tǒng)本身如果只看推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和變流器變換效率的話,與現(xiàn)有推進(jìn)系統(tǒng)相比效率偏低,但是采用電力推進(jìn)系統(tǒng)后,主機(jī)室的配置自由度將變得很高,還可采用多樣的能源,船舶總體的推進(jìn)效率是提升的,能效的提高會(huì)減少溫室氣體排放量。根據(jù)以上這種觀點(diǎn),日本國(guó)土交通省聯(lián)合鐵道運(yùn)輸機(jī)構(gòu)、海上技術(shù)安全研究所等團(tuán)體共同成立了超級(jí)環(huán)保船(SES)實(shí)用化和普及推廣計(jì)劃。針對(duì)內(nèi)河油船、貨船以及渡船等,它們船體較小,大型的設(shè)備都要設(shè)置在船尾,對(duì)船型優(yōu)化設(shè)計(jì)有較大的妨礙。為此SES通過(guò)海上試運(yùn)轉(zhuǎn)驗(yàn)證結(jié)果表明,如果采用電力推進(jìn)來(lái)改良船型,并且通過(guò)安裝對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳等提高推進(jìn)效率的設(shè)備,與現(xiàn)有同尺度的船型相比,溫室氣體排放量可以減少約兩成,NOX排放量可以減少四成。對(duì)于大型的遠(yuǎn)洋船舶,主機(jī)室與船體相比占地容積較小,導(dǎo)入電力推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)改善船型效果不大。為此較為合適的方案是以船內(nèi)微型電網(wǎng)系統(tǒng)(可將陸地供電和太陽(yáng)能發(fā)電綜合加以最佳利用的系統(tǒng))為核心,開(kāi)發(fā)混合電力推進(jìn)系統(tǒng)。這是國(guó)土交通省旗下的技術(shù)開(kāi)發(fā)支援項(xiàng)目“海洋環(huán)境倡議”的一部分,該項(xiàng)計(jì)劃聯(lián)合日本郵船、川崎重工和日本海事協(xié)會(huì)共同實(shí)施,旨在減少30%的溫室氣體排放量。具體措施是通過(guò)新型蓄電池和電力轉(zhuǎn)換裝置,與船用柴油發(fā)電機(jī)組合成為新的混合推進(jìn)系統(tǒng),將陸地發(fā)電以及太陽(yáng)能發(fā)電所得的電力儲(chǔ)存在蓄電池中,將它們作為船內(nèi)電力使用,優(yōu)化船用柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。這套系統(tǒng)在日美航線的汽車運(yùn)輸船上可以節(jié)省2%的燃油耗量。當(dāng)然這樣的系統(tǒng)要投入實(shí)用,價(jià)格低廉且高效的大容量蓄電池以及控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是必不可少的。常用來(lái)作為電力推進(jìn)系統(tǒng)的電池主要有燃料電池、超級(jí)電容器、動(dòng)力電池三種。燃料電池能量轉(zhuǎn)化效率高,不污染環(huán)境,壽命長(zhǎng)。但是受技術(shù)條件限制,單體功率比較小,造價(jià)昂貴,并且氫的制造、運(yùn)輸及儲(chǔ)存等配套技術(shù)尚未成熟,其應(yīng)用以軍用艦艇為主,民用船舶尚停留在嘗試階段,難以推廣應(yīng)用。超級(jí)電容器有充電時(shí)間短、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)、使用溫度范圍大、能量回收效率高等特點(diǎn),但由于其本身比能量低的特性,極大地制約了其續(xù)航能力的提高。動(dòng)力電池技術(shù)日趨成熟,常用的種類有鎳鎘、鎳氫、密封鉛酸和鋰離子。當(dāng)前第三代鋰離子電池具有能量密度高,安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn),是小型電力推進(jìn)船較為適合的動(dòng)力源。雖然目前鋰離子動(dòng)力電池價(jià)格較貴,但隨著制造技術(shù)的提高和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展,其應(yīng)用成本將會(huì)快速下降。上述合作單位中,川崎重工開(kāi)發(fā)了一款名為“Gigacell”的大容量密閉型鎳氫電池,1節(jié)可提供7.2kWh的電力。并且隨著技術(shù)的進(jìn)步,每層電池組的性能將更高,成本將更低,預(yù)計(jì)將來(lái)它會(huì)成為陸電、軸發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)以及利用主機(jī)廢熱的小規(guī)模發(fā)電機(jī)組最適合的蓄電池選擇,實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能減排效果。在船舶領(lǐng)域,如果蓄電池及其控制系統(tǒng)的性能提高,成本降低,是否可以直接進(jìn)化為純粹的電池推進(jìn)船呢?但從電力汽車的發(fā)展可以看出,為了確保安全性和穩(wěn)定性,要實(shí)現(xiàn)純電力推進(jìn)船尚有很高的難度。在這樣的現(xiàn)狀下,選用合適的材料在合適的場(chǎng)合有效利用電力以兼顧經(jīng)濟(jì)性和性能將是較為實(shí)際的目標(biāo)。純電池推進(jìn)船:過(guò)去的電池推進(jìn)船多用鉛酸電池作為電力供應(yīng)源,然而其較低的能量密度和較長(zhǎng)的充電時(shí)間,與內(nèi)燃機(jī)船的性能相比較差,實(shí)用性很受限制。受到這些缺陷的制約,在歐洲各國(guó)鉛酸電池推進(jìn)船都只用于河川湖泊等靜水區(qū)域進(jìn)行短時(shí)航行。然而東京海洋大學(xué)在2010年5月開(kāi)發(fā)的電池推進(jìn)船“雷鳥(niǎo)I”號(hào)采用了目前世界最先進(jìn)的極速充電鋰電池,該技術(shù)首次用于船舶領(lǐng)域,具備較好的適應(yīng)性、安全性和便利性,很符合當(dāng)前及未來(lái)對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求。據(jù)了解,常規(guī)的鉛酸電池推進(jìn)船充電時(shí)間需要10小時(shí),而“雷鳥(niǎo)I”號(hào)充至80%電量只需30分鐘,克服了電池推進(jìn)船充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)這一缺點(diǎn),這是過(guò)去鉛酸電池推進(jìn)船無(wú)法做到的。由于使用了大功率鋰電池,從根本上大幅度提升了發(fā)電功率和電池容量,使其可在氣象、海況條件較為復(fù)雜的海域中航行。同時(shí),該船的噪音和振動(dòng)大幅減少,且沒(méi)有廢氣排放。另外,船上無(wú)需搭載燃油,一旦發(fā)生事故也不用擔(dān)心會(huì)造成燃油泄漏污染海洋。截至2013年5月,除“雷鳥(niǎo)I”號(hào)外,日本還建造了3艘鋰電池推進(jìn)船。其中2艘采用了民用鋰電池,屬于低壓型,無(wú)法進(jìn)行高速充電。第三艘則是試驗(yàn)性地導(dǎo)入了獨(dú)立開(kāi)發(fā)的高速充電系統(tǒng),于2011年4月首航后,目前尚在進(jìn)行各類船上實(shí)驗(yàn)。繼成功開(kāi)發(fā)“雷鳥(niǎo)I”號(hào)之后,東京海洋大學(xué)在又開(kāi)發(fā)建成了第二艘高速充電型鋰電池推進(jìn)船“雷鳥(niǎo)S”號(hào),該船是世界首艘“電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的噴水推進(jìn)船”。該船與“雷鳥(niǎo)I”號(hào)一樣,具有低噪音、低振動(dòng)、無(wú)排氣、高功率,充電時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn),并且由于采用了噴水推進(jìn)器,可在淺水域航行?；旌想娏ν七M(jìn)船:與上述相對(duì)的,那些需要大容量蓄電池的船舶,比如需要長(zhǎng)距離運(yùn)行的渡船、需要短時(shí)大功率運(yùn)轉(zhuǎn)的港口拖船等,采用原動(dòng)機(jī)和蓄電池組合的混合動(dòng)力型電池推進(jìn)船將是一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)的方案。圖4為關(guān)西電力與大阪市立大學(xué)共同開(kāi)發(fā)的一型混合動(dòng)力電池推進(jìn)船的試驗(yàn)船。該船從陸地向船上的蓄電池充電,隨后采用這些蓄電池中的電力配合船上的發(fā)電機(jī)所發(fā)的電量,一同提供主機(jī)的動(dòng)力源,使船舶運(yùn)行。常規(guī)柴油原動(dòng)機(jī)在額定功率下所發(fā)揮的能效最高,而在低負(fù)荷狀態(tài)時(shí)的能效較低,因此港口拖船可以采用其他的方案。即在常規(guī)航行狀態(tài)下采用功率最適合的原動(dòng)機(jī)作為主機(jī),在需要大功率的拖船狀態(tài)下,除了原本的主機(jī)外再加上以蓄電池為動(dòng)力源的大轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)配合使用,達(dá)到提高總能效的目的,成為一艘混合動(dòng)力船。MARPOL公約附則VI第三層級(jí)標(biāo)準(zhǔn)也許會(huì)導(dǎo)入十分嚴(yán)苛的NOX限制,對(duì)于擁有大規(guī)模港灣的海域,也許會(huì)為了減少NOX的排放,對(duì)船舶要求追加處理裝置的可能性。采用大功率原動(dòng)機(jī)會(huì)較方便安裝大容量的處理裝置。圖5是香港HongKongJockeyClub公司為了運(yùn)輸高爾夫球客而從2010年開(kāi)始使用的太陽(yáng)能發(fā)電混合電池推進(jìn)船。該船為澳大利亞SloarSailor公司所開(kāi)發(fā),與常規(guī)的只使用柴油機(jī)的同類船舶相比,可以減少50%的二氧化碳排放量。同公司的太陽(yáng)能渡船曾經(jīng)擔(dān)任上海世博會(huì)的客渡工作,具有串聯(lián)式油電混合動(dòng)力、并聯(lián)式油電混合動(dòng)力等各種方式,將具有足夠容量的蓄電池、太陽(yáng)能發(fā)電板和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組合,能夠很好地執(zhí)行通勤渡船的功能。圖6為德國(guó)建造的世界最大的太陽(yáng)能游艇“Turanor”號(hào)(31米×15米×1.55米,可供6人乘坐)。該船也是利用太陽(yáng)能發(fā)電來(lái)給蓄電池充電,自2010年開(kāi)始航行,目標(biāo)是繞世界一周,2011年10月該船到達(dá)東南亞地區(qū)?！癟uranor”號(hào)很好地展現(xiàn)了恰當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)結(jié)合大容量蓄電池,僅靠太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)航行的可能