綠色船舶開發(fā)技術(shù)與船舶工業(yè)的核心競爭力

綠色船舶科技開展

與我國船舶工業(yè)的核心競爭力陳映秋2021年12月2日、武漢內(nèi)容1、國際航運節(jié)能減排的新局面

與我國政府應(yīng)對新政1〕國際航運節(jié)能減排的新局面2〕我國政府應(yīng)對新政1〕國際航運節(jié)能減排的新局面ECA在主要航線上布局——新的節(jié)能減排要求40%oftheworldfleet香港采用低硫油2021北極ECA全球船舶主要航線與容量及ECA的分布ECA航運環(huán)保問題已經(jīng)列入國家環(huán)保重點方案

自2021年起，航行我國水域的船舶空氣污染排放納入到我國總量控制范圍，將會下達(dá)減排指標(biāo)，強行推行減排。2021年起，相關(guān)的新船發(fā)動機排放標(biāo)準(zhǔn)強制實施，對現(xiàn)有船舶將出臺市場準(zhǔn)入排放標(biāo)準(zhǔn)，制定更為嚴(yán)格的沿海與內(nèi)河船舶燃油限制值。另外香港2021年成為ECA區(qū)將促使大陸考慮設(shè)立相應(yīng)的ECA區(qū)〔2021年〕。

這一切使得中國船舶工業(yè)的適應(yīng)性開展將帶來巨大的挑戰(zhàn)與機遇，要求在LNG燃料動力船方面對前面已經(jīng)取得成績之上重新考慮市場競爭問題，如考慮巴拿馬運河2021年開通、北極通航、世界物流革命的根底上，加強LNG動力在油船、散貨船、集裝箱船方面的應(yīng)用研發(fā)。經(jīng)濟(jì)危機〔油價變化〕與船舶大型化歷程第一次船舶大型化第一次船舶大型化集裝箱運輸模式在開展油船大型化受到重創(chuàng)散貨運輸開展第二次船舶大型化第二次船舶大型化集裝箱運輸模式成熟油船大型化理性礦砂運輸開展船舶大型化趨勢繼續(xù)11月29日，66.15美元/桶，跌勢未能止住紐約油價調(diào)整期USD/桶（高位）USD/桶（低位）跌幅6個月后會彈比率2008/7-2009/3147.2733.20-78%35%2011/5-2011/10114.8374.95-35%88%2012/3-2012/6110.5577.28-30%70%2014/6-2014/12107.6866.15-40%???影響集裝箱船大型化的因素影響因素內(nèi)容概要環(huán)境（航道/港口）受到航道、港內(nèi)水域、錨地水深限制，16.5m吃水的集裝箱船需要19m水深，目前全球僅有少量港口可接納超大型集裝箱船，歐洲、遠(yuǎn)東港口比美洲港口條件略好，Airdraft對船舶的水面高度進(jìn)行限制，高達(dá)61.5m的水面高度過不了紐約的Bayonne橋物流形式涉及到轉(zhuǎn)運港的裝卸機械能力，需考慮外伸距離與集裝箱層數(shù)，超過300m長的船舶需要5-6部裝卸機同時在1小時內(nèi)進(jìn)行120-150個箱子作業(yè)，9000TEU船需要進(jìn)行18列箱寬、高17層箱的作業(yè)；需要Hub-Spoke網(wǎng)的布局（限制PortofCall），18000TEU需要24列集裝箱寬度的裝卸機械技術(shù)能力推進(jìn)系統(tǒng)能力限制了船舶尺度增加，本世紀(jì)初，在超過8500TEU/25Kn（經(jīng)濟(jì)危機前的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）的集裝箱船上需要2臺主機（不是船東所愿），直到今天，更強的機型被研發(fā)出來，船舶能力立刻發(fā)展到10000TEU以上，機器長度將影響到機艙設(shè)計，另外，槳的設(shè)計也頗費周折。當(dāng)采取雙機技術(shù)方案（具有冗余、可根據(jù)裝載情況靈活使用功率）使得船舶能力可以達(dá)到15000-18000TEU，維護(hù)環(huán)節(jié)復(fù)雜性，由于目前國際物流鏈的速度降低，中海集團(tuán)在訂購18000TEU船時，改為了單機；日本三井MOLConfort事故表明船舶大型化在材料、建造技術(shù)上尚有問題經(jīng)濟(jì)因素盡管18000TEU船舶費用高昂（1.3-1.8億美元），從Maesk的研究來看，要滿足在21kn航速時達(dá)到節(jié)能37%的目標(biāo)，單箱減少CO250%的指標(biāo)，只有采用大船，在投資、運營、燃料費中尋求較優(yōu)方案。在6000TEU以下時，每1000TEU的投資下降很小，即使在18000TEU船的投入上也只比6000TEU有5%的單位投資收益；在包括人員、管理、維護(hù)、保險等費用在內(nèi)的運營成本中，前2項與6000TEU船差別很小，后2項則可能增加；在25kn航速下，每增加1000TEU，每日增加油耗31.8噸，似乎在燃油也沒有油水可撈，然而，在“門對門”的整個物流鏈中，在大船日常費用比常規(guī)船1/4略低（約23%），集裝箱費用（包括維護(hù)費18%）；港口費（大船拖輪費增加21%，縮短在港時間）；內(nèi)陸運輸（25%），其他（13%）5類費用中，,大船提高運營效率可獲單箱費用（SlotCost）降低；因此大船（13000TEU以上）只能在主要物流線（East-Westroutes）上停靠4個MegaHub港（PortofCall）：如東南亞、地中海西、加勒比、中美西部。250-6000TEU作為支線船舶使用，這是大船省費用的主要理由主管當(dāng)局政策節(jié)能減排環(huán)保的愈來愈嚴(yán)格小結(jié)2〕我國政府應(yīng)對新政

〔1〕航運強國的未來模式2021年世界航運物流模式(西歐為中心)Bi-directional2030年航運物流模式

(以中國為中心)

hubandSpoke

到2030年，集裝箱運輸極大增長在中東與遠(yuǎn)東，印度洋和亞太成為全球集裝箱的貿(mào)易中心，在遠(yuǎn)東與拉丁美洲的集裝箱運輸也有極大的增長中國船隊的增長由2021年占世界15%(1.5億DWT〕到2030年的24%交通運輸部即將出臺促進(jìn)郵輪運輸開展的指導(dǎo)意見，進(jìn)行上海、福建、天津、海南油輪試點示范，推進(jìn)中資油輪與五星旗郵輪的開展(2)海運業(yè)已經(jīng)列為我國經(jīng)濟(jì)社會開展

重要的根底產(chǎn)業(yè)1〕燃料革命——LNG與物流革命

將淘汰人類在50年間形成的優(yōu)秀船型——重新洗牌SaferGreener&MoreEffective國際航運物流變化

各種聯(lián)盟新變化集裝箱運輸聯(lián)盟發(fā)生重大改組原因以規(guī)模求降低本錢低碳經(jīng)濟(jì)結(jié)果大型化繼續(xù),且愈演愈烈〔2021年有40艘超大型集裝箱船投入營運〕G6-19000-22000TEU集裝箱船M2正在訂購6艘19000TEU船Maersk–SealandGrandalliance〔NYK,OOCL〕NewWorldalliance〔Hyundai，APL〕Unitedalliance〔Hanjin，CKY〕AmericanPresidentLinesHapagLloydHyundaiMerchantMarineMitsuiNipponOOCLP3G6MaerskLineMSCCMACGM2021年以前2021MaerskLineMSCM2近50%27.5%航運界必須跟上世界經(jīng)濟(jì)與中國開展的步伐1、氣候變化與燃料革命清潔能源〔平安問題〕風(fēng)——固體——液體——燃?xì)狻旌蟿恿四軇恿θ剂想姵?、北極航行與資源開發(fā)〔2021、6、5〕中遠(yuǎn)815-910試航非條件設(shè)計——氣象變化規(guī)律、水深、地貌、海圖〔高緯60覆蓋10%〕3、低碳經(jīng)濟(jì)船舶大型化非均勻流極限載荷與水彈性下結(jié)構(gòu)設(shè)計高強度鋼利用/屈曲與工藝災(zāi)害風(fēng)險CO2減少30%LNG燃料采用〔30%的ECA航程〕燃料〔LNG〕革命將淘汰人類在50年間形成的優(yōu)秀船型——導(dǎo)致船舶研發(fā)重新洗牌地標(biāo)港口地標(biāo)港口Tier1ASingapore*BRotterdam*CFujairah*DHongKongEAlgeciras*FBusanGSanFranciscoHLosAngelesINewYork*JPanamaCanal–CristobalKPanamaCanal/BalboaLHouston*MGothenburg*NPiraeus*OSuezCanal/PortSaidPShanghai*QZeebrugge*RSouthampton*STokyoBay/YokohamaTier2TVancouver*ULasPalmasVNyn鋝hamn*WKochi(Cochin)XGladstoneYSydney未來全球LNG供給港口分布圖

K〔PanamaCanal/Balboa〕與J〔PanamaCanal–Cristobal〕重合〔1〕LNG作為航運燃料與LNG加注過程沒有被列入IMO的公約與標(biāo)準(zhǔn)中〔ISO〕?！?〕關(guān)于LNG的加注的國際規(guī)那么框架，ISO只能在未來的共同標(biāo)準(zhǔn)與法律范圍內(nèi)考慮〔ISO標(biāo)準(zhǔn)〕；〔3〕加注過程與責(zé)任的定義沒有包括在ISO/TC67/WG10中，在正在起草的IGFCode中，也僅是船對船的LNG加注，是不全面的〔IMO、ISO〕。〔4〕LNG作為貨物與作為燃料區(qū)別的概念模糊〔ISO〕?！?〕LNG燃料艙的連接與斷開過程沒有寫入正在起草的IGFCode中與ISO/TC/67/WG10中〔IMO、ISO〕?！?〕國家層面的法規(guī)缺乏，約束了采用當(dāng)前最好實踐經(jīng)驗的適合小型LNG加注站的指導(dǎo)性文件/標(biāo)準(zhǔn)的制定。〔7〕缺乏港口關(guān)于LNG加注過程的共同指導(dǎo)性文件。〔8〕缺乏LNG運輸與燃料動力船的船員培訓(xùn)要求?！?〕缺乏LNG作為航運燃料標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定?！?0〕缺乏LNG作為燃料時對硫成分測量的標(biāo)準(zhǔn)/指導(dǎo)性文〔11〕缺乏LNG作為燃料的平安抽樣標(biāo)準(zhǔn)?！?2〕缺乏在LNG供給裝置與LNG受注船之間的通信與過程監(jiān)控〔包括應(yīng)急關(guān)閉〔ESD〕〕設(shè)備規(guī)格化的標(biāo)準(zhǔn)?！?3〕缺乏用于氣體測量的規(guī)程與設(shè)備?！?4〕應(yīng)該制定操作指導(dǎo)性文件減少與甲烷〔methane〕排放有關(guān)對環(huán)境的負(fù)面影響。

極地可能儲藏的油氣占全球的1/4，其他稀有金屬、海洋資源、漁業(yè)資源儲量也極大，愈來愈顯現(xiàn)出其商業(yè)價值冰區(qū)船舶性能試驗技術(shù)拖曳冰池設(shè)計論證操縱性冰池設(shè)計論證冰水池測試技術(shù)冰區(qū)船性能預(yù)報技術(shù)設(shè)計方案冰力學(xué)試驗室設(shè)計論證模型冰制作及力學(xué)性能測試技術(shù)冰載荷測試技術(shù)冰區(qū)船快速性測試技術(shù)冰區(qū)船操縱性測試技術(shù)冰區(qū)船推進(jìn)器性能測試技術(shù)冰區(qū)船航速預(yù)報技術(shù)冰區(qū)船破冰能力預(yù)報技術(shù)冰區(qū)船操縱性預(yù)報技術(shù)冰區(qū)船推進(jìn)器性能預(yù)報技術(shù)冰區(qū)船結(jié)構(gòu)性能預(yù)報技術(shù)冰水池設(shè)計論證試驗方法試驗規(guī)程預(yù)報方法冰區(qū)海工裝備試驗技術(shù)冰載荷預(yù)報技術(shù)冰區(qū)船舶總體設(shè)計技術(shù)船型設(shè)計技術(shù)推進(jìn)器設(shè)計技術(shù)冰區(qū)船舶設(shè)計技術(shù)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)低溫材料應(yīng)用技術(shù)低溫甲板設(shè)備與防凍技術(shù)減振降噪設(shè)計技術(shù)極地通導(dǎo)技術(shù)IMO公約與規(guī)范極地通航環(huán)境條件分析極地環(huán)保與GHGISO及國家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)急對策破冰船概念設(shè)計方案破冰與抗冰能力設(shè)計技術(shù)動力與設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范低溫環(huán)境動力系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)操縱性設(shè)計技術(shù)冰區(qū)集裝箱船（4000TEU）概念設(shè)計方案冰區(qū)油船（AFRAMAX）概念設(shè)計方案冰區(qū)散貨船(巴拿馬型)概念設(shè)計方案設(shè)計方法風(fēng)險分析標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范兩條航線東北航道由西向東：北海、俄羅斯北極沿岸、北冰洋巴倫支海、喀拉海、拉普捷夫海、新西伯利亞海、楚科奇海、白令海峽在俄羅斯北部沿岸2800km稱為北部航道——視為“國內(nèi)〞航線通航船舶急劇增長西北航道由東向西：白令海峽、美國阿拉斯加北部海域、戴維斯海峽、加拿大北極群島、波弗特海通航船舶逐年增加〔小船居多〕年份2006200720082009201020112012通航艘數(shù)1119202021典型的北極航線〔夏秋之交〕ToChina1–YugorskyStrait2–KaraStrait3–CapeZhelaniya4–VilkitskyStrait5–ArcticCape6–DmitryLaptevStrait7–SannikovStrait8–northoftheNewSiberianIslands9–DeLongStrait10–BeringStrait作業(yè)環(huán)境和條件低溫下的船體與設(shè)備的維護(hù)問題？低溫下與冰脊環(huán)境下的船體強度問題？例：船冰數(shù)學(xué)模型必須依靠冰水池模型試驗建立船舶運動；冰特性、冰材料非線性；斷裂與接觸力學(xué)行為；船舶冰載荷冰水池模型試驗與仿真分析冰水池的工作內(nèi)容冰的特性冰失效過程與力學(xué)特征冰船交互模型驗證冰載荷確實定分析工作需要數(shù)值仿真進(jìn)行佐證比較實船與模型試驗的結(jié)果研究其聯(lián)系參數(shù)采用大數(shù)據(jù)理論解決〔實船/模型〕缺乏試驗資料的難題傳統(tǒng)的冰的理論模型需要壓縮/彎曲強度的證明新的模型需要更多的冰特性資料冰的剪切強度冰脊內(nèi)冰粒粘結(jié)強度后面四項需要附加的水池試驗驗證，構(gòu)成了一個“test-analysis〞循環(huán)過程IACS、FSICR、CLASSRules的聯(lián)系與區(qū)別IACS北極水域常年航行〔多年冰〕北極水域夏季航行〔1年冰〕FSICR北極水域夏季航行〔1年冰〕效勞有限狀態(tài)水平〔冰帶區(qū)域〕CLASSRules標(biāo)準(zhǔn)引入了FSICR，不能覆蓋多年冰情況缺乏非條件設(shè)計思維冰規(guī)范冰載荷板失效的有限狀態(tài)骨材失效的有限狀態(tài)FSICR時常發(fā)生的載荷小變形發(fā)生彎曲下微小變形IACSPC極端載荷塑性破壞在彎曲、剪切作用下坍塌IACS、FSICR區(qū)別船級社的極地船舶標(biāo)準(zhǔn)開展與航運公司責(zé)任極地船舶的概念設(shè)計過程

——不定性與要求有限操作功能的聯(lián)系方法值得關(guān)注，可能成為船舶節(jié)能減排主流方向值得關(guān)注，可能成為船舶減排主流方向經(jīng)濟(jì)賬要算？？風(fēng)能煤石油石油/天然氣/風(fēng)能天然氣/風(fēng)能風(fēng)能時代石化能源時代石化能源/可再生能源混合時代風(fēng)帆技術(shù)示范應(yīng)用開發(fā)研究方向總布置及航行性能研究風(fēng)洞水池試驗技術(shù)研究推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究控制策略及系統(tǒng)開發(fā)工程樣機與試驗技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究實船安裝工藝精度控制節(jié)能指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)性分析實船驗證技術(shù)研究日本2021年船舶設(shè)計方案180kDWTBC日本-西雅圖目標(biāo)節(jié)能25%5.3年回收本錢主持：東京大學(xué)參加：NYK、MOL、KLINE、OshimaShipyard、Tadano、ClassNK各種風(fēng)帆效果比較圖Generation1Generation2Generation3Generation4附加慣性模型精品船型溫室氣體（GHG）有毒氣體能效指數(shù)IMOMEPC203（62）CO2(%)NOx(%)SOx(%)EEDI(%)中X值40萬噸級礦砂船20滿足公約1520萬噸級散貨船20滿足公約1511萬噸級散貨船20滿足公約209.3萬噸級散貨船20滿足公約2032萬噸級原油船20滿足公約1516萬噸級原油船20滿足公約155萬噸級成品油船20滿足公約2011萬噸級成品油船20滿足公約204600箱級集裝箱船20滿足公約20設(shè)計階段經(jīng)濟(jì)性分析主要參數(shù)（theprincipalparametersusedineconomicsanalysisatdesignstages）

1.貨物載荷（Cargopayload）12.其它每天成本（Otherdailyrunningcosts）*2.船舶成本（Shipcost）

13.燃料類型（Bunkeringpattern）

3.航速（Speed）

14.燃料（油）價格（Fuelprice）**4.在海上與港口燃油消耗量（Fuelconsumptionatseaandinports）15.港口費（Portcharges）**5.續(xù)航力（Roundtripdistance）

16.運價（Freightrate）*6.貨物裝載率（Cargohandlingrate）*17.貨物裝卸費（Cargohandlingcharges）**7.靠港數(shù)量（Numberofportsofcall）*18.貼現(xiàn)率（Discountrate）*8.年航行天數(shù)（Servicedaysperyear）*19.折舊政策（Depreciationpolicies）*9.船舶使用壽命（Ship'slife）*20.信貸方式（Creditfacilities）*10.船員成本（Crewcosts）*21.補貼政策（Subsidies）*11.物流形式（Logisticspattern）*22.成本與貨運的擴(kuò)充（Escalationofcostsandfreights）**（1）（2）（3）序號最低能效需求營運優(yōu)化能效產(chǎn)品選用1最低能效設(shè)計船隊優(yōu)化配置高效主機選擇2艙容優(yōu)化適當(dāng)減速機械優(yōu)化配置（如電推）3空船重量優(yōu)化優(yōu)化航程（線）廢熱利用（WHR）產(chǎn)品4高效設(shè)備最優(yōu)（阻力最小）縱傾清潔能源產(chǎn)品（如LNG）5提高裝載能力風(fēng)、波的利用風(fēng)能產(chǎn)品6降低船體（包括附體）阻力綜合實時監(jiān)控太陽能產(chǎn)品7提高推進(jìn)效率能源再循環(huán)利用可再生能源產(chǎn)品……最終目標(biāo)具有時代特點的節(jié)能減排環(huán)保船舶——這也是綠色船舶的定義更經(jīng)濟(jì)更環(huán)保更節(jié)能更智能集裝箱船大型化對單箱費用減少的經(jīng)濟(jì)因素1、不是因為大船規(guī)模造成SlotCost下降；2、其關(guān)鍵因素是提高大船的航運率，PortofCall數(shù)量少、減少了港口費用、壓縮了航行天數(shù)3、因為載箱量大，可以供選擇范圍大，受到大物流中心青睞分析對象為FEA-EUR與FEA-US航線上的超大型集裝箱船右圖中計算是以14000TEU集裝箱船的單箱本錢作為分析根底與“經(jīng)濟(jì)〞船型〔3E〕相關(guān)的參數(shù)設(shè)計階段經(jīng)濟(jì)性分析主要參數(shù)（theprincipalparametersusedineconomicsanalysisatdesignstages）

1.貨物