m6体育新能源船舶发展现状与趋势探讨docxPAGE PAGE 1 新能源船舶发展现状与趋势探讨 摘要 近年来，各国间的商贸活动日益频繁，海上运输已成为全球最主要的运输方式之一。现在新型冠状病毒的肆虐，更说明了海运的重要性。随着海上交通的迅速发展，船舶的吨位、数量也在迅速增长，来适应需求的增长。对传统的非再生能源如煤炭、石油等能源需求随之增加，使得能源逐渐枯竭，且燃烧产生的各类污染物对生态环境的健康也受到了威胁。为了使海洋经济与生态环境协调发展，对新能源的开发并应用于船舶进行探讨。针对此问题，全球发现了多种清洁高效且可再生的新型能源，随之研制出多种新能源船舶，结合现有能源船舶的优势和不足，比较这些新能源船舶的优点和缺点，结合分析新能源动力船舶的发展趋势，以求找到最适合未来发展的新能源船舶，实现可持续发展。研究结果显示，传统能源动力的船舶将逐步被各种新型能源供能、自动化、环保的船舶所取代。未来新能源动力船舶会是多样共同发展，根据船舶的用途应用在不同的船舶之上。减少污染和浪费，使环境更加美好。 关键词：新能源动力；船舶；前景；可持续发展  第1章绪论 1.1课题研究的目的和意义 在全球资源匮乏，环境污染日渐严重的今天，中国航运业所造成的环境污染问题慢慢受到了更多国家的关注。环保、智能、可持续是中国目前船舶技术发展的两个大方向。从温室气体排放量中可以看到，全球船舶工业目前大约占据了约3%的人工二氧化碳排放量，而大多数船舶动力系统仍在采用重油和柴油，这不仅给二氧化碳的排放带来了很巨大的压力，环境也受到了很大的破坏，以及对全世界日益紧张的矿物资源造成了相当大的负担。绿色、环保、可持续成为今后航运业和世界航运发展的必然趋势。可持续利用新能源和新能源船舶的研制刻不容缓。 1.2针对新能源船舶的政策和研究现状 为应对日益严峻的环境问题，国际标准化组织(ISO)和国际海事组织(IMO)等就智能、绿色、环保的新能源船展开了激烈的讨论，制订了一套新的标准和指导方针。我国是世界上最大的造船国之一，近几年来一直在大力推广节能减排技术。英国劳氏船级社(LR)、挪威船级社(DNVGL)等国际知名的船级社纷纷颁布了有关绿色、智能船舶的技术标准或指南，而挪威、芬兰、日本、韩国等世界上的造船业大国，也都在积极推动智能、绿色、环保的船舶开发与应用。中国船级社(CCS)于2015年12月颁布的《智能船舶规范》，将智能通信的六项职能：智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智慧智能货物管理、智能集成平台等，并对智能船舶入级的准入条件进行了规划；2018年12月，工信部、交通运输部、国防科工局等部门发布了《智能船舶发展行动计划(2019—2021年)》，其中明确提出，到2025年，智能化船占比达到50%以上，并基本建成以自主研发为主的具有自主知识产权的智能船舶技术体系。这是中国船舶智能化发展的一个重要里程碑。国家交通运输部和五大部委于2019年5月共同制定了《智能航运发展指导意见》，旨在促进我国智能船舶业的国际竞争力。新一代科技与工业的新产品——智能船舶，是当今世界航运发展的趋势，也是国际社会上关注的焦点。这就意味着，中国将在“互联网+”等新一代信息技术在设计制造过程的基础上，加速度从造船大国向造船强国大步迈进。新一轮的工业于产业变革推动了我国经济、社会各个领域的发展，新能源和新材料的出现为船舶工业提供了新的开拓空间，带来了前所未有的发展机遇。随着全球经济一体化的快速发展，国际间的交往和合作也越来越密切，在国际市场中形成了一种新的竞争格局。而船舶是国家主要的运输方式之一，它反映了一个国家的整体实力和国际竞争力M6米乐。《中国制造2025》提出了新能源高科技船舶的研制成为国家战略的重要方向之一，在工业转型的同时，要不断发展新能源船，与时俱进。本文通过对目前新能源船舶的应用现状的分析，并对其优点和不足进行了对比，并对其发展趋势进行预测，从而为新能源船舶的发展提供了一个整体的思路。 第2章当前船舶动力系统存在的问题 众所周知，汽车最重要的部件是发动机，而船舶的动力系统和传动系统也是如此，它包括主机系统(柴油机)、传动系统(轴承、齿轮箱、联轴节、离合)以及推进器(螺旋桨、全向推进驱动器、侧向推进器等)构成，是舰船上最重要的设备。动力装置在船舶装备中所占重量大约为35%，占全船舶总造价的20%左右。因此，船舶的动力系统是船舶的整体设计与建造中的一个关键环节。而随着科学技术的进步以及近代工业的不断发展，船舶动力技术也在飞速发展。舰船的动力系统包含有多种类型。当前，各类船舶的推进模式主要有4种： (1)蒸汽轮机推进装置：取代往复式蒸汽机，现在基本已被柴油机所取代，依靠热水的水蒸气带动涡轮进行运转，可靠性、机动性、操纵性和设备简化是蒸汽轮机的发展趋势。 (2)柴油机驱动装置：已代替往复式蒸汽机、蒸汽轮机，成为了船舶的主要动力，是发动机的主要部件。在各种船舶上得到了广泛的应用。 (3)燃气轮机动力装置：从上世纪五十年代起，被用作商业船只的主机来使用，但推广行一直不太顺利，目前主要用于军用燃气轮机推进系统。 (4)电力推进装置：二十世纪九十年代研制并应用于船舶领域，但因其自身的特点，在大型商业船只中的应用并不十分理想，目前主要用于小型商船和军用船只，与动力方式相比较，采用电力推进的船舶数量相对较少。 目前，全球的船用发动机95%以上都是船舶柴油机，它在节省能源、环境保护等方面存在很多缺陷： (l)对诸如柴油或重油等非再生能源的大量使用和消耗，导致了资源的过快消耗，地球资源带来很大的压力，并且很难把控运输的费用。在石油资源日渐枯竭的今天，寻找到一种新型的、环保的能源，以替代传统的非再生能源成为当务之急； (2)尽管航运部门对船舶用柴油机的排放进行了严格的控制，而且在循序渐进地改良下，表现优良的柴油机对大气的污染也有很大的改善。但是还有很多老式、效率低下的柴油机船，其中大部分都是上世纪60年代末至80年代早期建造的老式设备。随着我国经济建设的迅速发展，人们的生活水平不断提高，对能源的需求量也越来越大，对环境质量的要求也越来越高。这些老旧设备在试验过程中，排放与性能之间的性价比越来越低，小型内河柴油机船尤为严重，由于维护花销、维护技术、保养积极性等诸多原因的不合规，导致废气和废弃物排放更加严重，产生了大量的污染物，对大气和环境造成了污染。 (3)由于柴油机自身的构造和工作机理，柴油机的振动和噪声问题难以甚至不可能解决，从而严重影响到机组人员的工作质量和船员的生活水平。在此背景下，如何有效地减少船舶主机的工作噪声已经成为船舶所有者们关心的一个重要课题。随着人们对环境保护意识的增强，船舶柴油机的噪音治理技术在船舶上的应用受到了越来越多的关注。但是，尤其是很多小型的内河船舶，由于船体小，没有集控室，不能采取有效的预防噪声和震动的措施，导致发动机工作人员长期处于高噪声环境中，工作环境恶劣，造成了严重的听觉损伤。如此以来船舶对生态和人类自身带来的负面影响与当今日益趋向的可持续发展大环境背道而驰。 目前，欧洲、美国和日本等先进国家，在船舶动力装置的研究设计方面仍然处于世界领先和垄断地位。蒸汽轮机、锅炉、燃气轮机和电动推进装置也掌握在这些国家的公司手中。中国船舶工业发展相对滞后，与发达国家先进水平相比还有很大差距。但近几年，我国经济持续高速发展，对能源消费总需求量也在不断增加，然而技术还未转型。因此目前中国、韩国和日本等国成为生产和使用柴油发动机占比最大的几个国家。针对船舶柴油机在能源排放、型号、振动和噪音等各个方面的不足，根据《能源发展“十一五”规划》，“十二五”规划从我国能源消耗结构的角度，提出了增加可再生能源如天然气、核电、水电等可再生能源的比重。因此，在新型船舶动力系统中的推广和应用显得尤为重要。 第3章新能源在船舶上的应用 3.1风能动力在船舶的应用 在船舶上对风能的利用方式主要有两种：一种是风能(风帆辅助导航)，另一种是风力发电(由风力发电机发电)。风能是一种以风帆为主要动力主要或辅助性的能量，用以驱动船只的航行。风帆动力船早在我国商朝时期就已经发展起来，并在国内外长期得到广泛的应用，郑和七次下西洋更是借助风帆船使中国古代的船舶制造以及水路事业推向了；在全球航行的伟大探险中，风帆船也是人类探索新海洋和新的一个重要手段。谈到辅助动力，仅有几艘船舶还在使用风能技术。一架以风筝为动力的货船于2005年2月15日从德国汉堡穿越大西洋到达美国休斯顿。这只在空中飞舞的巨型风筝是由高强度、耐候性和超轻质人造纤维制造而成，能够承受强风。但因为存在着很多渠道风，无法有效的利用，使得该项风能推动技术无法大范围的推广使用。而且自从第一次工业和第二次工业之后，风帆由于动力不足、速度慢、稳定性差等因素，在蒸汽机、内燃机等技术的不断发展下，风帆也就渐渐被行业淘汰了。 风能发电是一种利用风力吹动涡轮机将风能转换成电力的技术。英国知名的船东邓恩，最近研制了一种新的风力涡轮机，经过了试验，目前已经投入运行。尽管风力发电行业发展很快，但是与之相关的配套设备建设相对滞后；同时，随着海上风电场项目规模的不断扩大，对风电机组的安装平台提出了更高的要求。这就制约了它的推广与应用。就是因为这些技术成本高、对空间的要求过大，不能适应船舶的使用，因而未被广泛采用。 3.2太阳能动力在船舶的应用 太阳能在电力中的应用有两种：光伏发电技术和光热发电技术。 (1)光伏发电的原理是：PN结在接触到光的照射下会发生光电效应，改变半导体内部的电荷分布，造成点位差，从而形成电动势和电流，其具有能源充足、转换质量好、技术难度低等优点。太阳能光伏技术在船舶上的应用还处在刚刚开始的阶段，尤其是船舶电力系统中的光伏系统设计、船舶离网发电系统配套等技术还有待进一步的研究。而且受环境影响光伏发电的稳定性还不够，现今的制造成本还很高，因此目前还不能大量应用。 (2)光热发电是另外一种发电方法，它利用太阳热能把水变成水蒸气的发电方式。该系统主要包括两部分：太阳能电池与蒸汽涡轮机，其中以蒸汽轮机作为能量转换装置，其结构简单，运行稳定可靠。该技术已经在海上平台和海上风力发电系统中得到了一定的应用。但是，这种方法所需的仪器数目太大，在狭窄的舱室里很难实现，因而限制了它的使用。 但是，开发太阳能动力船舶，特别是大型太阳能动力船，具有重要的意义。我们国家目前已经有条件进行这一计划。据悉，中国船舶工业总公司第708研究所和香港中大科技股份有限公司联合出资的“太阳一号”太阳能船于去年11月正式开始动工。然而，在工程实施前，有必要研究、解决、完善和细化某些关键技术：①太阳能船体结构的研究是整个船舶的技术，主要包括对船型的分析和论证、船型方案的论证和设计、船型的水力特性、太阳能发电系统的布置等。 ②开发高效的太阳能光电设备M6米乐。太阳能的能量密度非常低，因此，降低能耗与提高转换效率是光伏器件在太阳能船舶发展的关键。 ③大容量、高输出功率。为了使大型船舶能够进行全天候的太阳能航行，需要不断地提高能量存储设备的利用率，如果太阳能光伏装置的效率不足时，将会对船舶的正常运转造成很大的影响，储能装置的关键技术的应用非常重要。 ④在太阳能船舶储能装置中，燃料电池是最有希望的。因此，在今后的研究中，如何减小电池的体积，降低电池的重量、保持电能是燃料电池今后的发展趋势。 ⑤研究和发展太阳能的储氢技术：利用氢气作为燃料，利用氧气作为氧化剂，利用化学反应生成电能。现有的请其生产工艺主要有吸附法和电解法两种，但是它们的成本仍然很高。由于这些关键技术在短期内很难突破，因此大规模的推广不切合实际。 3.3波浪能在船舶动力上的应用 在水路运输领域，波浪能是一种资源十分丰富的能源，我国沿海地区的波浪能高达1.5亿千瓦，在船舶能源利用 方面有着得天独厚的优势。目前，水下波浪所产生的动能大部分被转化成机械能和电能，已被大量应用于海上大型非动力平台中。随着我国科学技术的进步和经济实力的日益增强，海洋能源开发也逐渐受到重视。近几年来，国内外的研究人员研制出了大量的高功率的水力发电装置，并积极寻求各种技术方案。然而，对船只的波浪应用仍然存在很多局限性： (1)尽管海浪能蕴藏量极为丰富，但由于其能量密度较低，且所需的能源转化装置过于庞大，不适合安装于小型船舶，因此限制了其在航行船只上的应用。 (2)波浪能源使用的工作要求通过与水面接触来转换能量，这无疑会增大船舶的航行阻力。为了这一问题，人们提出了一种利用船尾处产生的压力波来吸收和转化波浪中的动能，并将其转化为电能的一种新的结构形式，即尾舵式波浪能发电，但目前为止，这种方法的效果并不理想，因为它的波浪能利用率仍然很低。(3)波浪能设备的体积和重量会对船舶自身的稳定及承载状况产生一定的影响，因此，在进行船舶结构改造时，必须对其安全性进行进一步的研究。这无疑是在增加成本。 所以，不能将波浪能直接用作船舶航行的主要动力。 3.4新型动力电池在船舶上的应用 目前，新型动力电池系统主要分为两大类：一是锂电池，二是燃料电池。 (1)锂离子电池动力船，也就是全电动船舶，它具有零排放、无噪音、高效、节能等特点。目前，纯电动船舶的经营和市场建造推广主要集中在欧洲等发达国家和地区，其发展趋势与环保意识、环保法规和环保技术水平息息相关。杭州船舶设计研究院院长黄佳林说，在船舶电力系统组网技术、电力推进技术、大功率电力并网技术等核心技术领域，锂离子电池储能系统实现了重大突破。 近几年来，中国研制和生产了一种高能量密度、高电池容量，多周期使用的锂离子电池，广泛地应用在电动汽车行业。目前，中国已经是世界上最大的锂电池制造国和消费市场。中国的锂离子电池行业，由于技术的发展和市场需求的日益增长，正处于快速的转型和升级阶段。中国已成为全球真正意义上的电池生产大国。中国公司占到了2017年的世界前十大电池厂商中的七个，我认为中国在世界范围内将会成为世界上最具影响力的国家。 国家早在数年前就已将纯电船舶发展纳入了《船舶配套产业能力提升行动计划(2016-2020)》、《船舶工业深化结构调整加快转型升级行动计划(2016-2020年)》。国家交通运输部随后发布了一份通知，要求“加快发展纯电动力货轮，使纯电力货运船舶可以在岸边进行安全的充电，快速的充电”。因此，与世界各国相比，我国的纯电动船舶技术发展的速度非常快，已经走在了世界前列，给国内船舶工业注入了一丝生机。此外，从19年起，还有多艘真正意义上的船舶在沿江运营：世界上第一艘2000吨级纯电动散货船“河豚”于2019年1月由广船国际率先交付，中国在全球范围内填补了同吨位级双电动力散货船市场的空白；同年5月，中国武昌首艘纯电驱动航道快艇“长江航道电001”下水;10月，中国首艘京杭运河千吨级纯电动运输船“中天电运001”由苏金洋造船有限公司建造并通过验收后下水；11月，中船712所将中国第一艘全电力客轮“君旅号”交付。这样的开端，不但填补了纯电动船舶在国内市场的空白，而且推动了世界范围内的纯电动船舶的发展。 到目前为止，世界上已经有155条纯电力船舶投入运行和建造，而国内只有20多条。是什么使得大规模推广纯电动船如此困难？在我看来，要实现大范围的推广，必须克服以下几个障碍：标准不统一、充电设备建设不完善、电网供电能力有限、技术和成本制约难、商业化模式不明确。即便以上问题已经得到了解答，但是像“河豚”号这样的搭载重达26吨的电池，但其续航里程仅有80公里，能源利用率极低，难以满足长途运输的需要。这也是目前纯电动船舶向远洋航行的一大瓶颈。此外，由于电动船的动力、使用的能源、推进系统与常规的蒸汽发动机内燃发动机的结构有很大的不同，因此，电动船的动力系统并不是单纯的更换发动机而已，这无疑会加大造船的费用，从而导致电动船的发展速度变慢，因此在电动化方面M6米乐，还有许多技术难题需要解决。 不过值得庆幸的是，随着储能装置的成本不断下降，尤其是磷酸铁锂动力电池管理系统的体系日趋完善，国产船舶的纯电动化将不可避免，不仅局限于在广东、浙江、江苏、辽宁等航运发达的区域，而且还会带来更大的经济效益和实用性。尤其是广东省正在加速开发电动核心旅游渡船研制工作，并且已经有了一些成果，可以从小型船只中获得更多的经验，好向着大型船舶靠近，并且投入了大量的人力、物力和财力来支持纯电动船的发展，而且相关的政府机关部门也都相继推出明文支持电动船舶，进行研发上的大力补贴。 (2)燃料电池是利用甲烷、乙醇等含氢的燃料燃烧，将其转化为电能，作为最理想的清洁能源被人们认可。在科技进步的同时，氢能车辆也进入到了试验阶段，其使用范围也在不断扩大。在发达国家，氢能动力已经应用在了汽车之上并进行了一定范围的推广。其实，不仅仅是汽车，国外早在十多年前就已经有了关于氢动力船舶的概念设计，现在也有一些试验计划来检验氢动力船的可行性。氢气是由某种方式从来源制造而成的，不依靠非再生的矿物燃料，并且是一种储量丰富的可再生能源。它的主要优势是：具有较高的热值、不会产生的危险或有害的气体。氢燃料电池技术已经被认为是解决人类未来能源危机的终极解决方案。 目前我国的燃料电池技术已经取得了初步的突破，但燃料电池产业化技术上还有待于进一步的改进和提升，使其更加成熟。燃料电池寿命很长，且维护保养需求低。这样，就可以通过提高使用寿命和减少维护成本来达到减少费用的目的。当前，世界范围内主要国家纷纷出台了促进和推广氢能的法律法规。在这些政策中，最主要的一个就是船舶领域。挪威船级社在2018年1月颁布了船载氢气的首批规则，这一法规参考了具有长期氢气使用历史行业规范标准。氢气在陆地上已经得到了大量的应用，如何建设具有失效保护的燃料电池电站并将其应用于船舶，成为氢燃料在船舶领域中应用的最终目的。 氢气的储存一直是氢能源在船上应用最大的问题，因为氢气的液化温度为-253℃，如果想要将氢气液化储存不仅存在技术难点，而且对液化罐安全的要求也更高。氢气除了作为燃料，作为碳排放的中性替代方案也极具意义，它基本规避了船舶业需要解决的碳排放问题。 目前使用最多的是质子PEMFC(交换膜燃料电池)和SOFC(固体氧化物燃料电池)。 PEMFC面临的技术瓶颈是贵金属催化剂和纯氢燃料。目前，采用新的催化剂结构和材料来提高能量转换效率。 由于SOFC技术上没有明显的缺点，但还是需要解决其热膨胀的匹配问题，改进其结构，使其有很大的发展空间。 目前，在功率比、环保等方面，燃料电池与船舶柴油发电组的性能相近。但一组燃料电池装置的成本很高，只能用于某些具有高附加值的船舶。但也有许多问题有待于进一步的研究，例如怎样缩小损失、效率如何提高、材料质量如何平衡、工艺如何改进、稳定性如何加强、成本如何压缩、电能质量如何提高等。因此目前来说，燃料电池技术还不能完全替代船舶用柴油发动机。还没有成功，同志们还需要继续奋斗。 3.5LPG与LNG燃料在船舶动力上的应用 早期的LPG发动机主要使用的是通过“油改气”改造而来的汽油机，大部分用于汽车，它的主要好处是在不改变内燃机结构的前提下，将所用的燃料从化石燃料转变成液化石油气。经过改造的LPG(液化石油气)船舶已经在我国，如广东肇庆星湖、广西桂林漓江等内河内湖和南方、北方的许多旅游区投入使用。在船舶领域，LPG动力装置的设计思想是对LPG汽车行业成熟技术的借鉴。2002年，国家经济贸易委员会颁布了

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