船舶動力加快脫碳！為“新一代”船舶更換“綠心”

船舶動力系統相當于船舶的心臟，任何燃料上船后便進入船舶動力系統的管轄范圍。但替代燃料由于其不同于原油的特性，上船后與現有船舶動力系統產生了不適配現象。因此，行業各大公司開始了對適用于各替代燃料的船舶動力系統的研究，并陸續推出了各類“新一代”船舶動力系統相關技術和解決方案。近半年來更是呈現出百花齊放之勢，那么，在這場綠色競賽中，誰將拔得頭籌呢？

“新一代”船舶動力系統

船舶動力系統是為保證船舶正常營運而設置的動力設備，是為船舶提供各種能量和使用這些能量，以保證船舶正常航行，人員正常生活，完成各種作業。船舶動力系統是各種能量的產生、傳遞、消耗的全部機械、設備，它是船舶的重要組成部分。近來，行業陸續推出了多個針對替代燃料的船舶動力系統相關技術與解決方案，為行業減排提供了有利支撐。

雙燃料模式為燃料上船提供了更多選擇。MAN Energy Solutions公司在其發動機系列中新增了一種能燃燒甲醇的低速雙燃料發動機——MAN B&W G80ME-C10.5-LGIM版本發動機，擴大了船東對雙燃料發動機的選擇。該發動機還可選配廢氣再循環(EGR)，以確保符合氧化氮Tier III排放要求。新版本的發動機將有6缸、7缸、8缸和9缸等版本。此次發動機平臺的擴大將使MAN公司能應對中型集裝箱船以及超大型礦石運輸船和原油運輸船對甲醇燃料方案的日益增長需求。與MAN公司近期推出的其它雙燃料解決方案一樣，該方案也將適用于改裝現有的G80ME-C發動機。

替代燃料動力系統。隨著替代燃料應用的推進，專門用于替代燃料的動力系統也獲得了可喜成果。國際領先的動力系統解決方案提供商瓦錫蘭近日成功開發出用于甲醇燃料的供應系統MethanolPac。該系統與最近推出的Wartsila 32甲醇燃料發動機以及經過充分驗證的改裝和系統集成能力相結合，使瓦錫蘭能夠在廣泛的船舶領域提供甲醇燃料供應系統和動力系統。MethanolPac包括燃料供應系統的低壓和高壓部分，以及相關的控制和安全功能。這包括高壓甲醇燃油泵單元、低壓泵模塊、燃料閥組、燃料加注站和儲罐儀表。新造的Wartsila 32甲醇發動機結合了歷史悠久的甲醇燃料噴射技術—在2015 年首次為Stena Germanica 客滾船改裝瓦錫蘭Z40發動機而開發的，以及成熟的瓦錫蘭32 平臺的尖端控制和自動化系統。甲醇燃料噴射還可改裝應用于5000多臺正在使用常規燃料運行的瓦錫蘭32發動機中。而MethanolPac意味著這種改裝工作可以大大簡化，因為發動機和燃料供應系統由同一家供應商提供�；旌蟿恿ο到y多項技術的混合使用，將使得事半功倍。電力推進領域領導者英國防務集團(BAE Systems)公司與豪華游艇制造商Southern Wind公司簽約，將為一艘新造高性能超級游艇提供混合電力與推進系統——“新一代”電力推進系統HybriGen，包括一臺電機、2臺變速發電機、1套鋰離子能源存儲系統和可岸基充電的船舶輔助電力，這種領先的技術使用了更少、更輕、更緊湊的部件，提高了電力效率和船舶航程，增加了推進功率并且簡化了安裝。

“新一代”混合能源系統�？肆_地亞DIV集團旗下Brodosplit造船廠正在建造的“新一代”零排放客運帆船船首和船尾有兩臺垂直風力渦輪機，在船舶�？扛劭诤惋L帆下降時為其供電。光伏太陽能系統將安裝在船舶上層建筑的屋頂上。該船將使用源自完全可再生能源的電力和水，而且在獲取全部能源的過程中不會排放任何二氧化碳。因此，這艘船不僅100%“綠色”，而且幾乎沒有燃料和推進機械成本。這艘電動帆船與同類船舶的不同之處在于，她在航行時還能以非常復雜的方式為電池充電。除了風力渦輪機、水輪機和太陽能電池板系統外，該船還使用了可變螺距和特殊幾何形狀葉片的船舶螺旋槳系統，在航行時可用作水輪機。這種“可逆螺旋槳”將為下層的大功率電池充電。此外，船上的所有信息都將在駕駛臺上進行收集和控制。同時，船上的所有能源“回報”和“消耗”都受到監控。

“新一代”噴水推進系統，該設計不僅最大限度利用現有資源水，還使船舶可在消耗等量能源情況下動力大增。意大利企業菲亞特動力科技工業(FPT Industrial)和初創公司Sealence公司聯合開發了一種混合電力噴水推進系統，外形像一架噴氣式飛機引擎，為游艇和工作船提供了全新的、極具創新性的混合動力船舶推進系統的概念設計。該概念機型采用了菲亞特動力科技N67 570 EVO生物柴油發動機，并配有變速永磁發電機，可作為增程器來為電池組充電。這種新的混合電力系統設計具有效率最大化、靜音、應用模塊化和靈活性等優點，在相同數量的能源下，與一套螺旋槳系統相比，該系統能產生更多的推力和航速，消耗的能源則更少。同時，新系統屬于舷外系統，可直接安裝在船體下方，因此只需圍繞船體排布線纜，這意味著該系統的安裝不需要會限制靈活性的笨重機械連接和接口。由于不需要變速器和車橋，因此船上有更多的可用空間，使船廠有機會優化主機房布局、船舶設計和內部布局。

船舶動力減排路

經過多年的摸索與研究，回望來時路，船舶動力的減排之路并非平坦，而是經歷了一番曲折與變換。

對現有船舶動力系統進行升級改造。近年來，行業環保法規不斷推陳出新，速度之快前所未有，充分顯示了當下環保的緊迫性。面對快速收緊的環保法規，行業在探索實現終極減排目標的同時，也在想法應對最新法規。例如，國際海事組織(IMO)2020年生效的限硫法規，催生了脫硫塔的產生。與此同時，行業也開始著手LNG燃料在船舶上的應用，因此出現了不少船舶升級改造的訂單。此后，由于改造成本高昂，且因為該行業面臨一系列商業和技術風險因素，因此并未產生規模效應。這時，行業便開始了“為替代燃料而進行的改造投資是否值得”話題的思考與討論。

適用于低碳替代燃料的雙燃料動力系統。就在大家還在斟酌船舶改造投資是否值得的時候，行業環保進程再次向前推進一大步，增加了碳排放的關注。2018年4月，IMO通過了船舶溫室氣體減排初步戰略，該政策框架設定了階段性目標：到2050年，從事國際航行的船舶年溫室氣體排放量與2008年水平相比減少至少一半。除此之外，在21世紀要努力盡快逐步實現船舶溫室氣體零排放，到2030年將從事國際航行船舶的碳排放強度平均降低至少40%，并力求2050年的碳排放強度比2008年的水平降低70%。在綠色環保低碳成為全球幾乎所有行業未來發展的共識以及目標之后，相關領域的新技術和產品在實際生產應用中的推進顯著提速。初期，LNG燃料憑借其環保性能好、易獲取等優勢從眾多替代燃料中脫穎而出，此后LNG燃料船舶訂單呈指數級增長。如選用LNG作為船用燃料，其硫氧化物排放為零，溫室氣體排放可減少15%～20%，顆粒物減排高達80%。在實船應用層面，現有船舶可通過改裝實現LNG-柴油雙燃料主機應用，即在船舶現有柴油機的基礎上，加裝一套LNG供氣系統(LNG儲罐)和氣體處理系統，以及一些輔助系統，如通風、電子控制、安全和自控系統等。新造船舶則可在設計階段就開始考慮采用雙燃料發動機優化布置，空間利用和維護保養也就更加具有優勢。

LNG燃料的雙燃料應用，為后期其他替代燃料(如氨、氫、甲醇等)的船舶雙燃料應用打下了堅實基礎，包括替代燃料預留設計。2022年1月，大連理工大學隆武強教授團隊成功開發了我國首臺氨/柴油雙直噴二沖程內燃機原理樣機，實現了零碳燃料內燃機核心自主技術新突破，填補了我國在氨燃料低速機工程化應用的空白。該團隊介紹，采用液氨/柴油雙燃料缸內高壓直噴工作方式，具有氨燃料替代率高、污染物排放低、可以靈活切換燃料利用模式、滿足多場景需求等優點。針對氨燃料獨有的燃燒特性，通過自主研發的燃燒調控策略，成功解決了氨燃燒的難題。在內燃機運行全工況條件下，液氨替代率可達80%以上，有效降低了“碳排放”。除氨燃料燃燒關鍵技術外，預混合壓燃、快速混合燃燒等技術在該機型中均得到了成功應用。據了解該團隊還參加了由中船動力研究院有限公司牽頭的國家重大專項“船用低速機工程(一期)”項目，成功開發了國內首臺高替代率、高熱效率、低排放甲醇擴散燃燒的四沖程原理樣機及1E-150直流掃氣柴油機。

適用于零碳替代燃料的動力系統。航運業的終極減排目標是實現零碳，行業在尋找低碳替代燃料應用的同時，也在加大對于零碳替代燃料的研究與探索。近日青島雙瑞公司自主開發的船用甲醇燃料供應系統(LFSS)獲得船級社頒發的AiP證書，該系統具備甲醇燃料加注、儲存、供給、調壓、控溫功能，滿足LGIM發動機供給壓力、溫度的要求，適用于當前MAN-ES公司二沖程LGIM雙燃料發動機，并可為其他主機提供配套方案。國際領先的發動機制造商瓦錫蘭于近期交付了首個專門的甲醇燃料供應系統MethanolPac，與最新推出的Wärtsilä 32 甲醇發動機構成了船舶應用中甲醇的完整解決方案，使瓦錫蘭能夠在船舶領域提供具有甲醇能力的燃料和動力系統的解決方案。MethanolPac包括燃料供應系統的低壓和高壓部分，以及相關的控制和安全功能，包括：高壓甲醇燃料泵單元、低壓泵模塊、燃料閥組、加油站和油箱儀表。

船舶動力加快脫碳

由于各替代燃料都具有自身特性，導致現有的船舶動力系統無法滿足所有替代燃料的有效應用。稍有不慎，將會出現排異現象，嚴重的將導致船舶發動機出現故障甚至失靈。此外，由于各替代燃料所含元素不同，即便該替代燃料是清潔的，但使用過程中以及使用完成后所產生的“廢物”可能就無法滿足最新的環保法規了，那么就需要對其進行進一步的處理，例如廢氣后處理系統脫硫塔以及碳捕集與封存(CCS)的產生。然而面對這綠色轉型中的重重困難，全行業并未退縮，而是齊心協力攻堅克難，經過多年努力，終于迎來了喜人的階段性成果。

在環保監管日益縮緊的當下，選擇替代燃料的船舶的占比實現了逐年增長的態勢。據克拉克森研究數據顯示，2022年第一季度簽訂的新造船訂單中，以總噸計有61%的訂單為替代燃料動力。以總噸計，當前4.5%的船隊為替代燃料動力，是過去四年的總和。替代燃料將成為航運業實現最終減排目標的最佳選項也成為了行業的共識。按照燃料類型來看，當前手持訂單和今年一季度新簽訂單中的替代燃料動力船舶主要為LNG燃料船舶、LPG燃料船舶以及其他類型替代燃料船舶(包括甲醇、乙烷、生物燃料、氫以及電池)，其中LNG燃料船舶占比最高。

值得注意的是，從新簽訂單數據可以看出，船東明顯傾向于選擇可使用多種替代燃料或替代燃料預留的船舶設計，以備在未來的各種不確定性中擁有更多的可選擇方案。但即便如此，替代燃料船舶的訂單還是呈現出增長態勢�？死�克森研究表示，節能型船舶與非節能型相比在租金收益、資產價值等方面均有一定優勢。目前“現代”節能型船舶(使用電噴主機)以總噸計已達到27.7%。該比例在一年前為25.1%，在5年前僅為11.5%。預計到2023年，“現代”節能型船舶在船隊中的比例將上升至30%。預計2022年全球船隊燃料成本將上升至超過2,000億美元，市場對節能船型的需求將進一步上升，其租金溢價也將上漲。

目前，航運業的減排進程已經邁入零碳替代燃料的研究，針對零碳替代燃料(氫、氨、甲醇等)的動力系統，尤其是發動機方面還需要做哪些調整，中船動力集團首席專家吳朝暉曾在接受本刊采訪時表示：“氨或甲醇發動機相對于傳統燃料發動機，主要調整的是燃料供給、燃燒和排放控制及安全系統，這主要是由燃料的物化特性決定的。對于氨發動機如何實現穩定快速燃燒，以及如何降低NOx排放是需要關注的重點問題，甲醇發動機則是需要重點關注燃料替代率、爆震及非常規排放物如甲醛處理等問題；另外，針對氨、甲醇由于刺激性、毒性帶來的安全使用問題，也需要重點關注。”

如果你認為航運業的減排之路已行至正道，接下來便都是平坦大道，那么，你可能過早樂觀了。2021年6月，IMO通過了關鍵性短期措施，這些措施將技術方法與營運方法相結合，以提高船舶能效。其中最重要的是通過了兩項提案——所有船舶必須計算其現有船舶能效指數(EEXI)，5000總噸以上的船舶將建立其年度營運碳強度指標(CII)和碳強度評級機制。顯然，未來的路道阻且長，理應時刻保持危機感，以應對市場的瞬息萬變。