imo的船舶推进效率与电力推进系统

imo的船舶推进效率与电力推进系统

国际海运是对世界经济的主要因素之一。为此,IMO在2011年7月对新造船舶的单位运输能力对应的温室气体排放量进行了规定,通过了MARPOL公约附则VI的修改案并在2013年开始实行。MARPOL公约本身是以大型船舶为对象,但是对小型船舶的温室气体排放量的控制也是必须的。欧美国家湖泊区域较多,它们禁止采用内燃主机的船舶,而推行电池推进船的使用。同时,船舶主机在运转时所排放的NOX、SOX等物质对包含停靠港口区域在内的沿岸海域大气造成污染。为了减少NOX等的排放,对船舶主机必须要有相应的解决办法。MARPOL公约附则VI制定了一个阶梯式的规则,在2000年1月以后建造船舶所搭载的功率在130kW以上的主机适用第一层级的要求(公约在2005年5月生效),2011年1月之后建造的船舶适用第二层级的要求(比第一层级标准严格15%~22%)。并且,IMO原本预计将从2016年开始导入针对ECA海域的第三层级的要求,将比第一层级严格70%,实施的时间将与全球技术开发进展情况挂钩,不过在2013年5月13~17日召开的IMO第65次海上环境保护委员会会议上通过了推迟5年实施的决议。减少船舶温室气体和NOX排放,解决方案之一就是采用电力推进系统。电力推进系统本身如果只看推进发动机的效率和变流器变换效率的话,与现有推进系统相比效率偏低,但是采用电力推进系统后,主机室的配置自由度将变得很高,还可采用多样的能源,船舶总体的推进效率是提升的,能效的提高会减少温室气体排放量。根据以上这种观点,日本国土交通省联合铁道运输机构、海上技术安全研究所等团体共同成立了超级环保船(SES)实用化和普及推广计划。针对内河油船、货船以及渡船等,它们船体较小,大型的设备都要设置在船尾,对船型优化设计有较大的妨碍。为此SES通过海上试运转验证结果表明,如果采用电力推进来改良船型,并且通过安装对转螺旋桨等提高推进效率的设备,与现有同尺度的船型相比,温室气体排放量可以减少约两成,NOX排放量可以减少四成。对于大型的远洋船舶,主机室与船体相比占地容积较小,导入电力推进系统对改善船型效果不大。为此较为合适的方案是以船内微型电网系统(可将陆地供电和太阳能发电综合加以最佳利用的系统)为核心,开发混合电力推进系统。这是国土交通省旗下的技术开发支援项目“海洋环境倡议”的一部分,该项计划联合日本邮船、川崎重工和日本海事协会共同实施,旨在减少30%的温室气体排放量。具体措施是通过新型蓄电池和电力转换装置,与船用柴油发电机组合成为新的混合推进系统,将陆地发电以及太阳能发电所得的电力储存在蓄电池中,将它们作为船内电力使用,优化船用柴油发电机的运转效率。这套系统在日美航线的汽车运输船上可以节省2%的燃油耗量。当然这样的系统要投入实用,价格低廉且高效的大容量蓄电池以及控制系统的开发是必不可少的。常用来作为电力推进系统的电池主要有燃料电池、超级电容器、动力电池三种。燃料电池能量转化效率高,不污染环境,寿命长。但是受技术条件限制,单体功率比较小,造价昂贵,并且氢的制造、运输及储存等配套技术尚未成熟,其应用以军用舰艇为主,民用船舶尚停留在尝试阶段,难以推广应用。超级电容器有充电时间短、循环使用寿命长、使用温度范围大、能量回收效率高等特点,但由于其本身比能量低的特性,极大地制约了其续航能力的提高。动力电池技术日趋成熟,常用的种类有镍镉、镍氢、密封铅酸和锂离子。当前第三代锂离子电池具有能量密度高,安全性、可靠性和经济性好的优点,是小型电力推进船较为适合的动力源。虽然目前锂离子动力电池价格较贵,但随着制造技术的提高和应用领域的扩展,其应用成本将会快速下降。上述合作单位中,川崎重工开发了一款名为“Gigacell”的大容量密闭型镍氢电池,1节可提供7.2kWh的电力。并且随着技术的进步,每层电池组的性能将更高,成本将更低,预计将来它会成为陆电、轴发电机、柴油发电机以及利用主机废热的小规模发电机组最适合的蓄电池选择,实现更好的节能减排效果。在船舶领域,如果蓄电池及其控制系统的性能提高,成本降低,是否可以直接进化为纯粹的电池推进船呢?但从电力汽车的发展可以看出,为了确保安全性和稳定性,要实现纯电力推进船尚有很高的难度。在这样的现状下,选用合适的材料在合适的场合有效利用电力以兼顾经济性和性能将是较为实际的目标。纯电池推进船:过去的电池推进船多用铅酸电池作为电力供应源,然而其较低的能量密度和较长的充电时间,与内燃机船的性能相比较差,实用性很受限制。受到这些缺陷的制约,在欧洲各国铅酸电池推进船都只用于河川湖泊等静水区域进行短时航行。然而东京海洋大学在2010年5月开发的电池推进船“雷鸟I”号采用了目前世界最先进的极速充电锂电池,该技术首次用于船舶领域,具备较好的适应性、安全性和便利性,很符合当前及未来对环境保护的要求。据了解,常规的铅酸电池推进船充电时间需要10小时,而“雷鸟I”号充至80%电量只需30分钟,克服了电池推进船充电时间过长这一缺点,这是过去铅酸电池推进船无法做到的。由于使用了大功率锂电池,从根本上大幅度提升了发电功率和电池容量,使其可在气象、海况条件较为复杂的海域中航行。同时,该船的噪音和振动大幅减少,且没有废气排放。另外,船上无需搭载燃油,一旦发生事故也不用担心会造成燃油泄漏污染海洋。截至2013年5月,除“雷鸟I”号外,日本还建造了3艘锂电池推进船。其中2艘采用了民用锂电池,属于低压型,无法进行高速充电。第三艘则是试验性地导入了独立开发的高速充电系统,于2011年4月首航后,目前尚在进行各类船上实验。继成功开发“雷鸟I”号之后,东京海洋大学在又开发建成了第二艘高速充电型锂电池推进船“雷鸟S”号,该船是世界首艘“电动机驱动的喷水推进船”。该船与“雷鸟I”号一样,具有低噪音、低振动、无排气、高功率,充电时间短等优点,并且由于采用了喷水推进器,可在浅水域航行。混合电力推进船:与上述相对的,那些需要大容量蓄电池的船舶,比如需要长距离运行的渡船、需要短时大功率运转的港口拖船等,采用原动机和蓄电池组合的混合动力型电池推进船将是一个可以实现的方案。图4为关西电力与大阪市立大学共同开发的一型混合动力电池推进船的试验船。该船从陆地向船上的蓄电池充电,随后采用这些蓄电池中的电力配合船上的发电机所发的电量,一同提供主机的动力源,使船舶运行。常规柴油原动机在额定功率下所发挥的能效最高,而在低负荷状态时的能效较低,因此港口拖船可以采用其他的方案。即在常规航行状态下采用功率最适合的原动机作为主机,在需要大功率的拖船状态下,除了原本的主机外再加上以蓄电池为动力源的大转矩电动机配合使用,达到提高总能效的目的,成为一艘混合动力船。MARPOL公约附则VI第三层级标准也许会导入十分严苛的NOX限制,对于拥有大规模港湾的海域,也许会为了减少NOX的排放,对船舶要求追加处理装置的可能性。采用大功率原动机会较方便安装大容量的处理装置。图5是香港HongKongJockeyClub公司为了运输高尔夫球客而从2010年开始使用的太阳能发电混合电池推进船。该船为澳大利亚SloarSailor公司所开发,与常规的只使用柴油机的同类船舶相比,可以减少50%的二氧化碳排放量。同公司的太阳能渡船曾经担任上海世博会的客渡工作,具有串联式油电混合动力、并联式油电混合动力等各种方式,将具有足够容量的蓄电池、太阳能发电板和柴油发动机组合,能够很好地执行通勤渡船的功能。图6为德国建造的世界最大的太阳能游艇“Turanor”号(31米×15米×1.55米,可供6人乘坐)。该船也是利用太阳能发电来给蓄电池充电,自2010年开始航行,目标是绕世界一周,2011年10月该船到达东南亚地区。“Turanor”号很好地展现了恰当的控制系统结合大容量蓄电池,仅靠太阳能实现航行的可能