船舶動(dòng)力系統(tǒng)相當(dāng)于船舶的心臟，任何燃料上船后便進(jìn)入船舶動(dòng)力系統(tǒng)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(xiàn)有船舶動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生了不適配現(xiàn)象。因此，行業(yè)各大公司開始了對適用于各替代燃料的船舶動(dòng)力系統(tǒng)的研究，并陸續(xù)推出了各類“新一代”船舶動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)和解決方案。近半年來更是呈現(xiàn)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(dòng)力系統(tǒng)

船舶動(dòng)力系統(tǒng)是為保證船舶正常營運(yùn)而設(shè)置的動(dòng)力設(shè)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(yè)。船舶動(dòng)力系統(tǒng)是各種能量的產(chǎn)生、傳遞、消耗的全部機(jī)械、設(shè)備，它是船舶的重要組成部分。近來，行業(yè)陸續(xù)推出了多個(gè)針對替代燃料的船舶動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)與解決方案，為行業(yè)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(fā)動(dòng)機(jī)系列中新增了一種能燃燒甲醇的低速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)——MAN B&W G80ME-C10.5-LGIM版本發(fā)動(dòng)機(jī)，擴(kuò)大了船東對雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇。該發(fā)動(dòng)機(jī)還可選配廢氣再循環(huán)(EGR)，以確保符合氧化氮Tier III排放要求。新版本的發(fā)動(dòng)機(jī)將有6缸、7缸、8缸和9缸等版本。此次發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)的擴(kuò)大將使MAN公司能應(yīng)對中型集裝箱船以及超大型礦石運(yùn)輸船和原油運(yùn)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(xiàn)有的G80ME-C發(fā)動(dòng)機(jī)。

替代燃料動(dòng)力系統(tǒng)。隨著替代燃料應(yīng)用的推進(jìn)，專門用于替代燃料的動(dòng)力系統(tǒng)也獲得了可喜成果。國際領(lǐng)先的動(dòng)力系統(tǒng)解決方案提供商瓦錫蘭近日成功開發(fā)出用于甲醇燃料的供應(yīng)系統(tǒng)MethanolPac。該系統(tǒng)與最近推出的Wartsila 32甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)以及經(jīng)過充分驗(yàn)證的改裝和系統(tǒng)集成能力相結(jié)合，使瓦錫蘭能夠在廣泛的船舶領(lǐng)域提供甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)。MethanolPac包括燃料供應(yīng)系統(tǒng)的低壓和高壓部分，以及相關(guān)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(chǔ)罐儀表。新造的Wartsila 32甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合了歷史悠久的甲醇燃料噴射技術(shù)—在2015 年首次為Stena Germanica 客滾船改裝瓦錫蘭Z40發(fā)動(dòng)機(jī)而開發(fā)的，以及成熟的瓦錫蘭32 平臺(tái)的尖端控制和自動(dòng)化系統(tǒng)。甲醇燃料噴射還可改裝應(yīng)用于5000多臺(tái)正在使用常規(guī)燃料運(yùn)行的瓦錫蘭32發(fā)動(dòng)機(jī)中。而MethanolPac意味著這種改裝工作可以大大簡化，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)和燃料供應(yīng)系統(tǒng)由同一家供應(yīng)商提供�；旌蟿�(dòng)力系統(tǒng)多項(xiàng)技術(shù)的混合使用，將使得事半功倍。電力推進(jìn)領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)者英國防務(wù)集團(tuán)(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(jìn)系統(tǒng)——“新一代”電力推進(jìn)系統(tǒng)HybriGen，包括一臺(tái)電機(jī)、2臺(tái)變速發(fā)電機(jī)、1套鋰離子能源存儲(chǔ)系統(tǒng)和可岸基充電的船舶輔助電力，這種領(lǐng)先的技術(shù)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(jìn)功率并且簡化了安裝。

“新一代”混合能源系統(tǒng)�？肆_地亞DIV集團(tuán)旗下Brodosplit造船廠正在建造的“新一代”零排放客運(yùn)帆船船首和船尾有兩臺(tái)垂直風(fēng)力渦輪機(jī)，在船舶�？扛劭诤惋L(fēng)帆下降時(shí)為其供電。光伏太陽能系統(tǒng)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(huì)排放任何二氧化碳。因此，這艘船不僅100%“綠色”，而且?guī)缀鯖]有燃料和推進(jìn)機(jī)械成本。這艘電動(dòng)帆船與同類船舶的不同之處在于，她在航行時(shí)還能以非常復(fù)雜的方式為電池充電。除了風(fēng)力渦輪機(jī)、水輪機(jī)和太陽能電池板系統(tǒng)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(tǒng)，在航行時(shí)可用作水輪機(jī)。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(tái)上進(jìn)行收集和控制。同時(shí)，船上的所有能源“回報(bào)”和“消耗”都受到監(jiān)控。

“新一代”噴水推進(jìn)系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)不僅最大限度利用現(xiàn)有資源水，還使船舶可在消耗等量能源情況下動(dòng)力大增。意大利企業(yè)菲亞特動(dòng)力科技工業(yè)(FPT Industrial)和初創(chuàng)公司Sealence公司聯(lián)合開發(fā)了一種混合電力噴水推進(jìn)系統(tǒng)，外形像一架噴氣式飛機(jī)引擎，為游艇和工作船提供了全新的、極具創(chuàng)新性的混合動(dòng)力船舶推進(jìn)系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)。該概念機(jī)型采用了菲亞特動(dòng)力科技N67 570 EVO生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，并配有變速永磁發(fā)電機(jī)，可作為增程器來為電池組充電。這種新的混合電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有效率最大化、靜音、應(yīng)用模塊化和靈活性等優(yōu)點(diǎn)，在相同數(shù)量的能源下，與一套螺旋槳系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)能產(chǎn)生更多的推力和航速，消耗的能源則更少。同時(shí)，新系統(tǒng)屬于舷外系統(tǒng)，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(tǒng)的安裝不需要會(huì)限制靈活性的笨重機(jī)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(jī)會(huì)優(yōu)化主機(jī)房布局、船舶設(shè)計(jì)和內(nèi)部布局。

船舶動(dòng)力減排路

經(jīng)過多年的摸索與研究，回望來時(shí)路，船舶動(dòng)力的減排之路并非平坦，而是經(jīng)歷了一番曲折與變換。

對現(xiàn)有船舶動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。近年來，行業(yè)環(huán)保法規(guī)不斷推陳出新，速度之快前所未有，充分顯示了當(dāng)下環(huán)保的緊迫性。面對快速收緊的環(huán)保法規(guī)，行業(yè)在探索實(shí)現(xiàn)終極減排目標(biāo)的同時(shí)，也在想法應(yīng)對最新法規(guī)。例如，國際海事組織(IMO)2020年生效的限硫法規(guī)，催生了脫硫塔的產(chǎn)生。與此同時(shí)，行業(yè)也開始著手LNG燃料在船舶上的應(yīng)用，因此出現(xiàn)了不少船舶升級改造的訂單。此后，由于改造成本高昂，且因?yàn)樵撔袠I(yè)面臨一系列商業(yè)和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)因素，因此并未產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)。這時(shí)，行業(yè)便開始了“為替代燃料而進(jìn)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(dòng)力系統(tǒng)。就在大家還在斟酌船舶改造投資是否值得的時(shí)候，行業(yè)環(huán)保進(jìn)程再次向前推進(jìn)一大步，增加了碳排放的關(guān)注。2018年4月，IMO通過了船舶溫室氣體減排初步戰(zhàn)略，該政策框架設(shè)定了階段性目標(biāo)：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(jì)要努力盡快逐步實(shí)現(xiàn)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(qiáng)度平均降低至少40%，并力求2050年的碳排放強(qiáng)度比2008年的水平降低70%。在綠色環(huán)保低碳成為全球幾乎所有行業(yè)未來發(fā)展的共識(shí)以及目標(biāo)之后，相關(guān)領(lǐng)域的新技術(shù)和產(chǎn)品在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的推進(jìn)顯著提速。初期，LNG燃料憑借其環(huán)保性能好、易獲取等優(yōu)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(shù)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(dá)80%。在實(shí)船應(yīng)用層面，現(xiàn)有船舶可通過改裝實(shí)現(xiàn)LNG-柴油雙燃料主機(jī)應(yīng)用，即在船舶現(xiàn)有柴油機(jī)的基礎(chǔ)上，加裝一套LNG供氣系統(tǒng)(LNG儲(chǔ)罐)和氣體處理系統(tǒng)，以及一些輔助系統(tǒng)，如通風(fēng)、電子控制、安全和自控系統(tǒng)等。新造船舶則可在設(shè)計(jì)階段就開始考慮采用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化布置，空間利用和維護(hù)保養(yǎng)也就更加具有優(yōu)勢。

LNG燃料的雙燃料應(yīng)用，為后期其他替代燃料(如氨、氫、甲醇等)的船舶雙燃料應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，包括替代燃料預(yù)留設(shè)計(jì)。2022年1月，大連理工大學(xué)隆武強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了我國首臺(tái)氨/柴油雙直噴二沖程內(nèi)燃機(jī)原理樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了零碳燃料內(nèi)燃機(jī)核心自主技術(shù)新突破，填補(bǔ)了我國在氨燃料低速機(jī)工程化應(yīng)用的空白。該團(tuán)隊(duì)介紹，采用液氨/柴油雙燃料缸內(nèi)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(yōu)點(diǎn)。針對氨燃料獨(dú)有的燃燒特性，通過自主研發(fā)的燃燒調(diào)控策略，成功解決了氨燃燒的難題。在內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行全工況條件下，液氨替代率可達(dá)80%以上，有效降低了“碳排放”。除氨燃料燃燒關(guān)鍵技術(shù)外，預(yù)混合壓燃、快速混合燃燒等技術(shù)在該機(jī)型中均得到了成功應(yīng)用。據(jù)了解該團(tuán)隊(duì)還參加了由中船動(dòng)力研究院有限公司牽頭的國家重大專項(xiàng)“船用低速機(jī)工程(一期)”項(xiàng)目，成功開發(fā)了國內(nèi)首臺(tái)高替代率、高熱效率、低排放甲醇擴(kuò)散燃燒的四沖程原理樣機(jī)及1E-150直流掃氣柴油機(jī)。

適用于零碳替代燃料的動(dòng)力系統(tǒng)。航運(yùn)業(yè)的終極減排目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)零碳，行業(yè)在尋找低碳替代燃料應(yīng)用的同時(shí)，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(fā)的船用甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)(LFSS)獲得船級社頒發(fā)的AiP證書，該系統(tǒng)具備甲醇燃料加注、儲(chǔ)存、供給、調(diào)壓、控溫功能，滿足LGIM發(fā)動(dòng)機(jī)供給壓力、溫度的要求，適用于當(dāng)前MAN-ES公司二沖程LGIM雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，并可為其他主機(jī)提供配套方案。國際領(lǐng)先的發(fā)動(dòng)機(jī)制造商瓦錫蘭于近期交付了首個(gè)專門的甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)MethanolPac，與最新推出的Wärtsilä 32 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成了船舶應(yīng)用中甲醇的完整解決方案，使瓦錫蘭能夠在船舶領(lǐng)域提供具有甲醇能力的燃料和動(dòng)力系統(tǒng)的解決方案。MethanolPac包括燃料供應(yīng)系統(tǒng)的低壓和高壓部分，以及相關(guān)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(dòng)力加快脫碳

由于各替代燃料都具有自身特性，導(dǎo)致現(xiàn)有的船舶動(dòng)力系統(tǒng)無法滿足所有替代燃料的有效應(yīng)用。稍有不慎，將會(huì)出現(xiàn)排異現(xiàn)象，嚴(yán)重的將導(dǎo)致船舶發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)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(chǎn)生的“廢物”可能就無法滿足最新的環(huán)保法規(guī)了，那么就需要對其進(jìn)行進(jìn)一步的處理，例如廢氣后處理系統(tǒng)脫硫塔以及碳捕集與封存(CCS)的產(chǎn)生。然而面對這綠色轉(zhuǎn)型中的重重困難，全行業(yè)并未退縮，而是齊心協(xié)力攻堅(jiān)克難，經(jīng)過多年努力，終于迎來了喜人的階段性成果。

在環(huán)保監(jiān)管日益縮緊的當(dāng)下，選擇替代燃料的船舶的占比實(shí)現(xiàn)了逐年增長的態(tài)勢。據(jù)克拉克森研究數(shù)據(jù)顯示，2022年第一季度簽訂的新造船訂單中，以總噸計(jì)有61%的訂單為替代燃料動(dòng)力。以總噸計(jì)，當(dāng)前4.5%的船隊(duì)為替代燃料動(dòng)力，是過去四年的總和。替代燃料將成為航運(yùn)業(yè)實(shí)現(xiàn)最終減排目標(biāo)的最佳選項(xiàng)也成為了行業(yè)的共識(shí)。按照燃料類型來看，當(dāng)前手持訂單和今年一季度新簽訂單中的替代燃料動(dòng)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(shù)據(jù)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(yù)留的船舶設(shè)計(jì)，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(xiàn)出增長態(tài)勢�？死松芯勘硎�，節(jié)能型船舶與非節(jié)能型相比在租金收益、資產(chǎn)價(jià)值等方面均有一定優(yōu)勢。目前“現(xiàn)代”節(jié)能型船舶(使用電噴主機(jī))以總噸計(jì)已達(dá)到27.7%。該比例在一年前為25.1%，在5年前僅為11.5%。預(yù)計(jì)到2023年，“現(xiàn)代”節(jié)能型船舶在船隊(duì)中的比例將上升至30%。預(yù)計(jì)2022年全球船隊(duì)燃料成本將上升至超過2,000億美元，市場對節(jié)能船型的需求將進(jìn)一步上升，其租金溢價(jià)也將上漲。

目前，航運(yùn)業(yè)的減排進(jìn)程已經(jīng)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(dòng)力系統(tǒng)，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)方面還需要做哪些調(diào)整，中船動(dòng)力集團(tuán)首席專家吳朝暉曾在接受本刊采訪時(shí)表示：“氨或甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)相對于傳統(tǒng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，主要調(diào)整的是燃料供給、燃燒和排放控制及安全系統(tǒng)，這主要是由燃料的物化特性決定的。對于氨發(fā)動(dòng)機(jī)如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定快速燃燒，以及如何降低NOx排放是需要關(guān)注的重點(diǎn)問題，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)則是需要重點(diǎn)關(guān)注燃料替代率、爆震及非常規(guī)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(diǎn)關(guān)注。”

如果你認(rèn)為航運(yùn)業(yè)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(guān)鍵性短期措施，這些措施將技術(shù)方法與營運(yùn)方法相結(jié)合，以提高船舶能效。其中最重要的是通過了兩項(xiàng)提案——所有船舶必須計(jì)算其現(xiàn)有船舶能效指數(shù)(EEXI)，5000總噸以上的船舶將建立其年度營運(yùn)碳強(qiáng)度指標(biāo)(CII)和碳強(qiáng)度評級機(jī)制。顯然，未來的路道阻且長，理應(yīng)時(shí)刻保持危機(jī)感，以應(yīng)對市場的瞬息萬變。