摘要：為探索可行的低碳航運(yùn)發(fā)展路徑，全面綜述核動力推進(jìn)系統(tǒng)、風(fēng)力輔助推進(jìn)系統(tǒng)、太陽能光伏系統(tǒng)、燃料電池動力系統(tǒng)、電池電力動力系統(tǒng)等替代船舶動力系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀、應(yīng)用進(jìn)展、技術(shù)特點(diǎn)和未來潛力，指出各種替代船舶動力系統(tǒng)推廣應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)。結(jié)果表明：新一代熔鹽反應(yīng)堆核動力推進(jìn)系統(tǒng)而非傳統(tǒng)壓力水堆在海事領(lǐng)域的應(yīng)用正在積極探索中；風(fēng)力輔助推進(jìn)系統(tǒng)是一種具有立即可用性、廣泛適用性和發(fā)展長遠(yuǎn)性的能效改進(jìn)措施；太陽能光伏系統(tǒng)的裝船應(yīng)用前景并不理想，而燃料電池動力系統(tǒng)、電池電力動力系統(tǒng)的應(yīng)用場景主要限于內(nèi)河和沿海航運(yùn)及中小型船舶，其與其他動力系統(tǒng)構(gòu)成混合動力系統(tǒng)可能是主流選擇。

關(guān)鍵詞：低碳航運(yùn)；船舶能效；替代船舶動力系統(tǒng)；混合動力系統(tǒng)

一、引言

內(nèi)燃機(jī)動力裝置自1910年代開始裝船應(yīng)用，到1940年代開始大規(guī)模替代蒸汽機(jī)/蒸汽輪機(jī)船舶動力裝置，內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的航運(yùn)業(yè)已逾一個世紀(jì)。作為化石能源消耗的主要行業(yè)之一，航運(yùn)業(yè)大氣污染物及溫室氣體排放日益受到公眾的重視，并逐漸納入國際海事組織 ( International Maritime Organization，IMO ) 日益嚴(yán)苛的監(jiān)管之中[1]。在《國際防止船舶造成污染公約》( MARPOL公約 ) 附則VI第3章對硫氧化物、氮氧化物、顆粒物質(zhì)等大氣污染物排放提出監(jiān)管要求的基礎(chǔ)上，自2011年開始引入了第4章以加強(qiáng)船舶能效和溫室氣體排放監(jiān)管。在此基礎(chǔ)上，2018年4月，IMO海上環(huán)境保護(hù)委員會 ( Marine Environmental Protection Committee，MEPC ) 以MEPC.304 ( 72 ) 號決議通過了《IMO船舶溫室氣體減排初步戰(zhàn)略》，提出了到2050年國際航運(yùn)溫室氣體排放總量相比2008年減少50%的目標(biāo)。與此同時，自2021年11月召開的IMO MEPC 77次會議以來，國際社會釋放了到本世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)航運(yùn)碳中和的強(qiáng)烈信號。

減少或者消除航運(yùn)溫室氣體排放的路徑和措施主要包括技術(shù)性措施、營運(yùn)性措施和市場性措施三大類。市場性措施并不能直接減少溫室氣體排放，必須通過技術(shù)性措施和營運(yùn)性措施發(fā)揮作用；而物流與供應(yīng)鏈優(yōu)化、降速運(yùn)行、航線和航速優(yōu)化、使用岸電等營運(yùn)性措施只能在一定程度上提升能效，能否實(shí)現(xiàn)零碳航運(yùn)最終還是取決于技術(shù)性措施的運(yùn)用，具體包括使用替代燃料、替代船舶動力或廢氣處理技術(shù)等[2]。對于內(nèi)燃機(jī)船舶動力系統(tǒng)的替代，業(yè)界討論或應(yīng)用示范過的潛在方案包括核動力推進(jìn)系統(tǒng)、風(fēng)力輔助推進(jìn)系統(tǒng)、太陽能光伏系統(tǒng)、燃料電池動力系統(tǒng)、電池電力動力系統(tǒng)等。本文對各種替代船舶動力系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀、應(yīng)用進(jìn)展、技術(shù)特點(diǎn)和未來潛力進(jìn)行了綜述，旨在明晰各種替代船舶動力系統(tǒng)推廣應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)，以凝聚業(yè)界的共識和行動，加快促進(jìn)航運(yùn)業(yè)的去碳化進(jìn)程。

二、核動力推進(jìn)系統(tǒng)

1.技術(shù)特點(diǎn)

核動力裝置基于核燃料的裂變反應(yīng)，產(chǎn)生大量熱量并通過工質(zhì) ( 蒸汽或燃?xì)?) 驅(qū)動汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)，同時帶動螺旋槳或發(fā)電機(jī)工作。核燃料中蘊(yùn)含著巨大的能量，同單位核反應(yīng)釋放能量是化石燃料 ( 煤 ) 釋放能量的約30萬倍[3]。核動力裝置所使用的核燃料主要有鈾-235 ( Uranium，U )、钚-239 ( Plutonium，Pu )、釷-232 ( Thorium，Th )、MOX燃料 ( Mixed Oxide Fuel，UO2+PuO2 ) 等四種類型，因具有放射性而有較高的防護(hù)、避碰要求。美國、英國、俄羅斯等軍用艦船主要使用高濃縮鈾燃料及采用緊湊型反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，在整個設(shè)計(jì)壽命內(nèi)無須補(bǔ)充燃料；但在民用領(lǐng)域只能考慮使用低濃縮燃料，因此在商船生命周期中還要考慮燃料的加注和核廢料的處理問題，通常加注周期為5~7年，加注過程需要30天左右[4]。船舶核動力裝置所采用的反應(yīng)堆主要為壓力水堆 ( Pressurized Water Reactor，PWR )，其典型功率范圍為27~300 MW；其他的型式還包括閉式循環(huán)或開式循環(huán)的高溫氣冷堆、沸水反應(yīng)堆 ( Boiling Water Reactor，BWR )、熔鹽反應(yīng)堆 ( Molten Salt Reactor，MSR ) 及核電池 ( 放射性同位素電池 ) 等。綜上，船舶使用核動力推進(jìn)系統(tǒng)具有無須頻繁補(bǔ)充燃料、更多的載貨空間、更高的功率和航速、沒有廢氣排放等優(yōu)勢，但在建造和營運(yùn)費(fèi)用、安全與保安考量、公眾接受度、特殊的人員技能要求、港口基礎(chǔ)設(shè)施等方面存在顯著障礙。因此，商船應(yīng)用核動力推進(jìn)系統(tǒng)還有很長的一段路要走。

2.發(fā)展現(xiàn)狀

1954年美國核動力潛艇“USS Nautilus”下水服役開創(chuàng)了艦船使用核動力推進(jìn)系統(tǒng)的先河，此后一大批潛艇、航空母艦、破冰船等開始使用核動力。自核動力首次應(yīng)用以來，約有700個核反應(yīng)堆在海上運(yùn)行過，其中大多數(shù)是壓力水堆，目前依然在海上運(yùn)行的核反應(yīng)堆約200個[5]。就核動力商船 ( 不含專用破冰船 ) 而言，人類歷史上一共建造過4艘，其基本情況見表1[6]。

表1  核動力商船基本情況

此前的4艘基于PWR技術(shù)的核動力商船的應(yīng)用已驗(yàn)證商船應(yīng)用核動力推進(jìn)系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性上是完全不可行的，因此也就沒有進(jìn)一步的應(yīng)用示范。但隨著低碳/零碳航運(yùn)發(fā)展愿景的提出，近兩年人們又將目光瞄向了核動力。2022年4月，挪威Ulstein集團(tuán)推出新一代零排放船舶Thor號，采用釷基熔鹽反應(yīng)堆 ( Thorium MSR ) 作為其動力來源。同期，三星重工擬基于Seaborg的緊湊型熔鹽反應(yīng)堆技術(shù) ( CMSR ) 開發(fā)浮式核反應(yīng)堆用于氫、氨生產(chǎn)，800 MW的CMSR裝置運(yùn)行壽命達(dá)到24年，無須在港口添加新的燃料或處理使用過的乏燃料。2023年2月，韓國慶州市政府、韓新海運(yùn) ( HMM ) 等9方代表共同簽署了一份諒解備忘錄，準(zhǔn)備開發(fā)和示范應(yīng)用適用于船舶的、基于MSR的小型模塊化反應(yīng)堆 ( Small Modular Reactor，SMR ) 技術(shù)，以及培養(yǎng)核動力船舶運(yùn)營專家和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)專家，為核動力船舶未來的商業(yè)化建立合作基礎(chǔ)。采用MSR技術(shù)似乎是當(dāng)前船舶核動力推進(jìn)系統(tǒng)的主流選擇，與此同時，通過布置在戰(zhàn)略性燃料加注節(jié)點(diǎn)的浮式核反應(yīng)堆生產(chǎn)電制燃料，似乎也將是服務(wù)低碳海上運(yùn)輸?shù)目尚新窂街�一。MSR是核裂變反應(yīng)堆的一種，其主要特征是使用熔融的混合鹽同時作為核燃料載體和反應(yīng)堆冷卻劑，當(dāng)反應(yīng)堆內(nèi)部出現(xiàn)異常時熔鹽 ( 液態(tài)核燃料 ) 將自動硬化。較高的被動安全性和熱效率以及未來使用釷循環(huán)的潛力，使其非常適合于海上應(yīng)用，類似的概念設(shè)計(jì)還包括來自英國的Core Power及美國的Terra Power等公司的探索。

三、風(fēng)力輔助推進(jìn)系統(tǒng)

風(fēng)力驅(qū)動世界海運(yùn)船隊(duì)長達(dá)幾個世紀(jì)，此后受船舶大型化、營運(yùn)快速化、操作靈便性等需求影響，到兩個世紀(jì)前遂逐漸開始被化石燃料發(fā)動機(jī)所替代。受石油危機(jī)、油價上漲的影響，風(fēng)力輔助推進(jìn)在1980年代的日本造船業(yè)有過短暫的復(fù)蘇，此后受油價暴跌、技術(shù)不成熟、營運(yùn)不經(jīng)濟(jì)等因素的影響而一度停滯。進(jìn)入21世紀(jì)，在國際海事行業(yè)關(guān)于船舶節(jié)能減排法規(guī)的要求下，風(fēng)力輔助推進(jìn)又進(jìn)入公眾視野。近年來，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界針對風(fēng)力輔助推進(jìn)系統(tǒng) ( Wind Assisted Propulsion System，WAPS ) 開展了大量的研究和應(yīng)用示范，其中的關(guān)鍵技術(shù)和研究熱點(diǎn)包括帆型設(shè)計(jì)與優(yōu)化、風(fēng)帆布置與空氣動力學(xué)、風(fēng)帆控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、風(fēng)力資源分析與航線優(yōu)化、風(fēng)帆-柴油機(jī)聯(lián)合優(yōu)化等[2]。當(dāng)前，主流的WAPS包括風(fēng)箏帆、硬翼帆和轉(zhuǎn)筒帆三種技術(shù)方案，但以轉(zhuǎn)筒帆的應(yīng)用最廣泛，而以硬翼帆的技術(shù)提供方最多。三種技術(shù)方案的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀介紹如下。

1.風(fēng)箏帆

風(fēng)箏帆又稱“天帆”，如圖1所示，其是將相當(dāng)面積 ( 高達(dá)1 000 m2 ) 的天帆/翼傘釋放到200~400 m的高空中承受更穩(wěn)定和強(qiáng)勁的風(fēng)壓并產(chǎn)生推進(jìn)力。風(fēng)箏帆裝置的主要組成部件包括三部分：甲板設(shè)備，包括儲藏室、桅桿和自動收放裝置；飛行設(shè)備，包括翼傘、飛行控制艙和臍帶纜 ( 處理牽引力、傳輸數(shù)據(jù)及供電 )；駕駛臺的控制軟件及設(shè)備[7]。相比其他風(fēng)帆，風(fēng)箏帆能在高達(dá)100 km/h的風(fēng)中運(yùn)行，在有利風(fēng)力條件下單位面積能產(chǎn)生多達(dá)25倍的功率，替代高達(dá)2 MW的推進(jìn)功率。但風(fēng)箏帆在高空中狀態(tài)多變，難以控制，在應(yīng)急情況下的操縱成為該技術(shù)需解決的首要難題。

圖1  風(fēng)箏帆應(yīng)用示范

風(fēng)箏帆最成功的應(yīng)用示范之一是德國SkySails公司的天帆系統(tǒng)，首見應(yīng)用于“Beluga”號 ( 見圖1a )，于2008年3月成功完成首航；實(shí)船測試表明，理想航次可節(jié)省50%的燃油消耗，年均可節(jié)省燃油消耗10%~15%。另一家風(fēng)箏帆技術(shù)提供方是法國Airseas公司，創(chuàng)建于2016年，其首個Seawing風(fēng)帆裝置安裝于滾裝船“Ville de Bordeaux”輪 ( 見圖1b )，并于2022年開始了為期6個月的跨大西洋試驗(yàn)航行。2022年12月，Airseas公司為日本K Line的一艘Capesize型散貨船安裝了Seawing風(fēng)帆裝置，預(yù)期每年能節(jié)省超過20%的燃料。

2.硬翼帆

硬翼帆指的是船上出于節(jié)能目的裝設(shè)的、直接借助風(fēng)力產(chǎn)生輔助推進(jìn)力的硬質(zhì)機(jī)翼形風(fēng)帆，其工作原理為：當(dāng)氣流流過機(jī)翼形風(fēng)帆時，在其壓力面和吸力面產(chǎn)生壓差，機(jī)翼結(jié)構(gòu)獲得升力和阻力，根據(jù)攻角的不同轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的推進(jìn)力和側(cè)推力，從而推動船舶航行。相對于其他風(fēng)帆，硬翼帆有著穩(wěn)定性強(qiáng)、安全性高、結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活及可利用范圍廣的特點(diǎn)，在超大型油船 ( Very Large Crude Carrier，VLCC )、散貨船等大型遠(yuǎn)洋商船上具有較好的應(yīng)用前景。

1980年代日本造船廠在建造了全球首艘安裝硬翼帆的“Shin Aitoku Maru”之后，先后建造了17艘配備相同系統(tǒng)的船舶，此后受油價下跌、技術(shù)不成熟、營運(yùn)不經(jīng)濟(jì)等因素影響而一度停滯。2018年和2022年，大連船舶重工集團(tuán)有限公司為招商輪船先后建造了兩艘安裝硬翼帆的VLCC——“NEW VITALITY”( 凱力 ) 輪和“NEW ADEN”( 新伊敦 ) 輪，分別能實(shí)現(xiàn)年均3%和9.8%的節(jié)油效果[8]。目前，硬翼帆具有最廣泛的工程方案提供者，其他的還包括日本MOL的Wind Challenger系統(tǒng) ( 見圖2a )、英國BAR Technologies的WindWings系統(tǒng) ( 見圖2b )、法國VPLP Design的AYRO Oceanwings系統(tǒng) ( 見圖2c ) 和瑞典AlfaWall的Oceanbird系統(tǒng) ( 見圖2d ) 等。

圖2  部分硬翼帆技術(shù)或系統(tǒng)

3.轉(zhuǎn)筒帆

轉(zhuǎn)筒帆以空氣動力學(xué)為依據(jù)，基于馬格努斯效應(yīng) ( Magnus effect ) 產(chǎn)生推動力，于1920年代由德國工程師Anton Flettner提出。旋轉(zhuǎn)的圓柱體在來流作用下，會受到垂直于來流方向的側(cè)向力，借助這項(xiàng)推力并通過調(diào)整轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向，使其在橫風(fēng)或斜風(fēng)狀態(tài)下產(chǎn)生沿船長方向的推力，從而達(dá)到助推效果[9]。轉(zhuǎn)筒帆作為新型推進(jìn)裝置，可以隨時根據(jù)風(fēng)向調(diào)整轉(zhuǎn)速，充分利用風(fēng)力；相比于傳統(tǒng)風(fēng)帆，轉(zhuǎn)筒帆占用很小的甲板空間，受惡劣風(fēng)況的影響不大，對側(cè)向風(fēng)效果最明顯。目前，轉(zhuǎn)筒帆具有最多的裝船應(yīng)用案例。

轉(zhuǎn)筒帆在現(xiàn)代船舶上的首次商業(yè)化應(yīng)用是德國Enercon公司2008年下水的雜貨船“E-Ship 1”輪 ( 見圖3a )，該輪于2010年投入商用，在Emden-Portugal的一個航次中宣稱節(jié)省燃料消耗高達(dá)22.9%。除了Enercon公司外，芬蘭Norsepower公司和英國Anemoi Marine Technologies公司也是轉(zhuǎn)筒帆的解決方案提供者。Norsepower轉(zhuǎn)筒帆已經(jīng)應(yīng)用于豪華郵輪 ( 見圖3b )、散貨船 ( 見圖3c ) 等多種船型，其中裝有兩個轉(zhuǎn)筒帆的滾裝船“Estraden”輪和11萬載重噸成品油輪“Maersk Pelican”輪一年分別節(jié)省了5%和8.2%的燃料消耗。Anemoi轉(zhuǎn)筒帆首個實(shí)船應(yīng)用為2018年裝船的6.4萬載重噸散貨船“Afros”輪 ( 見圖3d )，該輪由上海船舶研究設(shè)計(jì)院為希臘船東Victoria Steamship設(shè)計(jì)，系全球首艘安裝風(fēng)力輔助推進(jìn)系統(tǒng)的散貨船。據(jù)測算，該輪投入使用后可在相同航速下日均降低主機(jī)油耗4 t左右。

圖3  部分轉(zhuǎn)筒帆應(yīng)用案例

四、太陽能光伏系統(tǒng)

1.應(yīng)用現(xiàn)狀

太陽能在可預(yù)見的未來是一種取之不盡用之不竭的可再生能源，對于太陽能的利用主要有光伏發(fā)電和光熱發(fā)電兩種方案。太陽能光伏系統(tǒng)由于較好的成本效益而成為主流的方案，它由太陽能電池板、控制器、蓄電池等組成，如用于交流負(fù)載，還需配置逆變器。太陽能電池板基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng) ( Photovoltaic effect )，直接將太陽的光能轉(zhuǎn)化為電能，輸出直流電存儲在蓄電池中，整個過程無燃燒、無排放、無運(yùn)動部件和噪聲。太陽能光伏系統(tǒng)在船舶應(yīng)用的典型示范項(xiàng)目包括“Auriga Leader”輪、“Paolo Topic ”輪、“Turanor PlanetSolar”輪等。作為國家高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目的應(yīng)用示范，“中遠(yuǎn)騰飛”輪安裝了總?cè)萘繛?43 kW的太陽能光伏系統(tǒng)，可降低船舶柴油發(fā)電機(jī)組120~143 kW的功率消耗，按陽光充足的情況下每天可提供16 h供電計(jì)，相當(dāng)于每天節(jié)省燃油0.46 t[10]。

2.未來潛力

太陽能光伏系統(tǒng)是當(dāng)前陸地上最有前景的可再生能源利用裝置，但其在船舶上的直接應(yīng)用，前景相對黯淡。其主要面臨三方面的挑戰(zhàn)：船體表面有限的可用面積限制了光伏組件的布置；受天氣、地理位置等的影響，供電穩(wěn)定性不夠；相關(guān)設(shè)備造價高導(dǎo)致較長的投資回收期。地球表面的不同的緯度區(qū)域，太陽輻射強(qiáng)度為2.3~5.7 ( kW·h/m2 )/d，且光伏組件的能量轉(zhuǎn)換效率通常僅為10%~22%，而一般商船可用表面積上限為500~10 000 m2，也就是說，針對不同大小和航區(qū)的船舶，太陽能光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的能量僅為150~6 000 kW·h/d[11]。受地理緯度、季節(jié)、晝夜及船舶表面有限的可用表面積影響，太陽能光伏系統(tǒng)的節(jié)能潛力據(jù)測算為0.2%~12%[12]。對于汽車運(yùn)輸船、滾裝船、散貨船而言，太陽能光伏系統(tǒng)發(fā)電可用于照明、通信、蓄電池充電等場合，仍不失為提升船舶營運(yùn)能效的有效措施。此外，靠近赤道的區(qū)域內(nèi)有較高的太陽日照值，在北緯30°至南緯30°范圍內(nèi)運(yùn)營的船舶有更大的潛力使用太陽能光伏系統(tǒng)。

五、燃料電池動力系統(tǒng)

1.技術(shù)特點(diǎn)

燃料電池由陽極、陰極、電解質(zhì)和外部電路四個部分組成，通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔�。燃料電池不受卡諾循環(huán)的限制，因而具有較高的效率和經(jīng)濟(jì)性，通常其能量轉(zhuǎn)化效率為45%~60%；若考慮采用Rankine、Brayton或熱電聯(lián)產(chǎn) ( Combined Heat and Power，CHP ) 等后置循環(huán)利用余熱并構(gòu)成混合動力系統(tǒng)，能量利用總效率可達(dá)80%以上。典型的氫燃料電池及其特征如表2所示[13]。

表2  典型的氫燃料電池及其特征

通常，在單電池上能產(chǎn)生0.5~1.0 V的直流電壓，因此，為滿足使用要求，需要將多個單電池串聯(lián)起來構(gòu)成電堆，并進(jìn)一步通過直流變壓器使輸出電壓達(dá)到450~750 V甚至更高；為提高電堆的輸出功率，需要增大單電池的面積以獲得更大的輸出電流，但這容易導(dǎo)致燃料、氧氣分布不均勻或漏泄，加之受到材料、工藝、成本的限制，總的輸出功率受限。同時，船舶各種輔助機(jī)械通常由交流電動機(jī)驅(qū)動，燃料電池輸出的直流電需要通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電。此外，燃料電池燃料的供給無法對外界負(fù)載變化作出立即的響應(yīng)，再考慮受限的功率輸出，燃料電池與柴油機(jī)、蓄電池等構(gòu)成混合動力系統(tǒng)是常規(guī)的選擇。

2.應(yīng)用現(xiàn)狀

燃料電池自1960年代開始應(yīng)用于潛艇，到1990年代德國Class 212A級潛艇的應(yīng)用將燃料電池推送到被高度關(guān)注的地位。但燃料電池在民用領(lǐng)域的應(yīng)用，進(jìn)入21世紀(jì)才被逐漸推廣開來。截至目前，燃料電池作為船舶動力系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用示范近百個，比較典型的項(xiàng)目如表3所示[13]。

表3  典型的燃料電池船舶應(yīng)用示范

3.未來前景

PEMFC技術(shù)成熟、成本較低，是目前應(yīng)用最廣泛的燃料電池類型。但因?yàn)槭褂勉K作為電極材料增加了系統(tǒng)成本，且對CO和S有中毒反應(yīng)，因此對氫氣純度有要求。PEMFC單個電堆的輸出功率通常不足300 kW，受到材料、工藝的限制想要顯著提升存在較大的難度，目前見諸媒體的挪威氫燃料電池制造商TECO2030組裝和測試的FCM400 ( 400 kW燃料電池 ) 是輸出功率最大的PEMFC模塊。此外，基于針對20英尺、40英尺集裝箱開發(fā)的模塊成組技術(shù)，該公司可提供3.2 MW和6.4 MW輸出功率的燃料電池動力系統(tǒng)[14]，如圖4所示。

圖4  TECO2030公司FCC6400燃料電池動力系統(tǒng)

PEMFC受功率范圍、氫燃料儲運(yùn)及加注基礎(chǔ)設(shè)施等因素的影響，在遠(yuǎn)洋航運(yùn)領(lǐng)域似乎并沒有太大的應(yīng)用前景，但其在內(nèi)河、沿海航運(yùn)中因?yàn)榱闩欧艃?yōu)勢，在部分船型上和特定應(yīng)用場景中仍具有較大的發(fā)展?jié)摿�。AFC、PAFC、DMFC三種燃料電池因?yàn)楦髯缘娜秉c(diǎn)和不足，目前來看在海事領(lǐng)域并沒有太大的應(yīng)用前景。MCFC、SOFC為高溫燃料電池，工作過程中產(chǎn)生的余熱可以用于燃料重整和驅(qū)動燃?xì)廨啓C(jī)或蒸汽輪機(jī)，因此對于氫、氨、甲醇和各種碳?xì)淙剂暇哂袕V泛的適應(yīng)性，組成的混合動力系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)10 MW的輸出功率和超過80%的能量利用效率，因此如果技術(shù)成熟度、可靠性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性能得到顯著提升的話，未來對于大型遠(yuǎn)洋船舶而言仍然具有較強(qiáng)的競爭力。

六、電池電力動力系統(tǒng)

1.技術(shù)特點(diǎn)

隨著陸地汽車工業(yè)電動化的快速發(fā)展，電動船舶的應(yīng)用示范也在穩(wěn)步推進(jìn)中。國內(nèi)外航運(yùn)企業(yè)及相關(guān)部門都在大力推廣電動船舶的建造和使用，并積極推動相關(guān)技術(shù)規(guī)范和基礎(chǔ)設(shè)施的完善。與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)動力相比，電池動力具有零排放、零噪音、高能效、高舒適性、低維護(hù)成本等特點(diǎn)。然而，高昂的設(shè)備初始投資、岸電基礎(chǔ)設(shè)施投資、火災(zāi)風(fēng)險性都是電動船舶應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)[15]。更重要的是，電池的質(zhì)量能量密度和體積能量密度都顯著低于內(nèi)燃機(jī)動力裝置，例如，鋰電池的質(zhì)量能量密度和體積能量密度分別約為0.6 MJ/kg和1.4 MJ/L，而船用柴油分別為42 MJ/kg和36 MJ/L。因此，續(xù)航力和頻繁的充電需求成為純電動船舶應(yīng)用的主要制約因素�？傊�，純電動船舶受限于電池 ( 或超級電容 ) 的功率容量，僅適用于內(nèi)河、湖泊、庫區(qū)及近海小型船舶，純電動船舶對于內(nèi)河近岸運(yùn)行的船舶具有明顯的優(yōu)勢；但對于大型遠(yuǎn)洋船舶而言，電池電力發(fā)展?jié)摿τ邢�，與內(nèi)燃機(jī)、燃料電池、風(fēng)力輔助動力系統(tǒng)、太陽能光伏系統(tǒng)組成混合動力系統(tǒng)才是可能的潛在選項(xiàng)。據(jù)DNV發(fā)布的Energy Transition Outlook 2022報告，電池電力在未來海運(yùn)領(lǐng)域能源消耗中的占比不會超過2%。另外值得一提的是，電池電力是否能實(shí)現(xiàn)零碳排放，直接取決于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)可再生電力的占比。

2.應(yīng)用現(xiàn)狀

在中國，超過50艘電動船舶已投入使用或正在建造。2022年3月，全球載電量最大的純電動旅游客船“長江三峽1”號在宜昌首航，該輪設(shè)計(jì)總長100 m，總寬16.3 m，可容納1 300客位，配備7.5 MW·h動力電池，一次充電可續(xù)航100 km，每年可替代燃油530 t。根據(jù)DNV AFI平臺數(shù)據(jù)[16]，截至2022年底，全球電動船舶共558艘，其中混合動力占比52%，插電混動占比20%，純電動占比22%，且超過1/3在挪威；如圖5所示，在已投入使用或在建的電動船舶中，固定航線和相對較短航程的滾裝渡輪占比最多，其次是近海補(bǔ)給船。

圖5  全球電動船隊(duì)

七、結(jié)語

隨著世界主要經(jīng)濟(jì)體和國際海事行業(yè)紛紛提出實(shí)現(xiàn)碳中和發(fā)展的雄心和愿景，航運(yùn)廢氣排放和溫室氣體排放將受到越來越嚴(yán)苛的限制。雖然預(yù)期“內(nèi)燃機(jī)+船用替代燃料”是低碳航運(yùn)發(fā)展的主流路徑，但核動力推進(jìn)系統(tǒng)、風(fēng)力輔助推進(jìn)系統(tǒng)、太陽能光伏系統(tǒng)、燃料電池動力系統(tǒng)、電池電力動力系統(tǒng)等替代船舶動力系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用仍然方興未艾，并預(yù)期在未來仍將發(fā)揮重要作用。核動力推進(jìn)系統(tǒng)在可預(yù)見的未來用于國際航行船舶似乎并不具有可行性，但在近岸固定式或漂浮式海工裝置上可能具有前景，且當(dāng)前在海事領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)已從傳統(tǒng)的壓力水堆轉(zhuǎn)向熔鹽反應(yīng)堆核動力推進(jìn)系統(tǒng)。風(fēng)力輔助推進(jìn)系統(tǒng)僅能作為一種能效改進(jìn)措施，但具有立即可用性、廣泛適用性和發(fā)展長遠(yuǎn)性，在部分船型和航線上仍具有較好的發(fā)展前景。太陽能光伏系統(tǒng)受限于功率容量和能源效率，也僅能作為一種能效改進(jìn)措施，但其裝船應(yīng)用前景并不理想。燃料電池動力系統(tǒng)、電池電力動力系統(tǒng)均可直接用于船舶主推進(jìn)，但受限于功率容量、功率密度、安全性考量等因素，其應(yīng)用場景主要限于內(nèi)河和沿海航運(yùn)及中小型船舶，并且與其他動力系統(tǒng)構(gòu)成混合動力系統(tǒng)可能是主流選擇。當(dāng)前，并沒有一種中心化的解決方案可用于實(shí)現(xiàn)航運(yùn)低碳發(fā)展，因地制宜、多措并舉是一種理性的選擇。