胡 健

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 200032）

0 前 言

在傳統(tǒng)能源日趨緊張的今天，如何尋找新興能源逐步替代傳統(tǒng)能源，已成為擺在全人類面前的重要課題。而在高度依賴傳統(tǒng)柴油作為動(dòng)力的船舶業(yè)界，毫無(wú)例外的將隨著全球能源大環(huán)境的變化而變化。

作為業(yè)界的制造商，要精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)未來(lái)的發(fā)展趨向，加大該系列產(chǎn)品的研發(fā)和投入力度，才能搶占市場(chǎng)先機(jī)，從而在將來(lái)競(jìng)爭(zhēng)更加激烈的配套市場(chǎng)上獲得更大的市場(chǎng)份額。

1 能源溯源和轉(zhuǎn)化

1.1 能源分類

地球上的能源種類很多，包括天然能源和人工能源。天然能源包括石油、煤炭、天然氣、可燃冰、狹義太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、潮汐能、洋流能、地?zé)崮艿取Ｈ斯つ茉窗娔?、核能等。其中煤炭、石油、天然氣、以及可燃冰，都由于形成于遠(yuǎn)古時(shí)代而深埋地下或海底，故統(tǒng)稱為化石能。這些化石能都是以遠(yuǎn)古生物作為載體，以遠(yuǎn)古的太陽(yáng)能作為能量來(lái)源，因此它們又同屬于生物能的范疇，是遠(yuǎn)古生物能在現(xiàn)世的開(kāi)采和利用的表現(xiàn)形式。風(fēng)能是由于不同地域的空氣吸收太陽(yáng)能的多少不同，導(dǎo)致溫度和密度的不同，最終促使空氣規(guī)模性的運(yùn)動(dòng)，而形成的洋流能基本上也是這個(gè)道理。而水能，雖然表現(xiàn)形式為勢(shì)能，但也是由太陽(yáng)能蒸發(fā)洋海湖泊中的水分作為循環(huán)伊始的，根源還是太陽(yáng)能。所謂現(xiàn)世生物質(zhì)能，就是現(xiàn)世的太陽(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式，即以生物質(zhì)為載體的能量。它直接或間接地來(lái)源于光合作用，可轉(zhuǎn)化為常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料，取之不盡、用之不竭，是一種可再生能源。所以從廣義上講，現(xiàn)世生物質(zhì)能，同樣也是太陽(yáng)能的一種表現(xiàn)形式。

1.2 無(wú)窮性和珍貴性

能源本身是取之不盡用之不竭的，能源不會(huì)消亡，只是以不同的形態(tài)存在而已。同時(shí)，可利用的能源在不同時(shí)期和場(chǎng)合受到當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)厝祟惖募夹g(shù)水平和經(jīng)濟(jì)成本的制約，這種制約還包括人類賴以生存的環(huán)境的承載能力，以及能源的消耗和產(chǎn)出的關(guān)系，能源的珍貴性也恰恰體現(xiàn)在這里。一定時(shí)期內(nèi)，當(dāng)預(yù)期的能源消耗大于可利用的產(chǎn)出時(shí)，能源危機(jī)便出現(xiàn)了。因此，能源既具有無(wú)窮無(wú)盡的屬性，也同樣具有珍貴性。無(wú)窮是宏觀的，珍貴是微觀的，這種宏觀和微觀將伴隨著人類生存和發(fā)展的始終。

2 船舶和海洋結(jié)構(gòu)物在能源利用上的特點(diǎn)

船舶和海洋結(jié)構(gòu)物在能源的利用上，具有其自身的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)有些與陸地上的車輛相通，卻亦有其它獨(dú)特之處。

1)不降低自身穩(wěn)性:船舶的穩(wěn)性是自身賴以維持的最重要的性能之一。某些新能源，例如風(fēng)能，在應(yīng)用過(guò)程中需要想方設(shè)法降低風(fēng)壓傾側(cè)力矩對(duì)于船舶穩(wěn)性的不利影響。

2)供給的穩(wěn)定性、持久性：能源供給的不間斷、持續(xù)、穩(wěn)定和持久是保障船舶航行安全和效率的必不可少的特征。

3)功率大：船舶航行時(shí)需要克服水的巨大的阻力，相應(yīng)的推進(jìn)功率也較大。

4)安全性：在能源的使用過(guò)程中，安全始終是放在第一位的。

5)經(jīng)濟(jì)性：對(duì)于采用新興能源的船舶，應(yīng)認(rèn)真剖析它的利弊得失和經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)樵齑乾F(xiàn)代經(jīng)濟(jì)利益鏈條上的一環(huán)。只顧及建造新型船舶，往往會(huì)因?yàn)榻?jīng)濟(jì)性缺失而最終被放棄[1]。

6)環(huán)境友好性：對(duì)于某種新能源，除了看它在使用過(guò)程中是否環(huán)保，還要從整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的流程來(lái)綜合分析和評(píng)判。

7)滯后性：為了保證船舶營(yíng)運(yùn)的安全，船舶的設(shè)計(jì)、建造和營(yíng)運(yùn)需獲得船級(jí)社規(guī)范和相關(guān)部門法律法規(guī)的約束，這些約束具體、謹(jǐn)慎而細(xì)致， 而規(guī)范、法律和法規(guī)的制定需要時(shí)間和實(shí)例的支撐和積累，相對(duì)于某些最新革命性的科技成果，可能具有一定的滯后性，雖然這些約束也具有相當(dāng)?shù)陌菪院颓罢靶?。另外，陸地上的科技成果成功轉(zhuǎn)移到海上，需要改型從而克服搖擺、振動(dòng)、防火、防潮等限制條件，并通過(guò)船級(jí)社的產(chǎn)品認(rèn)證，這在一定程度上也具有滯后的效應(yīng)。

3 新能源在船舶和海洋結(jié)構(gòu)物上的應(yīng)用和展望

3.1 風(fēng)能

風(fēng)能在船舶上的應(yīng)用由來(lái)已久，在現(xiàn)代，風(fēng)帆船已經(jīng)不大見(jiàn)到。原因是穩(wěn)性太差、操作繁瑣、方向不易控制、碰到惡劣天氣，給船舶的安全性帶來(lái)嚴(yán)重隱患、占用面積空間過(guò)大，給貨物裝卸帶來(lái)不便以及相對(duì)大型船只其功率仍不夠，無(wú)法作為主動(dòng)力。而且靠風(fēng)力可能讓航行增加不確定因素，對(duì)于必須嚴(yán)守交運(yùn)時(shí)間的船運(yùn)公司可能不愿冒風(fēng)險(xiǎn)[2]。還有，要想完全遵循《避碰規(guī)則》，風(fēng)帆在布置上恐怕限制頗多。

隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，傳統(tǒng)風(fēng)帆船的上述缺點(diǎn)有望逐步得到改善和部分克服。比如研發(fā)自適應(yīng)型可調(diào)可倒可收的風(fēng)帆，當(dāng)風(fēng)向風(fēng)力穩(wěn)定在預(yù)期范圍時(shí)，風(fēng)帆升起，而風(fēng)向風(fēng)力不利時(shí)，則放倒。

盡管有著眾多的缺點(diǎn)有待克服，各發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于現(xiàn)代風(fēng)帆船的研究和試制卻從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)。其中日本在發(fā)展現(xiàn)代風(fēng)帆船方面一直處于領(lǐng)先地位。1980年8月，日本建成世界上第一艘現(xiàn)代風(fēng)帆油船——1600dwt的“新愛(ài)德丸”號(hào)。后來(lái)又制造了10艘沿?，F(xiàn)代風(fēng)帆船和1艘遠(yuǎn)洋現(xiàn)代風(fēng)帆船投入營(yíng)運(yùn)，其中最大的為26000dwt。實(shí)踐證明，現(xiàn)代風(fēng)帆船在節(jié)能性方面是顯著的，而要完全克服眾多缺點(diǎn)，恐怕還有很長(zhǎng)的路要走。

另外，海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)需要考慮風(fēng)浪流和水文要素的影響[3]，具有一些海洋結(jié)構(gòu)物的特性，但因?yàn)樗旧硎且园l(fā)電為目的，不屬于本文所討論的專屬用途船舶和海洋結(jié)構(gòu)物范疇。

3.2 直接太陽(yáng)能

在船舶上直接應(yīng)用太陽(yáng)能的例子少之又少。分析的原因有5個(gè)方面：一是光電轉(zhuǎn)化率很低，只有10%左右；二是因?yàn)樾实停虼诵枰艽蟮拿娣e；三是光照指數(shù)變化很大，導(dǎo)致供給不穩(wěn)定、不持久；四是供給功率小，無(wú)法作為主動(dòng)力；五是成本高昂，經(jīng)濟(jì)性差，面板的制作本身就是高耗能、高污染的過(guò)程。

雖然有著上述缺點(diǎn)，但并不是說(shuō)太陽(yáng)能在現(xiàn)代船舶中完全不能被利用。比如日本的某汽車運(yùn)輸船，就采用了太陽(yáng)能發(fā)電作為輔助住艙用電，發(fā)電量約占全船動(dòng)力不足1%。再比如在鉆井采油平臺(tái)上的一些高空和運(yùn)動(dòng)部件上的燈具，由于電纜到達(dá)和維護(hù)不易，可以采用太陽(yáng)能燈具，如平臺(tái)的鉆塔上方、自升式平臺(tái)樁腿的上部等等部位。顯然，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)全面應(yīng)用于船舶領(lǐng)域可能還為時(shí)尚早。

3.3 潮汐能、海流能和波浪能

目前潮汐能的應(yīng)用主要是指潮汐電站，但因投入產(chǎn)出比大，投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的并不多。海流能的應(yīng)用也只限于為燈塔和燈船提供電力，另外，曾有一種海流發(fā)電船，類似于駁船，在船舷側(cè)裝有兩個(gè)巨大的水輪，專門用于發(fā)電，發(fā)出的電力通過(guò)海底電纜輸送到岸上。目前世界上利用波浪能發(fā)電已取得了一定的成績(jī)，其中日本的“海明”波浪發(fā)電試驗(yàn)船實(shí)現(xiàn)了海上浮體波浪電站向陸地小規(guī)模供電。另外，波浪發(fā)電也有望成為海上航標(biāo)和孤島供電的重要來(lái)源。

3.4 氫能源

目前在人類提取氫氣的手段還沒(méi)有成熟以前，無(wú)論從能源節(jié)約、利用角度，還是經(jīng)濟(jì)性上看，都不適合大面積使用。

3.5 可燃冰

可燃冰是天然氣和水結(jié)合在一起的固體化合物，外形與冰相似。由于含有大量甲烷等可燃?xì)怏w，因此極易燃燒。它廣泛分布于海底和大陸凍土帶中，儲(chǔ)量巨大，是一種新能源。但同時(shí)，如果開(kāi)采不當(dāng)，則可能會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性的大氣溫室效應(yīng)災(zāi)害和海底地質(zhì)塌陷[4]。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，可燃冰很可能成為替代傳統(tǒng)能源的最主要的能源之一。

3.6 核動(dòng)力

目前，核動(dòng)力裝置主要用于大型軍艦和潛艇[5]。由于擔(dān)心放射性物質(zhì)污染航道、港口和城市環(huán)境，因此很多港口拒絕核動(dòng)力船進(jìn)港。對(duì)核燃料使用后的核廢料也還缺乏妥善處理辦法。所以，目前核動(dòng)力裝置還沒(méi)有被民用船舶所采用。一些已建成的核動(dòng)力船都已改裝為常規(guī)動(dòng)力裝置船。但隨著人類核技術(shù)應(yīng)用水平的不斷提升，相信使用核動(dòng)力的船舶數(shù)量會(huì)越來(lái)越多。

3.7 生物柴油

現(xiàn)階段，主要可以提煉生物柴油的作物包括大豆、棕櫚、藻類等。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，經(jīng)人工培育的異養(yǎng)藻類，單位養(yǎng)殖面積的產(chǎn)油效率是大豆的200倍，棕櫚的15倍，煉油后剩余的生物質(zhì)還可以轉(zhuǎn)化為沼氣和飼料，可以說(shuō)是一種非常高效的太陽(yáng)能衍生能源。生物柴油應(yīng)用于船舶和海洋結(jié)構(gòu)物，具有其它新能源無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

由于生物柴油燃燒產(chǎn)生的碳排量源自生物生長(zhǎng)過(guò)程中吸取大氣中（或其它工業(yè)生產(chǎn)中排放出）的碳，與將化石能源中的碳從地底排放至大氣相比，并未對(duì)大氣中的二氧化碳含量造成任何變化，因此可以從真正意義上稱之為“零排放”?？梢灶A(yù)見(jiàn)，如果生物柴油能夠大面積在船舶上應(yīng)用，全球的減排指標(biāo)將可以制定得更為嚴(yán)格，新船設(shè)計(jì)能效指數(shù)EEDI的計(jì)算公式亦將被重新改寫。

另外，同樣是太陽(yáng)能，一個(gè)是在陸地上通過(guò)生物的方式吸取太陽(yáng)能，一個(gè)是在海上通過(guò)太陽(yáng)能面板的方式吸取太陽(yáng)能，相比之下，可能前者的方式更適合船舶。因?yàn)閷?duì)于船來(lái)說(shuō)，通過(guò)使用新能源去帶動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，可能比自身去吸收新能源更加適合。

4 傳統(tǒng)能源在船舶和海洋結(jié)構(gòu)物上的集約化應(yīng)用

在新能源尚未能成為大范圍替代傳統(tǒng)能源在船舶和海上建筑物上應(yīng)用的同時(shí)，提高集約化利用傳統(tǒng)能源的方式、效率，從而達(dá)到節(jié)能、低耗、環(huán)保。比如在FPSO和采油平臺(tái)上采用柴油與燃?xì)怆p燃料發(fā)電機(jī)組代替?zhèn)鹘y(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)組，其中的燃?xì)獠捎迷瓉?lái)通過(guò)燃燒臂白白燒掉的油田伴生氣；鍋爐采用燃油燃?xì)怆p燃料鍋爐代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油鍋爐；通過(guò)熱回收機(jī)組回收冷卻水系統(tǒng)中的散熱量等值得推廣的實(shí)例。

5 結(jié) 語(yǔ)

新興能源，要想在船舶和海洋工程物上取得廣泛應(yīng)用并占據(jù)主要角色，還有很長(zhǎng)的路要走。從基礎(chǔ)技術(shù)研究，到可行性論證，到陸上產(chǎn)品研發(fā)，最后改型移植至船上?，F(xiàn)階段，對(duì)于目前經(jīng)濟(jì)性很差的那部分新興能源，人類更應(yīng)該將精力投入在基礎(chǔ)技術(shù)研究上，而不是真正大規(guī)模應(yīng)用上。

[1] 繆國(guó)平，等.以科學(xué)發(fā)展觀指導(dǎo)船型設(shè)計(jì)和優(yōu)化[J].上海造船，2008, (2).

[2] 黃朝明.船舶風(fēng)帆助航的試驗(yàn)研究[M].大連海事大學(xué)，2008.

[3] 繆國(guó)平，等.海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)與海洋工程裝備研發(fā)中若干水動(dòng)力學(xué)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題[J].上海造船，2009, (1).

[4] 吳 震.新型潔凈能源可燃冰的研發(fā)現(xiàn)狀[J].節(jié)能，2009, (2).

[5] 美國(guó)CVN核動(dòng)力航母[J].現(xiàn)代兵器，2004, (3).