替代船舶動力：進展與透視

摘要：為探索可行的低碳航運發展路徑，全面綜述核動力推進系統、風力輔助推進系統、太陽能光伏系統、燃料電池動力系統、電池電力動力系統等替代船舶動力系統的研究現狀、應用進展、技術特點和未來潛力，指出各種替代船舶動力系統推廣應用所面臨的挑戰。結果表明：新一代熔鹽反應堆核動力推進系統而非傳統壓力水堆在海事領域的應用正在積極探索中；風力輔助推進系統是一種具有立即可用性、廣泛適用性和發展長遠性的能效改進措施；太陽能光伏系統的裝船應用前景并不理想，而燃料電池動力系統、電池電力動力系統的應用場景主要限于內河和沿海航運及中小型船舶，其與其他動力系統構成混合動力系統可能是主流選擇。

關鍵詞：低碳航運；船舶能效；替代船舶動力系統；混合動力系統

一、引言

內燃機動力裝置自1910年代開始裝船應用，到1940年代開始大規模替代蒸汽機/蒸汽輪機船舶動力裝置，內燃機驅動的航運業已逾一個世紀。作為化石能源消耗的主要行業之一，航運業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 ) 日益嚴苛的監管之中[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、顆粒物質等大氣污染物排放提出監管要求的基礎上，自2011年開始引入了第4章以加強船舶能效和溫室氣體排放監管。在此基礎上，2018年4月，IMO海上環境保護委員會 ( 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略》，提出了到2050年國際航運溫室氣體排放總量相比2008年減少50%的目標。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中葉實現航運碳中和的強烈信號。

減少或者消除航運溫室氣體排放的路徑和措施主要包括技術性措施、營運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，必須通過技術性措施和營運性措施發揮作用；而物流與供應鏈優化、降速運行、航線和航速優化、使用岸電等營運性措施只能在一定程度上提升能效，能否實現零碳航運最終還是取決于技術性措施的運用，具體包括使用替代燃料、替代船舶動力或廢氣處理技術等[2]。對于內燃機船舶動力系統的替代，業界討論或應用示范過的潛在方案包括核動力推進系統、風力輔助推進系統、太陽能光伏系統、燃料電池動力系統、電池電力動力系統等。本文對各種替代船舶動力系統的研究現狀、應用進展、技術特點和未來潛力進行了綜述，旨在明晰各種替代船舶動力系統推廣應用所面臨的挑戰，以凝聚業界的共識和行動，加快促進航運業的去碳化進程。

二、核動力推進系統

1.技術特點

核動力裝置基于核燃料的裂變反應，產生大量熱量并通過工質 ( 蒸汽或燃氣 ) 驅動汽輪機或燃氣輪機，同時帶動螺旋槳或發電機工作。核燃料中蘊含著巨大的能量，同單位核反應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、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堆設計，在整個設計壽命內無須補充燃料；但在民用領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或開式循環的高溫氣冷堆、沸水反應堆 ( Boiling Water Reactor，BWR )、熔鹽反應堆 ( 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系統具有無須頻繁補充燃料、更多的載貨空間、更高的功率和航速、沒有廢氣排放等優勢，但在建造和營運費用、安全與保安考量、公眾接受度、特殊的人員技能要求、港口基礎設施等方面存在顯著障礙。因此，商船應用核動力推進系統還有很長的一段路要走。

2.發展現狀

1954年美國核動力潛艇“USS Nautilus”下水服役開創了艦船使用核動力推進系統的先河，此后一大批潛艇、航空母艦、破冰船等開始使用核動力。自核動力首次應用以來，約有700個核反應堆在海上運行過，其中大多數是壓力水堆，目前依然在海上運行的核反應堆約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技術的核動力商船的應用已驗證商船應用核動力推進系統在經濟性上是完全不可行的，因此也就沒有進一步的應用示范。但隨著低碳/零碳航運發展愿景的提出，近兩年人們又將目光瞄向了核動力。2022年4月，挪威Ulstein集團推出新一代零排放船舶Thor號，采用釷基熔鹽反應堆 ( Thorium MSR ) 作為其動力來源。同期，三星重工擬基于Seaborg的緊湊型熔鹽反應堆技術 ( CMSR ) 開發浮式核反應堆用于氫、氨生產，800 MW的CMSR裝置運行壽命達到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 ( HMM ) 等9方代表共同簽署了一份諒解備忘錄，準備開發和示范應用適用于船舶的、基于MSR的小型模塊化反應堆 ( Small Modular Reactor，SMR ) 技術，以及培養核動力船舶運營專家和產業基礎設施建設專家，為核動力船舶未來的商業化建立合作基礎。采用MSR技術似乎是當前船舶核動力推進系統的主流選擇，與此同時，通過布置在戰略性燃料加注節點的浮式核反應堆生產電制燃料，似乎也將是服務低碳海上運輸的可行路徑之一。MSR是核裂變反應堆的一種，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堆冷卻劑，當反應堆內部出現異常時熔鹽 ( 液態核燃料 ) 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的潛力，使其非常適合于海上應用，類似的概念設計還包括來自英國的Core Power及美國的Terra Power等公司的探索。

三、風力輔助推進系統

風力驅動世界海運船隊長達幾個世紀，此后受船舶大型化、營運快速化、操作靈便性等需求影響，到兩個世紀前遂逐漸開始被化石燃料發動機所替代。受石油危機、油價上漲的影響，風力輔助推進在1980年代的日本造船業有過短暫的復蘇，此后受油價暴跌、技術不成熟、營運不經濟等因素的影響而一度停滯。進入21世紀，在國際海事行業關于船舶節能減排法規的要求下，風力輔助推進又進入公眾視野。近年來，國內外學術界和工業界針對風力輔助推進系統 ( Wind Assisted Propulsion System，WAPS ) 開展了大量的研究和應用示范，其中的關鍵技術和研究熱點包括帆型設計與優化、風帆布置與空氣動力學、風帆控制系統設計與優化、風力資源分析與航線優化、風帆-柴油機聯合優化等[2]。當前，主流的WAPS包括風箏帆、硬翼帆和轉筒帆三種技術方案，但以轉筒帆的應用最廣泛，而以硬翼帆的技術提供方最多。三種技術方案的技術特點和發展現狀介紹如下。

1.風箏帆

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

圖1  風箏帆應用示范

風箏帆最成功的應用示范之一是德國SkySails公司的天帆系統，首見應用于“Beluga”號 ( 見圖1a )，于2008年3月成功完成首航；實船測試表明，理想航次可節省50%的燃油消耗，年均可節省燃油消耗10%~15%。另一家風箏帆技術提供方是法國Airseas公司，創建于2016年，其首個Seawing風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風帆裝置，預期每年能節省超過20%的燃料。

2.硬翼帆

硬翼帆指的是船上出于節能目的裝設的、直接借助風力產生輔助推進力的硬質機翼形風帆，其工作原理為：當氣流流過機翼形風帆時，在其壓力面和吸力面產生壓差，機翼結構獲得升力和阻力，根據攻角的不同轉化為相應的推進力和側推力，從而推動船舶航行。相對于其他風帆，硬翼帆有著穩定性強、安全性高、結構簡單、操作靈活及可利用范圍廣的特點，在超大型油船 ( Very Large Crude Carrier，VLCC )、散貨船等大型遠洋商船上具有較好的應用前景。

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艘配備相同系統的船舶，此后受油價下跌、技術不成熟、營運不經濟等因素影響而一度停滯。2018年和2022年，大連船舶重工集團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，分別能實現年均3%和9.8%的節油效果[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 ( 見圖2a )、英國BAR Technologies的WindWings系統 ( 見圖2b )、法國VPLP Design的AYRO Oceanwings系統 ( 見圖2c ) 和瑞典AlfaWall的Oceanbird系統 ( 見圖2d ) 等。

圖2  部分硬翼帆技術或系統

3.轉筒帆

轉筒帆以空氣動力學為依據，基于馬格努斯效應 ( Magnus effect ) 產生推動力，于1920年代由德國工程師Anton Flettner提出。旋轉的圓柱體在來流作用下，會受到垂直于來流方向的側向力，借助這項推力并通過調整轉子的旋轉方向，使其在橫風或斜風狀態下產生沿船長方向的推力，從而達到助推效果[9]。轉筒帆作為新型推進裝置，可以隨時根據風向調整轉速，充分利用風力；相比于傳統風帆，轉筒帆占用很小的甲板空間，受惡劣風況的影響不大，對側向風效果最明顯。目前，轉筒帆具有最多的裝船應用案例。

轉筒帆在現代船舶上的首次商業化應用是德國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省燃料消耗高達22.9%。除了Enercon公司外，芬蘭Norsepower公司和英國Anemoi Marine Technologies公司也是轉筒帆的解決方案提供者。Norsepower轉筒帆已經應用于豪華郵輪 ( 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”輪一年分別節省了5%和8.2%的燃料消耗。Anemoi轉筒帆首個實船應用為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計院為希臘船東Victoria Steamship設計，系全球首艘安裝風力輔助推進系統的散貨船。據測算，該輪投入使用后可在相同航速下日均降低主機油耗4 t左右。

圖3  部分轉筒帆應用案例

四、太陽能光伏系統

1.應用現狀

太陽能在可預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電和光熱發電兩種方案。太陽能光伏系統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，如用于交流負載，還需配置逆變器。太陽能電池板基于半導體的光生伏特效應 ( Photovoltaic effect )，直接將太陽的光能轉化為電能，輸出直流電存儲在蓄電池中，整個過程無燃燒、無排放、無運動部件和噪聲。太陽能光伏系統在船舶應用的典型示范項目包括“Auriga Leader”輪、“Paolo Topic ”輪、“Turanor PlanetSolar”輪等。作為國家高技術船舶科研項目的應用示范，“中遠騰飛”輪安裝了總容量為143 kW的太陽能光伏系統，可降低船舶柴油發電機組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，相當于每天節省燃油0.46 t[10]。

2.未來潛力

太陽能光伏系統是當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用，前景相對黯淡。其主要面臨三方面的挑戰：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，供電穩定性不夠；相關設備造價高導致較長的投資回收期。地球表面的不同的緯度區域，太陽輻射強度為2.3~5.7 ( kW·h/m2 )/d，且光伏組件的能量轉換效率通常僅為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的船舶，太陽能光伏系統產生的能量僅為150~6 000 kW·h/d[11]。受地理緯度、季節、晝夜及船舶表面有限的可用表面積影響，太陽能光伏系統的節能潛力據測算為0.2%~12%[12]。對于汽車運輸船、滾裝船、散貨船而言，太陽能光伏系統發電可用于照明、通信、蓄電池充電等場合，仍不失為提升船舶營運能效的有效措施。此外，靠近赤道的區域內有較高的太陽日照值，在北緯30°至南緯30°范圍內運營的船舶有更大的潛力使用太陽能光伏系統。

五、燃料電池動力系統

1.技術特點

燃料電池由陽極、陰極、電解質和外部電路四個部分組成，通過電化學反應將燃料的化學能轉變為電能。燃料電池不受卡諾循環的限制，因而具有較高的效率和經濟性，通常其能量轉化效率為45%~60%；若考慮采用Rankine、Brayton或熱電聯產 ( Combined Heat and Power，CHP ) 等后置循環利用余熱并構成混合動力系統，能量利用總效率可達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起來構成電堆，并進一步通過直流變壓器使輸出電壓達到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，船舶各種輔助機械通常由交流電動機驅動，燃料電池輸出的直流電需要通過逆變器轉換為交流電。此外，燃料電池燃料的供給無法對外界負載變化作出立即的響應，再考慮受限的功率輸出，燃料電池與柴油機、蓄電池等構成混合動力系統是常規的選擇。

2.應用現狀

燃料電池自1960年代開始應用于潛艇，到1990年代德國Class 212A級潛艇的應用將燃料電池推送到被高度關注的地位。但燃料電池在民用領域的應用，進入21世紀才被逐漸推廣開來。截至目前，燃料電池作為船舶動力系統的研發和應用示范近百個，比較典型的項目如表3所示[13]。

表3  典型的燃料電池船舶應用示范

3.未來前景

PEMFC技術成熟、成本較低，是目前應用最廣泛的燃料電池類型。但因為使用鉑作為電極材料增加了系統成本，且對CO和S有中毒反應，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英尺集裝箱開發的模塊成組技術，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[14]，如圖4所示。

圖4  TECO2030公司FCC6400燃料電池動力系統

PEMFC受功率范圍、氫燃料儲運及加注基礎設施等因素的影響，在遠洋航運領域似乎并沒有太大的應用前景，但其在內河、沿海航運中因為零排放優勢，在部分船型上和特定應用場景中仍具有較大的發展潛力。AFC、PAFC、DMFC三種燃料電池因為各自的缺點和不足，目前來看在海事領域并沒有太大的應用前景。MCFC、SOFC為高溫燃料電池，工作過程中產生的余熱可以用于燃料重整和驅動燃氣輪機或蒸汽輪機，因此對于氫、氨、甲醇和各種碳氫燃料具有廣泛的適應性，組成的混合動力系統還可以實現高達10 MW的輸出功率和超過80%的能量利用效率，因此如果技術成熟度、可靠性、耐久性、經濟性能得到顯著提升的話，未來對于大型遠洋船舶而言仍然具有較強的競爭力。

六、電池電力動力系統

1.技術特點

隨著陸地汽車工業電動化的快速發展，電動船舶的應用示范也在穩步推進中。國內外航運企業及相關部門都在大力推廣電動船舶的建造和使用，并積極推動相關技術規范和基礎設施的完善。與傳統的內燃機動力相比，電池動力具有零排放、零噪音、高能效、高舒適性、低維護成本等特點。然而，高昂的設備初始投資、岸電基礎設施投資、火災風險性都是電動船舶應用面臨的挑戰[15]。更重要的是，電池的質量能量密度和體積能量密度都顯著低于內燃機動力裝置，例如，鋰電池的質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，續航力和頻繁的充電需求成為純電動船舶應用的主要制約因素�？傊�，純電動船舶受限于電池 ( 或超級電容 ) 的功率容量，僅適用于內河、湖泊、庫區及近海小型船舶，純電動船舶對于內河近岸運行的船舶具有明顯的優勢；但對于大型遠洋船舶而言，電池電力發展潛力有限，與內燃機、燃料電池、風力輔助動力系統、太陽能光伏系統組成混合動力系統才是可能的潛在選項。據DNV發布的Energy Transition Outlook 2022報告，電池電力在未來海運領域能源消耗中的占比不會超過2%。另外值得一提的是，電池電力是否能實現零碳排放，直接取決于當地電網可再生電力的占比。

2.應用現狀

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，該輪設計總長100 m，總寬16.3 m，可容納1 300客位，配備7.5 MW·h動力電池，一次充電可續航100 km，每年可替代燃油530 t。根據DNV AFI平臺數據[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，其次是近海補給船。

圖5  全球電動船隊

七、結語

隨著世界主要經濟體和國際海事行業紛紛提出實現碳中和發展的雄心和愿景，航運廢氣排放和溫室氣體排放將受到越來越嚴苛的限制。雖然預期“內燃機+船用替代燃料”是低碳航運發展的主流路徑，但核動力推進系統、風力輔助推進系統、太陽能光伏系統、燃料電池動力系統、電池電力動力系統等替代船舶動力系統的研發與應用仍然方興未艾，并預期在未來仍將發揮重要作用。核動力推進系統在可預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，且當前在海事領域的研究熱點已從傳統的壓力水堆轉向熔鹽反應堆核動力推進系統。風力輔助推進系統僅能作為一種能效改進措施，但具有立即可用性、廣泛適用性和發展長遠性，在部分船型和航線上仍具有較好的發展前景。太陽能光伏系統受限于功率容量和能源效率，也僅能作為一種能效改進措施，但其裝船應用前景并不理想。燃料電池動力系統、電池電力動力系統均可直接用于船舶主推進，但受限于功率容量、功率密度、安全性考量等因素，其應用場景主要限于內河和沿海航運及中小型船舶，并且與其他動力系統構成混合動力系統可能是主流選擇。當前，并沒有一種中心化的解決方案可用于實現航運低碳發展，因地制宜、多措并舉是一種理性的選擇。