石 珊 徐天南

（1. 丹華海洋工程裝備（南通）有限公司 南通 226300； 2. 中再生紐維爾資源回收設(shè)備(江蘇)有限公司 南通 226300）

0 引 言

全球氣候變暖已成為當(dāng)今國際社會最為關(guān)注的問題。國際海事組織（IMO）第4次溫室氣體研究報告顯示，2012—2018年全球海運(yùn)溫室氣體排放量（包括國際、國內(nèi)和漁船排放）從9.77 億t增至10.76 億t，增幅9.6%。其中，CO排放量從9.62億t增至10.56 億t，增幅9.3%。雖然國際海運(yùn)碳排放強(qiáng)度降低了11%，但整體仍呈上升趨勢。近幾年，全球機(jī)動漁船總數(shù)穩(wěn)定在286 萬艘左右，截至2019年末，我國機(jī)動漁船總數(shù)為46.83 萬艘，總噸位1 004.84 萬t，總功率為1 990.53 萬kW。以美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）提出的CO計算方法估算，我國機(jī)動漁船CO排放量約為3 500萬t。根據(jù)數(shù)量比例，我國機(jī)動漁船溫室氣體排放量達(dá)到全球機(jī)動漁船溫室氣體排放量的1/6，減少漁船溫室氣體排放迫在眉睫。

減少溫室氣體排放或增加大氣中溫室氣體的吸收是解決全球氣候問題的主要措施。2018年，國際海事組織（IMO）提出到2050年全球海事溫室氣體排放總量較2008年降低50%的遠(yuǎn)期目標(biāo)。中國在第75屆聯(lián)合國大會上提出： 將力爭于2030年前實現(xiàn)“碳達(dá)峰”，2060年前實現(xiàn)“碳中和”。這一長遠(yuǎn)目標(biāo)的提出，將綠色新能源的應(yīng)用推到前所未有的高度。

1 新能源概述

新能源又稱非常規(guī)能源，是指傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式，指剛開始開發(fā)、利用或正在積極研究、有待推廣的能源， 包括太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、波浪能、洋流能和潮汐能等；此外，燃料形式還有氫能、沼氣、酒精、氨氣和甲醇等。雖然傳統(tǒng)能源柴油幾乎占據(jù)了全球整個海運(yùn)系統(tǒng)，但隨著節(jié)能低碳等政策相繼推出，新型能源技術(shù)開始興起，未來或?qū)⒅饾u撼動柴油的地位。目前新能源技術(shù)在船舶上的應(yīng)用主要有新型燃料動力、蓄電池動力、太陽能動力以及風(fēng)帆動力等技術(shù)。

2 漁船新能源技術(shù)應(yīng)用

2.1 新型能源燃料

液化天然氣、液氫、液氨以及甲醇等新型燃料是目前全球海事關(guān)注的焦點。液化天然氣（LNG）是以天然氣原料經(jīng)處理后，通過低溫工藝（-162 ℃）形成的低溫液體，甲烷含量高達(dá)90%，燃燒可減少20%左右的CO及90%的NO排放，幾乎無硫化物與顆粒物產(chǎn)生。液氨是將氨氣通過加壓或冷卻（-34 ℃）得到液態(tài)氨，具有腐蝕性，不完全燃燒時也會產(chǎn)生氮氧化物。甲醇在常溫下即為液態(tài)且有毒，燃燒產(chǎn)物為CO與水，不充分燃燒時會產(chǎn)生CO。液氫是將氫氣經(jīng)低溫工藝處理（-253 ℃）形成的低溫液體，在自然界中以化合形式存在，是一種二次能源，燃燒產(chǎn)物只有水，是一種零排放的清潔能源。

目前新型燃料動力系統(tǒng)主要為燃料發(fā)動機(jī)與燃料電池技術(shù)。

船舶新型燃料發(fā)動機(jī)的型式主要有純氣體機(jī)以及雙燃料機(jī)。由于純氣體機(jī)的熱效率等技術(shù)問題，因此，雙燃料機(jī)是目前新能源船舶應(yīng)用的主要型式。

雙燃料機(jī)是將柴油與新型燃料進(jìn)行混合使用。以LNG雙燃料機(jī)為例，一般采用柴油引燃，以最低1%的柴油帶動LNG燃燒制動，最終實現(xiàn)最高99%的柴油替代率，可在相應(yīng)工況下進(jìn)行切換;國內(nèi)船舶較多采用的雙燃料機(jī)則是在發(fā)動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時將LNG與柴油混合，柴油替代率約為70%。

2.1.1.1 LNG動力

2020年，全球首艘電池LNG混合動力漁船Libas號誕生，如圖1所示。該圍網(wǎng)漁船由土耳其伊斯坦布爾的Cemre船廠建造，船長86 m，配備了曼恩（MAN）公司的1臺MAN 6L51/60DF主機(jī)、Renk齒輪箱、MAN Alpha螺旋槳系統(tǒng)和MAN Cryo LNG燃料氣體系統(tǒng)，燃料艙容積為350 m。

圖1 Libas號圍網(wǎng)漁船

2012年，全國首批液化天然氣（LNG）柴油雙燃料漁船改造項目正式在天津北塘漁港啟動；2013年，江蘇以38 m標(biāo)準(zhǔn)化漁船為基礎(chǔ)，建造2艘LNG柴油雙燃料動力示范漁船，成為全國首批新造油氣混合動力漁船。

2020年，“粵汕城漁16118”、“粵汕城漁16117”2艘船的調(diào)試與試航檢驗工作順利完成，前者成為全國首艘LNG燃料動力拖網(wǎng)漁船（如圖2所示），后者成為全國首艘電力推進(jìn)燈光罩網(wǎng)漁船。船上配置 420 kW LNG燃料主機(jī)1臺、64 kW的 LNG燃料發(fā)電機(jī)組1臺、64 kW的柴油發(fā)電機(jī)2臺。

圖2 “粵汕城漁 16118”拖網(wǎng)漁船

2.1.1.2 氨動力

由于易儲、低溫室氣體和富氫等特性，氨燃料已得到業(yè)內(nèi)越來越多的關(guān)注，各國也正在積極地開展氨動力船舶的研發(fā)，但目前尚無商、漁船的應(yīng)用案例。

2.1.1.3 甲醇動力

2015年開始，甲醇在商船領(lǐng)域得到應(yīng)用，近期Stena、Waterfront等公司分別簽訂了系列甲醇動力運(yùn)輸船的建造合同。我國在2019年推出了首艘甲醇燃料動力船艇江龍?zhí)栐囼灤摯捎米灾餮邪l(fā)的“甲醇/柴油二元燃燒技術(shù)”，在雙燃料模式之下，碳煙的排放可以減少50% ～ 70%。

2017年，在江蘇省漁船檢驗局的支持下，天津大學(xué)與梅塞尼斯公司的研究人員針對1艘36 m的標(biāo)準(zhǔn)化漁船進(jìn)行甲醇雙燃料試驗改造與可行性分析。甲醇動力漁船整體上尚處于探索階段。

2.1.1.4 氫動力

全球船舶氫能發(fā)動機(jī)尚處于研發(fā)階段。2021年4月27日，川崎重工、洋馬與J-ENG聯(lián)合宣布將合作開發(fā)全球首個用于大型船舶的船用氫燃料發(fā)動機(jī)，預(yù)計將在2025年前后推向市場。瓦錫蘭預(yù)計將于2025年推出純氫燃料發(fā)動機(jī)。

燃料電池技術(shù)是將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，具體如表1所示。由于燃料、溫度、電解質(zhì)和效率等綜合應(yīng)用優(yōu)勢，目前以PEMFC類型的氫燃料電池應(yīng)用為主。

表1 燃料電池分類

續(xù)表1

2015年8月，日本戶田建設(shè)公司研發(fā)的氫燃料動力漁船成功試航，見圖3。該船全長12.5 m，可乘坐12人，搭載450 L氫燃料，速度可達(dá)20 kn，但補(bǔ)充一次氫燃料只能航行2 h。2019年，日本漁業(yè)研究和教育署與豐田汽車公司合作開發(fā)氫燃料動力漁船，并在長崎縣Goto島上的金槍魚養(yǎng)殖場使用，同時聯(lián)合已建造的海上風(fēng)電場，將產(chǎn)生的電力一部分并網(wǎng)、一部分用于制氫，供漁船加注使用。

圖3 日本戶田建設(shè)研發(fā)的氫燃料動力漁船

2020年，浙江東鵬船舶與中山大洋電機(jī)聯(lián)手制造1艘長37 m、寬5.6 m的氫能動力休閑漁船。年底，中創(chuàng)海洋與浙江錫力簽約了“舟山氫能源海釣漁船建造項目”。近年來，舟山正深度謀劃各類氫能應(yīng)用場景，力爭打造國內(nèi)具有影響力的氫能海洋應(yīng)用示范城市“海上氫島”。

相較于傳統(tǒng)的船用柴油，LNG、氫、氨和甲醇具有良好的清潔性。LNG發(fā)展最早，在商、漁船上有較多應(yīng)用，氫、氨及甲醇相對滯后。目前新型燃料在漁船的應(yīng)用存在一些共性問題：

（1）經(jīng)濟(jì)性不明顯

新建或?qū)ΜF(xiàn)有船舶改造的初期投入成本較大，且新型燃料的價格相比柴油缺乏經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。數(shù)據(jù)顯示，目前LNG價格已逐步飆升超過石油，越來越多的商業(yè)LNG船開始轉(zhuǎn)用燃油推進(jìn)。

（2）安全性不足

除甲醇可常溫存儲外，其他新型燃料都需要低溫處理，特別是LNG與液氫的超低溫特性，其生產(chǎn)、儲存及運(yùn)輸技術(shù)還達(dá)不到高效、安全可靠的要求。氨與甲醇有毒，在生產(chǎn)、運(yùn)輸以及使用過程中要注意防護(hù)。

（3）技術(shù)性能不足

目前燃料發(fā)動機(jī)應(yīng)用較多的是雙燃料動力形式，國內(nèi)大多則是混燒機(jī)，純氣體機(jī)的熱效率相對較低，氫、氨等燃料發(fā)動機(jī)尚處于研發(fā)階段，發(fā)動機(jī)技術(shù)性能不足。

氫燃料電池壽命較短，一般不超過5 000 h，與實際應(yīng)用仍有一定差距。環(huán)境適應(yīng)性較差，低溫啟動較為困難。此外，氫燃料若發(fā)生泄露，會引起燃燒事故，因此密封技術(shù)要求較高。

漁船用于保鮮和空調(diào)等方面的制冷能耗占全船能耗30%～40%，如果新型燃料的冷能能夠利用到漁船的制冷系統(tǒng)，不僅有利于節(jié)能減排，還可以節(jié)省一大筆燃料費(fèi)用，但該技術(shù)的研究尚未得到應(yīng)用。

新型燃料的體積能量密度比柴油低，即同樣能量的輸出需要配置比柴油罐體積更大的新型燃料儲罐。同時，低溫及超低溫液體燃料對于船艙和管線的要求非常嚴(yán)格，需要占用較大的船體空間，從而減小了船體的可用空間。

（4）配套設(shè)施滯后

新型燃料的配套基礎(chǔ)設(shè)施在初期建設(shè)的投資較大，回報不明確。以LNG為例，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國大約建設(shè)了18座船用LNG加注站，但是投入運(yùn)營的卻只有6座，且其中5座均在江蘇境內(nèi)。受加注站數(shù)目的影響與限制，部分區(qū)域盡管有較多LNG動力船，但很多船東選擇停運(yùn)。

2.2 蓄電池

目前船舶中應(yīng)用較多是鉛酸電池與鋰電池。鋰電池主要分為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。鉛酸電池多用于應(yīng)急電源、起動電源等，鋰電池可用于船舶推進(jìn)。相對鉛酸蓄電池，鋰電池具有如下的特點：

（1）儲能密度相對較高。鋰電池的儲能密度目前已達(dá)460 ～ 600 Wh/kg，是鉛酸蓄電池的6～7倍。

（2）體積小、質(zhì)量輕。同等規(guī)格磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池的2/3，質(zhì)量僅是鉛酸電池的1/3。

（3）使用壽命長。鋰電池使用壽命一般能達(dá)到6年以上。

（4）高功率承受能力。鋰電池能快速地進(jìn)行充放電，無記憶效應(yīng)。

（5）高低溫適應(yīng)性強(qiáng)。在較低溫度下，鋰電池仍可保證滿容量的輸出。

（6）鋰電池不含鉛汞等有害物質(zhì)，更為環(huán)保。

（7）安全性相對低。受到撞擊或高溫時，鋰電池起火點較低、易爆炸，但目前已基本得到控制。

（8）價格相對高，前期成本壓力較大。

2016年，全球首艘商用電動漁船Karoline號誕生，如圖4所示。該船由挪威船廠SelfaArctic AS建造和設(shè)計，長11 m，配備的ESS系統(tǒng)功率為195 kW，可作業(yè)10 d。此外，該漁船另配有1臺小型50 kW輔助發(fā)電機(jī)，用于晚上與電網(wǎng)相連進(jìn)行充電。

圖4 全球首艘商用電動漁船Karoline號

我國電動漁船也于2017年獲得突破性進(jìn)展，由大連兩家企業(yè)共同研制的6.6 m純電動玻璃鋼養(yǎng)殖漁船通過相關(guān)試驗，并達(dá)到試點應(yīng)用建造推廣要求。

2020年7月，河北秦皇島推出國內(nèi)首款具備電池動力的混合動力休閑漁船。該船總長36 m、型寬6.6 m、型深2.95 m，采用國軒高科磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)，首批投入使用的2艘漁船如圖5和圖6所示。

圖5 6.6 m純電動玻璃鋼養(yǎng)殖漁船

圖6 秦皇島電池混動休閑漁船

船舶蓄電池正往大容量高效率的方向發(fā)展，在商船的應(yīng)用較漁船更多，但總體還處于初步發(fā)展階段，各方面相對不成熟，推廣較為困難，主要原因為以下4點：

（1）經(jīng)濟(jì)性不明顯

目前磷酸鐵鋰電池的價格約為0.6元/Wh，相對于傳統(tǒng)柴油機(jī)，其初期建造成本投入較大。雖然運(yùn)營過程中節(jié)省了能源成本，但壽命較柴油機(jī)短且更換成本高，因此，綜合經(jīng)濟(jì)性有待平衡。

（2）安全性不足

鋰電池過充放電、短路和熱沖擊等均可能導(dǎo)致燃燒爆炸。2019年，挪威渡船公司Norled旗下MF Ytteroyningen號客船的蓄電池室發(fā)生小型火災(zāi)事故。在船舶安全返港后的當(dāng)晚，鋰電池處便發(fā)生嚴(yán)重爆炸。因此，需要嚴(yán)格考慮鋰電池使用的安全問題。

（3）技術(shù)性能不足

儲能密度與快充技術(shù)是限制電動船發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸。儲能密度直接影響到續(xù)航性能以及空間和重量占用率的大小，從而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性較低；快充技術(shù)則影響船舶充電等待時長，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性下降。

（4）配套設(shè)施滯后

由于供電設(shè)施的初始建設(shè)投資較大、運(yùn)營維護(hù)成本高及回報率低，故限制了岸基充電設(shè)施的建設(shè)拓展。

2.3 太陽能

太陽能船舶是光伏技術(shù)在船舶的應(yīng)用，其動力推進(jìn)主要有純電推進(jìn)和混動推進(jìn)。純電推進(jìn)是由太陽能電池組及配套儲能電池組供電，多應(yīng)用于小型船舶?；旌蟿恿ν七M(jìn)較多采用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)與電推構(gòu)成“內(nèi)燃機(jī)一電聯(lián)合”方式。

2007年，古巴設(shè)計和制造了第1艘太陽能漁船，其推進(jìn)最長航行時間可達(dá)4 h。除此之外，更多利用太陽能的方式是為漁船提供輔助電能。2016年，山東日照啟動了漁船太陽能光伏發(fā)電改造項目，并于2017年初完成了148套中型漁船1 500 W及153套小型漁船500 W的光伏發(fā)電系統(tǒng)改造，實現(xiàn)了節(jié)能減排的應(yīng)用。

（1）經(jīng)濟(jì)性不明顯

海洋高濕高鹽的環(huán)境會導(dǎo)致硅板透光性差，發(fā)電效率降低，使更換或維護(hù)保養(yǎng)的成本增加，需要平衡太陽能光伏系統(tǒng)設(shè)備與維護(hù)成本以及節(jié)能之間的經(jīng)濟(jì)性。

（2）技術(shù)性能不足

目前光伏電池多為單晶硅電池，商用實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化效率為13%～18%。大中型船舶的太陽能電力僅可提供0.05%～0.2%動力和1%～4%的生活用電，小型船舶的太陽能電力雖基本能滿足全船所需，但在光照不良時，需備用電源或動力設(shè)備輔助。因此，太陽能電源一般不用作推進(jìn)能源，而是作為船舶日常用電的輔助能源或替代停泊發(fā)電機(jī)組的清潔能源。

需要特別注意的是，漁船空間狹小而船上捕撈設(shè)備占用空間較大，因此需要優(yōu)化太陽能電池板在漁船的布置，預(yù)計未來一段時間太陽能在船舶上應(yīng)用的技術(shù)路線不會發(fā)生根本性改變。

2.4 現(xiàn)代風(fēng)帆動力

船舶主要現(xiàn)代風(fēng)帆主要分為翼型風(fēng)帆、天帆以及轉(zhuǎn)筒帆。翼型風(fēng)帆剖面與機(jī)翼相似，采用液壓裝置對風(fēng)帆的展縮與角度進(jìn)行控制；天帆形似風(fēng)箏，以牽引繩索與船體相連，利用吊艙控制風(fēng)帆飛行姿態(tài)，不影響甲板面積與主尺度；轉(zhuǎn)筒帆是由轉(zhuǎn)筒與兩端板構(gòu)成，當(dāng)轉(zhuǎn)筒在氣流中轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生垂直于氣流方向的橫向力，從而推動船舶前進(jìn)。

2010年，全球首艘風(fēng)動力技術(shù)漁船瑪特杰迪多拉號（德國最大捕魚船）正式啟航，如圖7所示。該船重達(dá)1.5萬t，安裝天帆式風(fēng)帆以提供輔助動力。當(dāng)風(fēng)速在18 n mile以上時，即可啟用風(fēng)帆，可額外增加1 000 kW的動力，節(jié)油效率高達(dá)30%。

圖7 全球首艘現(xiàn)代風(fēng)動力漁船瑪特杰迪多拉號

2008年，溫州漁業(yè)局在洞頭的2艘漁船上安裝了風(fēng)力與太陽能發(fā)電設(shè)備，這是我國首次風(fēng)力與太陽能設(shè)備在漁船上的應(yīng)用，但該系統(tǒng)不用于推進(jìn)，只為船舶提供電力。

風(fēng)帆作為船舶動力來源的實船應(yīng)用已證明能夠有效減少燃料消耗、溫室氣體以及廢氣排放。經(jīng)濟(jì)上，風(fēng)帆助航裝置的成本主要集中在安裝和維護(hù)，運(yùn)營過程中不會帶來明顯的燃料消耗。風(fēng)帆的使用無需配套設(shè)施的建設(shè)，但需要對船員進(jìn)行相應(yīng)的培訓(xùn)?？傮w而言，風(fēng)帆動力較其他新能源技術(shù)優(yōu)勢明顯。SOLAS公約規(guī)定允許使用風(fēng)能作為船舶動力來源，但不可是唯一來源，否則無法滿足安全性和現(xiàn)代商業(yè)對貨物運(yùn)輸時間的嚴(yán)格要求。因此，風(fēng)帆動力僅能夠與其他動力聯(lián)合使用。

3 漁船新能源技術(shù)前景分析

近年來，新能源技術(shù)受到業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。在全球環(huán)境惡化與政策的加持下，迫切需要能夠取代化石燃料的新能源技術(shù)。目前船舶新能源技術(shù)主要有新型燃料動力、蓄電池、太陽能以及現(xiàn)代風(fēng)帆。其中，風(fēng)帆與太陽能對外界環(huán)境依賴較大，產(chǎn)生的動力相對有限，僅適合作為船舶的輔助動力；蓄電池受到電池容量與岸電設(shè)施的限制，僅適合小型船舶短周期使用。由于風(fēng)帆、太陽能及蓄電池的種種限制因素使其不足以成為傳統(tǒng)柴油動力的替代技術(shù)，因此，新型燃料技術(shù)是船舶新能源技術(shù)的主要發(fā)展方向。

雖然燃料發(fā)動機(jī)與燃料電池在技術(shù)上是2種不同的形式，但使用的燃料基本相同。各界紛紛尋求高效零排的終極能源，這也引起了他們對新燃料的爭議?？傮w上，LNG發(fā)展較早，應(yīng)用方面較氨、甲醇與氫更為成熟，但低碳效果與經(jīng)濟(jì)性不足；氨與甲醇的存儲和運(yùn)輸環(huán)節(jié)技術(shù)簡單、 經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯，但動力技術(shù)不成熟且是非零碳能源；氫是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的清潔能源，環(huán)保優(yōu)勢明顯，但屬于二次能源，技術(shù)不成熟且其超低溫特性導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性不足。值得說明的是，LNG、氨和甲醇雖然是非零碳燃料，但隨著生物L(fēng)NG、生物甲醇和碳捕獲等綠色技術(shù)的發(fā)展，新型燃料的零排放將成為可能，這將使氨與甲醇更具終極燃料的優(yōu)勢。

實現(xiàn)零碳目標(biāo)是一個長期的過程，LNG憑借自身相對成熟的優(yōu)勢，可作為目前轉(zhuǎn)型時期的過渡燃料，同時隨著氫、氨、甲醇以及綠色技術(shù)等不斷突破，最終將會出現(xiàn)取代柴油的終極能源。

我國漁船整體技術(shù)水平較低，行業(yè)技術(shù)更新緩慢，根本原因在于缺乏經(jīng)濟(jì)動力、政策扶持力度不足。船舶新技術(shù)的應(yīng)用一般是商船先行，待商船普及之后才在漁船上開始推廣。因此，新能源技術(shù)在漁船上的應(yīng)用不存在根本性的技術(shù)問題。在未來全球氣候環(huán)境的趨勢下，新能源技術(shù)將逐步滲透到漁船，憑借新能源技術(shù)推廣的契機(jī)，加大政策和資金的扶持力度，驅(qū)使在役漁船進(jìn)行技術(shù)改造，同時淘汰老舊漁船，完善新能源動力產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)漁船及能源系統(tǒng)的更新?lián)Q代，改變我國漁船老破舊的局面，為我國低碳事業(yè)作貢獻(xiàn)。