渔船新能源技术应用前景分析

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  }; x) k8 Y3 g0 z- }  h: ~新能源概述

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& |' _3 K5 y" K新能源又称非常规能源，是指传统能源之外的各种能源形式，指刚开始开发、利用或正在积极研究、有待推广的能源，包括太阳能、生物质能、风能、地热能、波浪能、洋流能和潮汐能等；此外，燃料形式还有氢能、沼气、酒精、氨气和甲醇等。虽然传统能源柴油几乎占据了全球整个海运系统，但随着节能低碳等政策相继推出，新型能源技术开始兴起，未来或将逐渐撼动柴油的地位。目前新能源技术在船舶上的应用主要有新型燃料动力、蓄电池动力、太阳能动力以及风帆动力等技术。
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8 C) x7 R# a3 |7 ?" E$ ]/ S渔船新能源技术应用
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2.1 新型能源燃料
! q6 C7 b' A6 c" v液化天然气、液氢、液氨以及甲醇等新型燃料是目前全球海事关注的焦点。液化天然气（LNG）是以天然气原料经处理后，通过低温工艺（-162℃）形成的低温液体，甲烷含量高达90%，燃烧可减少20%左右的CO2及90%的NOX排放，几乎无硫化物与颗粒物产生。液氨是将氨气通过加压或冷却（-34℃）得到液态氨，具有腐蚀性，不完全燃烧时也会产生氮氧化物。甲醇在常温下即为液态且有毒，燃烧产物为CO2与水，不充分燃烧时会产生CO。液氢是将氢气经低温工艺处理（-253℃）形成的低温液体，在自然界中以化合形式存在，是一种二次能源，燃烧产物只有水，是一种零排放的清洁能源。
目前新型燃料动力系统主要为燃料发动机与燃料电池技术。
: g* P; Q( P, {1 l/ ?5 q2.1.1 新型燃料发动机
船舶新型燃料发动机的型式主要有纯气体机以及双燃料机。由于纯气体机的热效率等技术问题，因此，双燃料机是目前新能源船舶应用的主要型式。
# o0 }; s5 U9 Y$ @. ^' a双燃料机是将柴油与新型燃料进行混合使用。以LNG双燃料机为例，一般采用柴油引燃，以最低1%的柴油带动LNG燃烧制动，最终实现最高99%的柴油替代率，可在相应工况下进行切换;国内船舶较多采用的双燃料机则是在发动机稳定运行时将LNG与柴油混合，柴油替代率约为70%。
# J( w5 t' D( C! j6 mLNG动力
2 W% U7 P$ \) h2 l$ T2020年，全球首艘电池LNG混合动力渔船Libas号诞生，如图1所示。该围网渔船由土耳其伊斯坦布尔的Cemre船厂建造，船长86m，配备了曼恩（MAN）公司的1台MAN6L51/60DF主机、Renk齿轮箱、MANAlpha螺旋桨系统和MANCryoLNG燃料气体系统，燃料舱容积为350m3。

                               
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图 1 Libas 号围网渔船
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; |' A4 z3 `% J2012年，全国首批液化天然气（LNG）柴油双燃料渔船改造项目正式在天津北塘渔港启动；2013年，江苏以38m标准化渔船为基础，建造2艘LNG柴油双燃料动力示范渔船，成为全国首批新造油气混合动力渔船。
2020年，“粤汕城渔16118”、“粤汕城渔16117”2艘船的调试与试航检验工作顺利完成，前者成为全国首艘LNG燃料动力拖网渔船（如图2所示），后者成为全国首艘电力推进灯光罩网渔船。船上配置420kWLNG燃料主机1台、64kW的LNG燃料发电机组1台、64kW的柴油发电机2台。
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图 2 “粤汕城渔 16118”拖网渔船

) H: X, `+ }! T氨动力
$ Q8 o0 I- P) j2 S  l: m, X由于易储、低温室气体和富氢等特性，氨燃料已得到业内越来越多的关注，各国也正在积极地开展氨动力船舶的研发，但目前尚无商、渔船的应用案例。
5 p5 b( h5 ^* L, V3 _/ i% K甲醇动力
2015年开始，甲醇在商船领域得到应用，近期Stena、Waterfront等公司分别签订了系列甲醇动力运输船的建造合同。我国在2019年推出了首艘甲醇燃料动力船艇江龙号试验船，该船采用自主研发的“甲醇/柴油二元燃烧技术”，在双燃料模式之下，碳烟的排放可以减少50%~70%。
2017年，在江苏省渔船检验局的支持下，天津大学与梅塞尼斯公司的研究人员针对1艘36m的标准图2“粤汕城渔16118”拖网渔船化渔船进行甲醇双燃料试验改造与可行性分析。甲醇动力渔船整体上尚处于探索阶段。
氢动力
全球船舶氢能发动机尚处于研发阶段。2021年4月27日，川崎重工、洋马与J-ENG联合宣布将合作开发全球首个用于大型船舶的船用氢燃料发动机，预计将在2025年前后推向市场。瓦锡兰预计将于2025年推出纯氢燃料发动机。
5 K) y9 l2 j- g# m, h# }3 {0 P2.1.2 燃料电池技术
燃料电池技术是将燃料化学能转化为电能，具体如表1所示。由于燃料、温度、电解质和效率等综合应用优势，目前以PEMFC类型的氢燃料电池应用为主。
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     2015年8月，日本户田建设公司研发的氢燃料动力渔船成功试航，见图3。该船全长12.5m，可乘坐12人，搭载450L氢燃料，速度可达20kn，但补充一次氢燃料只能航行2h。2019年，日本渔业研究和教育署与丰田汽车公司合作开发氢燃料动力渔船，并在长崎县Goto岛上的金枪鱼养殖场，同时联合已建造的海上风电场，将产生的电力 一部分并网、一部分用于制氢，供渔船加注使用。

                               
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图 3 日本户田建设研发的氢燃料动力渔船

2 r& r5 h3 o$ E) V2020年，浙江东鹏船舶与中山大洋电机联手制造1艘长37m、宽5.6m的氢能动力休闲渔船。年底，中创海洋与浙江锡力签约了“舟山氢能源海钓渔船建造项目”。近年来，舟山正深度谋划各类氢能应用场景，力争打造国内具有影响力的氢能海洋应用示范城市“海上氢岛”。
  O3 ~$ o2 T1 v' O5 h2.1.3 新型燃料动力渔船发展存在的问题
相较于传统的船用柴油，LNG、氢、氨和甲醇具有良好的清洁性。LNG发展最早，在商、渔船上有较多应用，氢、氨及甲醇相对滞后。目前新型燃料在渔船的应用存在一些共性问题：
$ U; Q4 ^  _$ `6 T/ Y+ h, y（1）经济性不明显
! F  h& k' _$ j( v8 X- w新建或对现有船舶改造的初期投入成本较大，且新型燃料的价格相比柴油缺乏经济优势。数据显示，目前LNG价格已逐步飙升超过石油，越来越多的商业LNG船开始转用燃油推进。
（2）安全性不足
( G- T3 ~$ x/ [; ?* D除甲醇可常温存储外，其他新型燃料都需要低温处理，特别是LNG与液氢的超低温特性，其生产、储存及运输技术还达不到高效、安全可靠的要求。氨与甲醇有毒，在生产、运输以及使用过程中要注意防护。联合已建造的海上风电场，将产生的电力一部分并网、一部分用于制氢，供渔船加注使用。
, B. C" K0 T* N& n2 n# Z& a（3）技术性能不足
4 J. S# M" N0 l% K0 S目前燃料发动机应用较多的是双燃料动力形式，国内大多则是混烧机，纯气体机的热效率相对较低，氢、氨等燃料发动机尚处于研发阶段，发动机技术性能不足。
氢燃料电池寿命较短，一般不超过5000h，与实际应用仍有一定差距。环境适应性较差，低温启动较为困难。此外，氢燃料若发生泄露，会引起燃烧事故，因此密封技术要求较高。
渔船用于保鲜和空调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够利用到渔船的制冷系统，不仅有利于节能减排，还可以节省一大笔燃料费用，但该技术的研究尚未得到应用。
1 w  E. j3 I# i新型燃料的体积能量密度比柴油低，即同样能量的输出需要配置比柴油罐体积更大的新型燃料储罐。同时，低温及超低温液体燃料对于船舱和管线的要求非常严格，需要占用较大的船体空间，从而减小了船体的可用空间。
( b' i) h4 Y' z4 g& E（4）配套设施滞后
  X$ ?$ h% d* x" m0 [新型燃料的配套基础设施在初期建设的投资较大，回报不明确。以LNG为例，据不完全统计，我国大约建设了18座船用LNG加注站，但是投入运营的却只有6座，且其中5座均在江苏境内。受加注站数目的影响与限制，部分区域尽管有较多LNG动力船，但很多船东选择停运。
' h1 E% t2 a0 @( k. I/ _! W. @2.2 蓄电池
  |! }1 d% V  t0 O& G' y目前船舶中应用较多是铅酸电池与锂电池。锂电池主要分为磷酸铁锂电池和三元锂电池。铅酸电池多用于应急电源、起动电源等，锂电池可用于船舶推进。相对铅酸蓄电池，锂电池具有如下的特点：
（1）储能密度相对较高。锂电池的储能密度目前已达460~600Wh/kg，是铅酸蓄电池的6～7倍。
% {6 B2 e) ~, L' g. @（2）体积小、质量轻。同等规格磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池的2/3，质量仅是铅酸电池的1/3。
（3）使用寿命长。锂电池使用寿命一般能达到6年以上。
% r9 L0 T" I3 R& O（4）高功率承受能力。锂电池能快速地进行充放电，无记忆效应。
（5）高低温适应性强。在较低温度下，锂电池仍可保证满容量的输出。
) |9 g) x: u5 E5 S; G（6）锂电池不含铅汞等有害物质，更为环保。
* b3 O+ _9 i" s2 [; X& I（7）安全性相对低。受到撞击或高温时，锂电池起火点较低、易爆炸，但目前已基本得到控制。
（8）价格相对高，前期成本压力较大。
2.2.1 蓄电池动力渔船
2016年，全球首艘商用电动渔船Karoline号[18]诞生，如图4所示。该船由挪威船厂SelfaArcticAS建造和设计，长11m，配备的ESS系统功率为195kW，可作业10d。此外，该渔船另配有1台小型50kW辅助发电机，用于晚上与电网相连进行充电。
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图 4 全球首艘商用电动渔船 Karoline 号

我国电动渔船也于2017年获得突破性进展，由大连两家企业共同研制的6.6m纯电动玻璃钢养殖渔船通过相关试验，并达到试点应用建造推广要求。
0 H- D6 b- t; G2020年7月，河北秦皇岛推出国内首款具备电池动力的混合动力休闲渔船[20]。该船总长36m、型宽6.6m、型深2.95m，采用国轩高科磷酸铁锂电池系统，首批投入使用的2艘渔船如图5和图6所示。

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图 5 6.6 m 纯电动玻璃钢养殖渔船

                               
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图 6 秦皇岛电池混动休闲渔船
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. B- V; H; Q5 E- ?1 }2.2.2 蓄电池动力渔船发展存在的问题
( v: s% s% S9 m! _8 z$ X船舶蓄电池正往大容量高效率的方向发展，在商船的应用较渔船更多，但总体还处于初步发展阶段，各方面相对不成熟，推广较为困难，主要原因为以下4点：
（1）经济性不明显
目前磷酸铁锂电池的价格约为0.6元/Wh，相对于传统柴油机，其初期建造成本投入较大。虽然运营过程中节省了能源成本，但寿命较柴油机短且更换成本高，因此，综合经济性有待平衡。
# x; G3 y& }8 k' s3 S4 {" y' r（2）安全性不足
锂电池过充放电、短路和热冲击等均可能导致燃烧爆炸。2019年，挪威渡船公司Norled旗下MFYtteroyningen号客船的蓄电池室发生小型火灾事故。在船舶安全返港后的当晚，锂电池处便发生严重爆炸。因此，需要严格考虑锂电池使用的安全问题。
  e  u) y' b, }( F4 l/ Y( ]8 v# O（3）技术性能不足
储能密度与快充技术是限制电动船发展的主要技术瓶颈。储能密度直接影响到续航性能以及空间和重量占用率的大小，从而导致经济性较低；快充技术则影响船舶充电等待时长，导致经济性下降。
（4）配套设施滞后
由于供电设施的初始建设投资较大、运营维护成本高及回报率低，故限制了岸基充电设施的建设拓展。
2.3 太阳能
  Z7 C* X+ p! u太阳能船舶是光伏技术在船舶的应用，其动力推进主要有纯电推进和混动推进。纯电推进是由太阳能电池组及配套储能电池组供电，多应用于小型船舶。混合动力推进较多采用传统内燃机与电推构成“内燃机一电联合”方式。
2.3.1 太阳能渔船
2007年，古巴设计和制造了第1艘太阳能渔船，其推进最长航行时间可达4h。除此之外，更多利用太阳能的方式是为渔船提供辅助电能。2016年，山东日照启动了渔船太阳能光伏发电改造项目，并于2017年初完成了148套中型渔船1500W及153套小型渔船500W的光伏发电系统改造，实现了节能减排的应用。
2.3.2 太阳能渔船发展存在的问题
（1）经济性不明显
海洋高湿高盐的环境会导致硅板透光性差，发电效率降低，使更换或维护保养的成本增加，需要平衡太阳能光伏系统设备与维护成本以及节能之间的经济性。
. Q* b* k2 m3 s+ _) e（2）技术性能不足
& |' v# g8 `% Z  l3 I目前光伏电池多为单晶硅电池，商用实现光电转化效率为13%～18%。大中型船舶的太阳能电力仅可提供0.05%～0.2%动力和1%～4%的生活用电，小型船舶的太阳能电力虽基本能满足全船所需，但在光照不良时，需备用电源或动力设备辅助。因此，太阳能电源一般不用作推进能源，而是作为船舶日常用电的辅助能源或替代停泊发电机组的清洁能源。
需要特别注意的是，渔船空间狭小而船上捕捞设备占用空间较大，因此需要优化太阳能电池板在渔船的布置，预计未来一段时间太阳能在船舶上应用的技术路线不会发生根本性改变。
2.4 现代风帆动力
船舶主要现代风帆主要分为翼型风帆、天帆以及转筒帆。翼型风帆剖面与机翼相似，采用液压装置对风帆的展缩与角度进行控制；天帆形似风筝，以牵引绳索与船体相连，利用吊舱控制风帆飞行姿态，不影响甲板面积与主尺度；转筒帆是由转筒与两端板构成，当转筒在气流中转动时，产生垂直于气流方向的横向力，从而推动船舶前进。
2.4.1 现代风帆渔船
2010年，全球首艘风动力技术渔船玛特杰迪多拉号（德国最大捕鱼船）正式启航，如图7所示。该船重达1.5万t，安装天帆式风帆以提供辅助动力。当风速在18nmile以上时，即可启用风帆，可额外增加1000kW的动力，节油效率高达30%。
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/ T! z8 C# A4 l& n  E2 h- R                               
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图 7 全球首艘现代风动力渔船玛特杰迪多拉号
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# a8 N0 S6 m& w1 ~1 ^) [2008年，温州渔业局在洞头的2艘渔船上安装了风力与太阳能发电设备，这是我国首次风力与太阳能设备在渔船上的应用，但该系统不用于推进，只为船舶提供电力。
2.4.2 现代风帆渔船发展存在的问题
风帆作为船舶动力来源的实船应用已证明能够有效减少燃料消耗、温室气体以及废气排放。经济上，风帆助航装置的成本主要集中在安装和维护，运营过程中不会带来明显的燃料消耗。风帆的使用无需配套设施的建设，但需要对船员进行相应的培训。总体而言，风帆动力较其他新能源技术优势明显。SOLAS公约规定允许使用风能作为船舶动力来源，但不可是唯一来源，否则无法满足安全性和现代商业对货物运输时间的严格要求。因此，风帆动力仅能够与其他动力联合使用。
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. R$ |9 G/ _. @$ m近年来，新能源技术受到业内的广泛关注。在全球环境恶化与政策的加持下，迫切需要能够取代化石燃料的新能源技术。目前船舶新能源技术主要有新型燃料动力、蓄电池、太阳能以及现代风帆。其中，风帆与太阳能对外界环境依赖较大，产生的动力相对有限，仅适合作为船舶的辅助动力；蓄电池受到电池容量与岸电设施的限制，仅适合小型船舶短周期使用。由于风帆、太阳能及蓄电池的种种限制因素使其不足以成为传统柴油动力的替代技术，因此，新型燃料技术是船舶新能源技术的主要发展方向。
虽然燃料发动机与燃料电池在技术上是2种不同的形式，但使用的燃料基本相同。各界纷纷寻求高效零排的终极能源，这也引起了他们对新燃料的争议。总体上，LNG发展较早，应用方面较氨、甲醇与氢更为成熟，但低碳效果与经济性不足；氨与甲醇的存储和运输环节技术简单、经济优势明显，但动力技术不成熟且是非零碳能源；氢是业内公认的清洁能源，环保优势明显，但属于二次能源，技术不成熟且其超低温特性导致经济性不足。值得说明的是，LNG、氨和甲醇虽然是非零碳燃料，但随着生物LNG、生物甲醇和碳捕获等绿色技术的发展，新型燃料的零排放将成为可能，这将使氨与甲醇更具终极燃料的优势。
实现零碳目标是一个长期的过程，LNG凭借自身相对成熟的优势，可作为目前转型时期的过渡燃料，同时随着氢、氨、甲醇以及绿色技术等不断突破，最终将会出现取代柴油的终极能源。
3 d" t! N" k4 E1 s8 S" R我国渔船整体技术水平较低，行业技术更新缓慢，根本原因在于缺乏经济动力、政策扶持力度不足。船舶新技术的应用一般是商船先行，待商船普及之后才在渔船上开始推广。因此，新能源技术在渔船上的应用不存在根本性的技术问题。在未来全球气候环境的趋势下，新能源技术将逐步渗透到渔船，凭借新能源技术推广的契机，加大政策和资金的扶持力度，驱使在役渔船进行技术改造，同时淘汰老旧渔船，完善新能源动力产业链，实现渔船及能源系统的更新换代，改变我国渔船老破旧的局面，为我国低碳事业作贡献。
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8 p1 J8 Y9 P7 i来源 |《船舶》2022年第5期
作者 | 石 珊  徐天南
排版 | 数智海洋公众号 转载请注明排版及来源
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