风力推进和燃料电池可以改善航运业碳足迹

风力推进和燃料电池可以改善航运业碳足迹

信德海事网 绿色航运小组 高珑嫣

近期，国际清洁交通委员会（ICCT）发布了一份新的研究报告，以调查在散货船上使用液体燃料电池、压缩氢燃料电池取代传统燃料的潜力，以及在船舶上安装转子帆进行风力辅助推进的效果。

本次研究以三艘散货船为模型：

·一艘在中国航行的57,000载重吨的沿海干散货船

·一艘在北美五大湖区域航行的69,000载重吨的矿石和煤炭运输船

·一艘在北欧航行的7,570载重吨的水泥运输船

船舶具体情况如下图所示：

图片来源：ICCT

通过使用2019年的AIS的船舶数据和天气数据来预估船舶的总能耗和每艘船两条航线上转子帆的节能潜力。应用ICCT的船舶排放评估模型（SAVE）来估算船舶的燃料使用情况。

研究发现，在这三艘船中可以发现安装转子帆的好处。每一个转子帆在港—港之间可以节约0.1%-7.2%的能源消耗。由于转子帆产生的功率相对于船舶总功率而言较小，因此两艘大船安装转子帆所节约的能源消耗小于小船。

使用压缩氢燃料电池时，两艘较大的船舶即使没有风力辅助推进的帮助也可以顺利完成模拟的两条航线的航行。对于在五大湖区域航行的最大载重吨的散货船而言，安装转子帆可以减少燃料的消耗，每一个转子帆可以使得燃料成本降低1.4%。对于在中国航行的散货船来说，安装转子帆可以节省更高的费用，最高可以达到3.1%。

考虑到风帆产生的功率的占比情况，转子帆对于在北欧航行的散货船具有最大的节能潜力。每个转子帆最高可以节省高达7.2%的能源消耗，如果安装四个节能甚至可以达到28%或更多。然而，较小的这种散货船上并没有那么多空间来装液态氢（LH2），这使得其在使用氢燃料电池方面更加具有挑战性。结果显示，只有最短的五个航段上可以单独使用氢燃料电池实现，而另外的两个航段需要与风力推进相配合来实现。如果LH2占据了2.4%的货物的空间，再加上四个转子帆，便可以实现最长的两个航段的航行。

若选择使用压缩氢（CH2），比LH2占用更多的空间，但不需要低温储存，同时也带来了挑战。结果显示，只有中国的散货船可以使用这种燃料来完成操作。她可以单独使用CH2实现实验模拟的四个航段中的三个航段，并可以在增加六个转子帆的情况下实现第四个航段。其他两艘船没有足够的空间来携带足够的CH2以满足其在我们模拟的航线上的能源需求。

不同的组合情况总结如下：

图片来源：ICCT

报告中还研究了影响转子帆的节能效果的因素。我们发现，节能效果因风况而异，对风速和风向十分敏感。穿过船舷的主导风向和略微朝向船头的风向能使得转子帆产生最大的效果。同时，转子帆的转速也会对效果产生影响。太慢了，它们不会产生很多推力；太快了，它们消耗的能量比节省的能量还要多。

转子帆的大小也会影响性能。研究发现，在其他条件相同的情况下，较高的风帆会带来较大的节能效果。而且，随着船舶安装的转子帆数量的增加，可以节省的能量也在增加。

结论与展望

报告中应用的风力辅助推进器和液态氢燃料电池驱动的船舶将不产生直接污染，但是是在氢气来源于可再生能源，而不是化石燃料的前提下，所带来的气候效益才能够明显。转子帆可以减少船舶的燃料消耗量，可以在现有的传统燃料船舶上进行改装，以减少化石燃料的消耗；转子帆也可以安装在新造船上，包括混合动力船舶和零排放船舶等，以节省能源消耗。

对于现有船舶能效指数（EEXI）、碳强度指标（CII）等航运脱碳法规的相继出台，在船舶上安装转子帆来提供辅助的风力推进是一个值得考虑的选择，对于现有船舶或者新造船的燃料使用和排放均产生积极的作用，可以帮助船东遵守国际法规，同时提高政府在航运业脱碳方面的信心与勇气。

未来的研究将侧重于解决多个转子帆之间一起运行时潜在空气动力的相互作用。根据船舶大小和波浪数据进行更具体的水动力阻力假设，并根据出现的天气和海洋条件确定最佳航线，为船舶及其运行条件调整转子帆的大小，有助于船东更好的降低燃料成本以及遵守法规。