摘要：为探索可行的低碳航运发展路径，全面综述核动力推进系统、风力辅助推进系统、太阳能光伏系统、燃料电池动力系统、电池电力动力系统等替代船舶动力系统的研究现状、应用进展、技术特点和未来潜力，指出各种替代船舶动力系统推广应用所面临的挑战。结果表明：新一代熔盐反应堆核动力推进系统而非传统压力水堆在海事领域的应用正在积极探索中；风力辅助推进系统是一种具有立即可用性、广泛适用性和发展长远性的能效改进措施；太阳能光伏系统的装船应用前景并不理想，而燃料电池动力系统、电池电力动力系统的应用场景主要限于内河和沿海航运及中小型船舶，其与其他动力系统构成混合动力系统可能是主流选择。
关键词：低碳航运；船舶能效；替代船舶动力系统；混合动力系统
一、引言
内燃机动力装置自1910年代开始装船应用，到1940年代开始大规模替代蒸汽机/蒸汽轮机船舶动力装置，内燃机驱动的航运业已逾一个世纪。作为化石能源消耗的主要行业之一，航运业大气污染物及温室气体排放日益受到公众的重视，并逐渐纳入国际海事组织 ( International Maritime Organization，IMO ) 日益严苛的监管之中[1]。在《国际防止船舶造成污染公约》( MARPOL公约 ) 附则VI第3章对硫氧化物、氮氧化物、颗粒物质等大气污染物排放提出监管要求的基础上，自2011年开始引入了第4章以加强船舶能效和温室气体排放监管。在此基础上，2018年4月，IMO海上环境保护委员会 ( Marine Environmental Protection Committee，MEPC ) 以MEPC.304 ( 72 ) 号决议通过了《IMO船舶温室气体减排初步战略》，提出了到2050年国际航运温室气体排放总量相比2008年减少50%的目标。与此同时，自2021年11月召开的IMO MEPC 77次会议以来，国际社会释放了到本世纪中叶实现航运碳中和的强烈信号。
减少或者消除航运温室气体排放的路径和措施主要包括技术性措施、营运性措施和市场性措施三大类。市场性措施并不能直接减少温室气体排放，必须通过技术性措施和营运性措施发挥作用；而物流与供应链优化、降速运行、航线和航速优化、使用岸电等营运性措施只能在一定程度上提升能效，能否实现零碳航运最终还是取决于技术性措施的运用，具体包括使用替代燃料、替代船舶动力或废气处理技术等[2]。对于内燃机船舶动力系统的替代，业界讨论或应用示范过的潜在方案包括核动力推进系统、风力辅助推进系统、太阳能光伏系统、燃料电池动力系统、电池电力动力系统等。本文对各种替代船舶动力系统的研究现状、应用进展、技术特点和未来潜力进行了综述，旨在明晰各种替代船舶动力系统推广应用所面临的挑战，以凝聚业界的共识和行动，加快促进航运业的去碳化进程。
二、核动力推进系统
1.技术特点
核动力装置基于核燃料的裂变反应，产生大量热量并通过工质 ( 蒸汽或燃气 ) 驱动汽轮机或燃气轮机，同时带动螺旋桨或发电机工作。核燃料中蕴含着巨大的能量，同单位核反应释放能量是化石燃料 ( 煤 ) 释放能量的约30万倍[3]。核动力装置所使用的核燃料主要有铀-235 ( Uranium，U )、钚-239 ( Plutonium，Pu )、钍-232 ( Thorium，Th )、MOX燃料 ( Mixed Oxide Fuel，UO2+PuO2 ) 等四种类型，因具有放射性而有较高的防护、避碰要求。美国、英国、俄罗斯等军用舰船主要使用高浓缩铀燃料及采用紧凑型反应堆设计，在整个设计寿命内无须补充燃料；但在民用领域只能考虑使用低浓缩燃料，因此在商船生命周期中还要考虑燃料的加注和核废料的处理问题，通常加注周期为5~7年，加注过程需要30天左右[4]。船舶核动力装置所采用的反应堆主要为压力水堆 ( Pressurized Water Reactor，PWR )，其典型功率范围为27~300 MW；其他的型式还包括闭式循环或开式循环的高温气冷堆、沸水反应堆 ( Boiling Water Reactor，BWR )、熔盐反应堆 ( Molten Salt Reactor，MSR ) 及核电池 ( 放射性同位素电池 ) 等。综上，船舶使用核动力推进系统具有无须频繁补充燃料、更多的载货空间、更高的功率和航速、没有废气排放等优势，但在建造和营运费用、安全与保安考量、公众接受度、特殊的人员技能要求、港口基础设施等方面存在显著障碍。因此，商船应用核动力推进系统还有很长的一段路要走。
2.发展现状
1954年美国核动力潜艇“USS Nautilus”下水服役开创了舰船使用核动力推进系统的先河，此后一大批潜艇、航空母舰、破冰船等开始使用核动力。自核动力首次应用以来，约有700个核反应堆在海上运行过，其中大多数是压力水堆，目前依然在海上运行的核反应堆约200个[5]。就核动力商船 ( 不含专用破冰船 ) 而言，人类历史上一共建造过4艘，其基本情况见表1[6]。
表1 核动力商船基本情况
此前的4艘基于PWR技术的核动力商船的应用已验证商船应用核动力推进系统在经济性上是完全不可行的，因此也就没有进一步的应用示范。但随着低碳/零碳航运发展愿景的提出，近两年人们又将目光瞄向了核动力。2022年4月，挪威Ulstein集团推出新一代零排放船舶Thor号，采用钍基熔盐反应堆 ( Thorium MSR ) 作为其动力来源。同期，三星重工拟基于Seaborg的紧凑型熔盐反应堆技术 ( CMSR ) 开发浮式核反应堆用于氢、氨生产，800 MW的CMSR装置运行寿命达到24年，无须在港口添加新的燃料或处理使用过的乏燃料。2023年2月，韩国庆州市政府、韩新海运 ( HMM ) 等9方代表共同签署了一份谅解备忘录，准备开发和示范应用适用于船舶的、基于MSR的小型模块化反应堆 ( Small Modular Reactor，SMR ) 技术，以及培养核动力船舶运营专家和产业基础设施建设专家，为核动力船舶未来的商业化建立合作基础。采用MSR技术似乎是当前船舶核动力推进系统的主流选择，与此同时，通过布置在战略性燃料加注节点的浮式核反应堆生产电制燃料，似乎也将是服务低碳海上运输的可行路径之一。MSR是核裂变反应堆的一种，其主要特征是使用熔融的混合盐同时作为核燃料载体和反应堆冷却剂，当反应堆内部出现异常时熔盐 ( 液态核燃料 ) 将自动硬化。较高的被动安全性和热效率以及未来使用钍循环的潜力，使其非常适合于海上应用，类似的概念设计还包括来自英国的Core Power及美国的Terra Power等公司的探索。
三、风力辅助推进系统
风力驱动世界海运船队长达几个世纪，此后受船舶大型化、营运快速化、操作灵便性等需求影响，到两个世纪前遂逐渐开始被化石燃料发动机所替代。受石油危机、油价上涨的影响，风力辅助推进在1980年代的日本造船业有过短暂的复苏，此后受油价暴跌、技术不成熟、营运不经济等因素的影响而一度停滞。进入21世纪，在国际海事行业关于船舶节能减排法规的要求下，风力辅助推进又进入公众视野。近年来，国内外学术界和工业界针对风力辅助推进系统 ( Wind Assisted Propulsion System，WAPS ) 开展了大量的研究和应用示范，其中的关键技术和研究热点包括帆型设计与优化、风帆布置与空气动力学、风帆控制系统设计与优化、风力资源分析与航线优化、风帆-柴油机联合优化等[2]。当前，主流的WAPS包括风筝帆、硬翼帆和转筒帆三种技术方案，但以转筒帆的应用最广泛，而以硬翼帆的技术提供方最多。三种技术方案的技术特点和发展现状介绍如下。
1.风筝帆
风筝帆又称“天帆”，如图1所示，其是将相当面积 ( 高达1 000 m2 ) 的天帆/翼伞释放到200~400 m的高空中承受更稳定和强劲的风压并产生推进力。风筝帆装置的主要组成部件包括三部分：甲板设备，包括储藏室、桅杆和自动收放装置；飞行设备，包括翼伞、飞行控制舱和脐带缆 ( 处理牵引力、传输数据及供电 )；驾驶台的控制软件及设备[7]。相比其他风帆，风筝帆能在高达100 km/h的风中运行，在有利风力条件下单位面积能产生多达25倍的功率，替代高达2 MW的推进功率。但风筝帆在高空中状态多变，难以控制，在应急情况下的操纵成为该技术需解决的首要难题。
图1 风筝帆应用示范
风筝帆最成功的应用示范之一是德国SkySails公司的天帆系统，首见应用于“Beluga”号 ( 见图1a )，于2008年3月成功完成首航；实船测试表明，理想航次可节省50%的燃油消耗，年均可节省燃油消耗10%~15%。另一家风筝帆技术提供方是法国Airseas公司，创建于2016年，其首个Seawing风帆装置安装于滚装船“Ville de Bordeaux”轮 ( 见图1b )，并于2022年开始了为期6个月的跨大西洋试验航行。2022年12月，Airseas公司为日本K Line的一艘Capesize型散货船安装了Seawing风帆装置，预期每年能节省超过20%的燃料。
2.硬翼帆
硬翼帆指的是船上出于节能目的装设的、直接借助风力产生辅助推进力的硬质机翼形风帆，其工作原理为：当气流流过机翼形风帆时，在其压力面和吸力面产生压差，机翼结构获得升力和阻力，根据攻角的不同转化为相应的推进力和侧推力，从而推动船舶航行。相对于其他风帆，硬翼帆有着稳定性强、安全性高、结构简单、操作灵活及可利用范围广的特点，在超大型油船 ( Very Large Crude Carrier，VLCC )、散货船等大型远洋商船上具有较好的应用前景。
1980年代日本造船厂在建造了全球首艘安装硬翼帆的“Shin Aitoku Maru”之后，先后建造了17艘配备相同系统的船舶，此后受油价下跌、技术不成熟、营运不经济等因素影响而一度停滞。2018年和2022年，大连船舶重工集团有限公司为招商轮船先后建造了两艘安装硬翼帆的VLCC——“NEW VITALITY”( 凯力 ) 轮和“NEW ADEN”( 新伊敦 ) 轮，分别能实现年均3%和9.8%的节油效果[8]。目前，硬翼帆具有最广泛的工程方案提供者，其他的还包括日本MOL的Wind Challenger系统 ( 见图2a )、英国BAR Technologies的WindWings系统 ( 见图2b )、法国VPLP Design的AYRO Oceanwings系统 ( 见图2c ) 和瑞典AlfaWall的Oceanbird系统 ( 见图2d ) 等。
图2 部分硬翼帆技术或系统
3.转筒帆
转筒帆以空气动力学为依据，基于马格努斯效应 ( Magnus effect ) 产生推动力，于1920年代由德国工程师Anton Flettner提出。旋转的圆柱体在来流作用下，会受到垂直于来流方向的侧向力，借助这项推力并通过调整转子的旋转方向，使其在横风或斜风状态下产生沿船长方向的推力，从而达到助推效果[9]。转筒帆作为新型推进装置，可以随时根据风向调整转速，充分利用风力；相比于传统风帆，转筒帆占用很小的甲板空间，受恶劣风况的影响不大，对侧向风效果最明显。目前，转筒帆具有最多的装船应用案例。
转筒帆在现代船舶上的首次商业化应用是德国Enercon公司2008年下水的杂货船“E-Ship 1”轮 ( 见图3a )，该轮于2010年投入商用，在Emden-Portugal的一个航次中宣称节省燃料消耗高达22.9%。除了Enercon公司外，芬兰Norsepower公司和英国Anemoi Marine Technologies公司也是转筒帆的解决方案提供者。Norsepower转筒帆已经应用于豪华邮轮 ( 见图3b )、散货船 ( 见图3c ) 等多种船型，其中装有两个转筒帆的滚装船“Estraden”轮和11万载重吨成品油轮“Maersk Pelican”轮一年分别节省了5%和8.2%的燃料消耗。Anemoi转筒帆首个实船应用为2018年装船的6.4万载重吨散货船“Afros”轮 ( 见图3d )，该轮由上海船舶研究设计院为希腊船东Victoria Steamship设计，系全球首艘安装风力辅助推进系统的散货船。据测算，该轮投入使用后可在相同航速下日均降低主机油耗4 t左右。
图3 部分转筒帆应用案例
四、太阳能光伏系统
1.应用现状
太阳能在可预见的未来是一种取之不尽用之不竭的可再生能源，对于太阳能的利用主要有光伏发电和光热发电两种方案。太阳能光伏系统由于较好的成本效益而成为主流的方案，它由太阳能电池板、控制器、蓄电池等组成，如用于交流负载，还需配置逆变器。太阳能电池板基于半导体的光生伏特效应 ( Photovoltaic effect )，直接将太阳的光能转化为电能，输出直流电存储在蓄电池中，整个过程无燃烧、无排放、无运动部件和噪声。太阳能光伏系统在船舶应用的典型示范项目包括“Auriga Leader”轮、“Paolo Topic ”轮、“Turanor PlanetSolar”轮等。作为国家高技术船舶科研项目的应用示范，“中远腾飞”轮安装了总容量为143 kW的太阳能光伏系统，可降低船舶柴油发电机组120~143 kW的功率消耗，按阳光充足的情况下每天可提供16 h供电计，相当于每天节省燃油0.46 t[10]。
2.未来潜力
太阳能光伏系统是当前陆地上最有前景的可再生能源利用装置，但其在船舶上的直接应用，前景相对黯淡。其主要面临三方面的挑战：船体表面有限的可用面积限制了光伏组件的布置；受天气、地理位置等的影响，供电稳定性不够；相关设备造价高导致较长的投资回收期。地球表面的不同的纬度区域，太阳辐射强度为2.3~5.7 ( kW·h/m2 )/d，且光伏组件的能量转换效率通常仅为10%~22%，而一般商船可用表面积上限为500~10 000 m2，也就是说，针对不同大小和航区的船舶，太阳能光伏系统产生的能量仅为150~6 000 kW·h/d[11]。受地理纬度、季节、昼夜及船舶表面有限的可用表面积影响，太阳能光伏系统的节能潜力据测算为0.2%~12%[12]。对于汽车运输船、滚装船、散货船而言，太阳能光伏系统发电可用于照明、通信、蓄电池充电等场合，仍不失为提升船舶营运能效的有效措施。此外，靠近赤道的区域内有较高的太阳日照值，在北纬30°至南纬30°范围内运营的船舶有更大的潜力使用太阳能光伏系统。
五、燃料电池动力系统
1.技术特点
燃料电池由阳极、阴极、电解质和外部电路四个部分组成，通过电化学反应将燃料的化学能转变为电能。燃料电池不受卡诺循环的限制，因而具有较高的效率和经济性，通常其能量转化效率为45%~60%；若考虑采用Rankine、Brayton或热电联产 ( Combined Heat and Power，CHP ) 等后置循环利用余热并构成混合动力系统，能量利用总效率可达80%以上。典型的氢燃料电池及其特征如表2所示[13]。
表2 典型的氢燃料电池及其特征
通常，在单电池上能产生0.5~1.0 V的直流电压，因此，为满足使用要求，需要将多个单电池串联起来构成电堆，并进一步通过直流变压器使输出电压达到450~750 V甚至更高；为提高电堆的输出功率，需要增大单电池的面积以获得更大的输出电流，但这容易导致燃料、氧气分布不均匀或漏泄，加之受到材料、工艺、成本的限制，总的输出功率受限。同时，船舶各种辅助机械通常由交流电动机驱动，燃料电池输出的直流电需要通过逆变器转换为交流电。此外，燃料电池燃料的供给无法对外界负载变化作出立即的响应，再考虑受限的功率输出，燃料电池与柴油机、蓄电池等构成混合动力系统是常规的选择。
2.应用现状
燃料电池自1960年代开始应用于潜艇，到1990年代德国Class 212A级潜艇的应用将燃料电池推送到被高度关注的地位。但燃料电池在民用领域的应用，进入21世纪才被逐渐推广开来。截至目前，燃料电池作为船舶动力系统的研发和应用示范近百个，比较典型的项目如表3所示[13]。
表3 典型的燃料电池船舶应用示范
3.未来前景
PEMFC技术成熟、成本较低，是目前应用最广泛的燃料电池类型。但因为使用铂作为电极材料增加了系统成本，且对CO和S有中毒反应，因此对氢气纯度有要求。PEMFC单个电堆的输出功率通常不足300 kW，受到材料、工艺的限制想要显著提升存在较大的难度，目前见诸媒体的挪威氢燃料电池制造商TECO2030组装和测试的FCM400 ( 400 kW燃料电池 ) 是输出功率最大的PEMFC模块。此外，基于针对20英尺、40英尺集装箱开发的模块成组技术，该公司可提供3.2 MW和6.4 MW输出功率的燃料电池动力系统[14]，如图4所示。
图4 TECO2030公司FCC6400燃料电池动力系统
PEMFC受功率范围、氢燃料储运及加注基础设施等因素的影响，在远洋航运领域似乎并没有太大的应用前景，但其在内河、沿海航运中因为零排放优势，在部分船型上和特定应用场景中仍具有较大的发展潜力。AFC、PAFC、DMFC三种燃料电池因为各自的缺点和不足，目前来看在海事领域并没有太大的应用前景。MCFC、SOFC为高温燃料电池，工作过程中产生的余热可以用于燃料重整和驱动燃气轮机或蒸汽轮机，因此对于氢、氨、甲醇和各种碳氢燃料具有广泛的适应性，组成的混合动力系统还可以实现高达10 MW的输出功率和超过80%的能量利用效率，因此如果技术成熟度、可靠性、耐久性、经济性能得到显著提升的话，未来对于大型远洋船舶而言仍然具有较强的竞争力。
六、电池电力动力系统
1.技术特点
随着陆地汽车工业电动化的快速发展，电动船舶的应用示范也在稳步推进中。国内外航运企业及相关部门都在大力推广电动船舶的建造和使用，并积极推动相关技术规范和基础设施的完善。与传统的内燃机动力相比，电池动力具有零排放、零噪音、高能效、高舒适性、低维护成本等特点。然而，高昂的设备初始投资、岸电基础设施投资、火灾风险性都是电动船舶应用面临的挑战[15]。更重要的是，电池的质量能量密度和体积能量密度都显著低于内燃机动力装置，例如，锂电池的质量能量密度和体积能量密度分别约为0.6 MJ/kg和1.4 MJ/L，而船用柴油分别为42 MJ/kg和36 MJ/L。因此，续航力和频繁的充电需求成为纯电动船舶应用的主要制约因素。总之，纯电动船舶受限于电池 ( 或超级电容 ) 的功率容量，仅适用于内河、湖泊、库区及近海小型船舶，纯电动船舶对于内河近岸运行的船舶具有明显的优势；但对于大型远洋船舶而言，电池电力发展潜力有限，与内燃机、燃料电池、风力辅助动力系统、太阳能光伏系统组成混合动力系统才是可能的潜在选项。据DNV发布的Energy Transition Outlook 2022报告，电池电力在未来海运领域能源消耗中的占比不会超过2%。另外值得一提的是，电池电力是否能实现零碳排放，直接取决于当地电网可再生电力的占比。
2.应用现状
在中国，超过50艘电动船舶已投入使用或正在建造。2022年3月，全球载电量最大的纯电动旅游客船“长江三峡1”号在宜昌首航，该轮设计总长100 m，总宽16.3 m，可容纳1 300客位，配备7.5 MW·h动力电池，一次充电可续航100 km，每年可替代燃油530 t。根据DNV AFI平台数据[16]，截至2022年底，全球电动船舶共558艘，其中混合动力占比52%，插电混动占比20%，纯电动占比22%，且超过1/3在挪威；如图5所示，在已投入使用或在建的电动船舶中，固定航线和相对较短航程的滚装渡轮占比最多，其次是近海补给船。
图5 全球电动船队
七、结语
随着世界主要经济体和国际海事行业纷纷提出实现碳中和发展的雄心和愿景，航运废气排放和温室气体排放将受到越来越严苛的限制。虽然预期“内燃机+船用替代燃料”是低碳航运发展的主流路径，但核动力推进系统、风力辅助推进系统、太阳能光伏系统、燃料电池动力系统、电池电力动力系统等替代船舶动力系统的研发与应用仍然方兴未艾，并预期在未来仍将发挥重要作用。核动力推进系统在可预见的未来用于国际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装置上可能具有前景，且当前在海事领域的研究热点已从传统的压力水堆转向熔盐反应堆核动力推进系统。风力辅助推进系统仅能作为一种能效改进措施，但具有立即可用性、广泛适用性和发展长远性，在部分船型和航线上仍具有较好的发展前景。太阳能光伏系统受限于功率容量和能源效率，也仅能作为一种能效改进措施，但其装船应用前景并不理想。燃料电池动力系统、电池电力动力系统均可直接用于船舶主推进，但受限于功率容量、功率密度、安全性考量等因素，其应用场景主要限于内河和沿海航运及中小型船舶，并且与其他动力系统构成混合动力系统可能是主流选择。当前，并没有一种中心化的解决方案可用于实现航运低碳发展，因地制宜、多措并举是一种理性的选择。
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作者简介：
邢辉，大连海事大学轮机工程学院，副教授。
李想，大连海事大学轮机工程学院，本科生。
本文刊发于《世界海运》2023年第4期，转发须注明作者和原文出处。
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