绿色船舶发展现状及方向分析
中船重工经研中心 王传荣
摘要：随着环保要求的不断增强，绿色船舶已成为未来船舶发展的代名词。
本文通过对绿色船舶定义的介绍，深入诠释了绿色船舶的内涵；在详细阐述目前绿色船舶研发现状的基础上，深入分析了绿色船舶未来的发展方向，为船舶工业的发展方向提供了参考依据。
船舶作为当今经济发展重要的运输工具之一，拥有着其它运输工具无法比拟的优势。
近年来，随着世界经济一体化进程的加快，海上运输业更加繁忙起来，世界造船市场也异常火爆，船舶需求量达到了前所未有的程度。
但与此同时，船舶所带来的环境污染的问题也越来越成为人们关注的焦点，针对船舶污染问题的公约、标准正不断出台，如目标型新造船标准、船舶涂层性能标准、压载水管理公约、拆船公约等，绿色船舶已成为未来船舶发展的代名词。
1绿色船舶的定义及内涵
“绿色”的概念最早出现于20世纪90年代中期，其核心内容是保护人体健康和人类赖以生存的环境，促进经济可持续发展。
绿色船舶就是指在其全寿命周期中（包括设计、制造、营运、报废拆解），通过采用先进技术、能经济地满足用户功能和使用性能的要求，并节省资源和能源，减少或消除环境污染，且对劳动者（生产者和使用者）具有良好保护的船舶。
绿色船舶的绿色度主要取决于设计人员的环境意识、以人为本的设计理念和营运过程中的管理力度。
当前绿色船舶在设计、建造和营运中主要体现在以下几方面：
（1）设计中，广泛采用绿色无污染材料、标准化和模块化零部件或单元；充分考虑加工制造过程中材料利用率，同时还须考虑船舶产品在营运寿命终止后，报废、拆解不会对环境造成负面影响，以及部分材料、零部件和设备能够再生利用；尽量简化工艺，优化配置, 提高整个制造系统的运行效率,使原材料和能源的消耗最少；减少不可再生资源和短缺资源的使用量, 尽量采用各种替代物资和技术。
（2）制造中，采用绿色制造工艺，即从技术入手，尽量采用物料和能源消耗少、废弃物少、对环境污染小的工艺方案和工艺路线。
目前最有效的绿色制造包括：绿色加工工艺、绿色焊接工艺和绿色涂装工艺。
其中，绿色加工工艺包括净成形制造、干式加工、工艺模拟技术、网络技术、虚拟现实技术与敏捷制造等；绿色焊剂工艺即选择使用节能焊机，采用高效、无弧光、无粉尘污染的焊接材料和方法；绿色涂装工艺即通过合理选择涂料，减少涂料品种，简化工序，提高工时效率，采用移动式涂装系统和环保型分段涂装房，实现环保型涂装作业的目标。
（3）运营中，减少发动机氮氧化物、硫氧化物等温室气体的排放；防止燃料油、有害液
体的泄漏；合理进行垃圾、污水处理；严格控制舱底油的卸载等。
图1 绿色船舶设计要点
图2 船舶当前或未来须遵守的各种规范、标准
此外，为了更快地推进绿色船舶的发展进程，国际海事组织（IMO）、欧盟以及一些国家也都纷纷出台各种规范、标准，从制度上确保全球海洋环境或区域海洋环境尽可能地免受污染（见图2）。
因此，绿色船舶在设计、建造、营运以及后期的报废拆解过程中都要严格地遵守各项规范、标准的要求，同时还须密切关注未来将要颁布、执行的各项规范、标准，做到未雨绸缪。
2新型绿色船舶研发现状
为了更好地应对日益严格的环保要求，更加积极主动地应对未来船舶市场的需求，世界各大船舶研究机构、先进造船企业以及相关机构都在加大研发力度，不断推出满足绿色船舶要求的新技术、新船型以及新动力等。
目前，关于绿色船舶的研发，从基本的高效节能船型开发、到低排放高效动力推进装置的研发，再到环保无污染涂料以及轻质材料的研制，可谓面面俱到，全方位地打造着未来的新型绿色船舶。
其中，新概念无压载水（或压载水箱）船舶和新型能源推进船舶最具有革新性和代表性。
2.1无压载水（或压载水箱）船舶
通常情况下，船舶需要通过装卸一定量的压载水来维持必要的吃水，以保证航行安全。
目前，由于压载水的随意排放而导致生态系统的改变和破坏的问题越来越引起人们的关注。
压载水已经被国际海事组织（IMO）宣布为海洋面临的“四大危害”之一。
2004年2月国际海事组织通过了《国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约》，制定了严格的压载水排放标准，同时，许多航运大国也加强了对压载水的监管力度。
然而，海上环境保护委员会以及全球压载水管理项目组都认为当前尚无一种适于在船上治理压载水的有效方法。
为此，日本造船研究中心（SRCJ）提出了无压载水船舶，而美国密热安大学则研发出无压载水箱船。
2.1.1无压载水船舶
早在2001年，SRCJ就开始对该船型进行研究和开发，应用于该船型的专利已被世界多数国家所接纳。
自2003年以来，该研究工作还受到了日本船舶技术研究协会以及私人企业的支持。
2005年，日本3大主要机构：三菱重工、石川岛播磨造船和日本船级社也加入了SRCJ，进行相关的研发工作。
目前，无压载水船（NOBS）已被证实可以应用到现实中。
（1）NOBS船体设计
NOBS船体设计中一个主要特征就是船底为横向倾斜的，如此设计主要是为了使船舶在无压载水的情况下拥有足够的吃水以保证船舶的安全航行。
此外，通过加宽船体来解决排水量减少的问题。
（见图3）
具体来说，NOBS的船体在宽度上要比传统的船体宽：为满足吃水时的排水量，船底设计成横向具有较大倾角的形状；为分散排水量，加大了船首和船尾的面积。
此外，采用小而高效的螺旋桨进行推进。
图3 具有倾斜船底的NOBS
（2）研究结果
自2001年以来，NOBS的研发工作已经取得了很大进展，目前从研究情况来看，可以确定的是NOBS适用于大型船舶如苏伊士油轮和VLCC（见表1），并且有希望获得较好的经济效益。
表1 苏伊士油轮和VLCC的NOBS型与传统型的主要尺寸的比较
性能比较
苏伊士油轮 VLCC
传统船型 NOBS 传统船型
NOBS
垂线间长 265.00m 267.00m 316.00m 317.50m 设计水线长 271.00m 322.50m
型宽 43.00m 56.00m 60.00m 70.00m 船底倾角 0°15.2° 0° 10.8° 螺旋桨直径 8.60m 7.70m 9.50m 8.55m
满载时 吃水 16.00m 19.10m
排水量 160,000t 162,500t 300,000t 303,000t
空载时
有压载水 无压载水 有压载水 无压载水 尾吃水 8.82m 7.90m 9.74m 8.76m
首吃水 5.84m 3.00m 7.04m 3.10m
排水量 68,650t 28,100t 122,370t 50,000t 压载水 43,050t 0 75,370t 0
2.1.2无压载水箱船
美国密热安大学近日成功研发出无压载水箱货船，并在大型水槽进行了试验，试验结果证实可以达到节省燃油和减排的目的，且能提高航速。
美国密热安大学研发的新概念船设计思路是取消压载水箱，代之以两条海水可在舱内流动的大型管道“水流箱”。
当空船出港时，将大型管道的前后盖子打开，海水自然地流入,随着船出航，海水从管道自前向后流动，保持船舶平衡；货船载货航行时,将两条大管道中的海水排
放掉，关上前后的盖子。
据悉，美国海洋研究所为此提供了一笔资金，帮助密热安大学对该无压载水箱货船进行航行试验。
结果证明,该船未出现任何问题，与此同时，还证明该方式可使船舶动力最大节省7.3％。
由此测算，如果一艘3.2万载重吨级散货船满载货物从安大略湖出发驶往欧洲港口，往返航行可节省价值15万美元的燃油。
研究人员表示，由于船底安装的两条大型管道中海水自前向后流动,水流可起到帮助螺旋桨推进器加快旋转速度的作用，同时节省能源。
2.2 新型能源推进船舶
随着全球温室效应的加剧，国际海事组织（IMO）也越来越关注船舶温室气体排放对全球温室效应的影响。
在今年上半年召开的IMO第57次海环会（MEPC57）上，正式通过了国际防止船舶造成污染公约（MARPOL）附则6关于减少船舶有害气体排放规则的修正案，并单独成立了船舶温室气体排放工作组，对船舶造成的大气污染问题进行研究。
船舶温室气体减排已成为全球造船界热议的话题之一。
随之而来的是，各式各样新型船舶推进系统应运而生。
2.2.1燃料电池推进船舶
燃料电池是将燃料（如氢、天然气、丙烷和甲醇等）中的化学能直接转化为电能的机电装置。
目前挪威船级社正在开展有关船用燃料电池的全面研究工作，研究中，燃料电池动力单元的研制结合了新型电子技术、电子动力以及控制系统技术，且在岸上进行动力单元的测试和认证后，进行实船实验。
已有的研究证实，燃料电池应用到船舶之上具有柴油机无可比拟的优点，一是，应用燃料电池的船舶将比现有的柴油机推进船舶的效率提高50％，且实现零污染排放；二是，使用燃料电池不会产生噪音和振动，将提高乘客的舒适感，并大大改善船员的工作环境；三是燃料电池的设计简单，可移动部件较少，因此维护方面的投入将大大减少；四是，燃料电池是标准模块化设计，可以更加方便地合理利用船上空间。
同时，燃料电池的广泛使用存在初始投入成本较高的缺点，但由于燃料电池较低的燃料消耗以及石油价格的居高不下，再加上燃料电池运行成本较低，这些都大大弥补了这一不足。
2.2.2LNG燃料船
多年来，挪威船东、咨询公司、船厂以及相关权威人士一直关注于LNG燃料船相关技术的研发，不断地将LNG燃料应用到除LNG船以外的船舶上。
目前一些使用LNG燃料的渡船已在北海地区服务。
据使用这些船舶的船东介绍，这些船舶的氮氧化物的排放量减少了89％，即每艘船每年减少了159吨的排放物，每年可为船东节省
100万美元。
此外，二氧化碳的排放物减少了20％，即每艘船每年减少2157吨的排放物。
氧化硫排放量则减少了100％。
据悉，使用LNG能源可以使船舶的燃料燃烧效率增加30％。
船舶每年约消耗7000吨LNG。
图4 Wallenius公司一艘将安装甲醇燃料电池的汽车运输船 去年，Eidesvik近海公司又与Vik Sandvik设计公司联手开发出了LNG燃料平台供应船（见图4）。
Eidesvik表示，与普通船用柴油船相比，使用LNG燃料平台供应船可以使氮氧化物的排放降低84％，二氧化碳排放降低20％。
由此可见，LNG燃料船已成为绿色船舶发展的一个方向。
图5 采用LNG燃料的平台供应船
3绿色船舶未来发展方向
当前，人们正在通过利用世界最前沿、最先进的科学技术，从各个方面打造着新型绿色船
舶。
可以断定，未来绿色船舶的发展方向将是综合了所有绿色因素的新概念船舶。
新概念船舶在其整个寿命周期中将不会向大气或海洋释放任何有害排放物，同时其运输效率和装载能力将达到最优化。
概括起来，绿色船舶未来发展方向包括可再生能源的充分利用，零污染、零排放物目标的实现，最优化船型的开发，无污染、轻质材料的使用等方面。
3.1可再生能源的充分利用
新概念船舶将充分利用燃料电池、太阳能、风能以及波浪能等零污染或可再生能源，为船上所有设施提供能量，完成船舶的所有操作。
（1）燃料电池
燃料电池技术目前发展迅速，尤其在汽车工业中的应用已非常广泛，这为船舶上的充分利用奠定了基础。
（2）太阳能
太阳能将通过设置在船帆上的太阳能电池板等装置获得，当不需要通过风能推进时，船帆通过改变角度获得更多的太阳能。
太阳能将被转化为电能直接应用或储存起来。
（3）风能
风能将通过由轻质合成材料制成的船帆直接获得。
船帆将可以向上、向外折叠，能够通过旋转桅顶来寻找最佳的位置，吸收通过拖曳力、升力或是两者的合力所产生的风能。
（4）波浪能
通过合理布置减摇鳍，结合波浪、减摇鳍与船舶的相对运动，将波浪能转化为不同形式的能，如氢能、电能或机械能。
同时，减摇鳍又通过这些能量起到对船舶的推进作用。
3.2零污染、零排放物目标的实现
新概念船舶通过采用可再生能源、无压载水船型，真正实现船舶航行零污染、零排放物的目标。
由于采用可再生能源，能量产生过程中伴随的副产品只有纯净水蒸气和热；同时，由于采用燃料电池推进，既消除了船舶噪音又提高了船舶航行的灵活性；此外，通过改变船型结构，如采用多体船结构等，使船舶航行中完全摆脱压载水带来的污染问题的困扰。
3.3最优化船型的开发
由于要充分利用太阳能、风能、波浪能等可再生资源，因此，船舶在设计中既要全面考虑如何充分利用这些能源，又要考虑使船舶的装载能力、运输效率达到最优。
3.4无污染、轻质材料的使用
新概念船舶将采用轻质无污染材料，如由铝和热塑性塑料合成的材料，这种材料与传统碳钢材料相比具有抗张强度高、维护费用低、易于成型重量轻、耐疲劳以及可循环利用等优点，既能够提高船舶运输效率，又能够使船舶建造或拆解过程中对环境的污染降到最低。
4 结语
未来的绿色船舶将既是世界前沿科技发展的产物，又是人类环保意识、理念提升的体现。
绿色船舶的实现不是一朝一日就能完成的，需要对船舶全寿命周期的每一个环节、每一个阶段进行不断地摸索与实践。
此外，也是最重要的一点，绿色船舶的实现更取决于人们的环保意识的增强，船舶从最初设计、到建造过程中的每个细节再到船舶的运营以及后期的报废拆解，每个环节都与人的意识密切相关，因此，“以人为本”将是未来绿色船舶发展的前提条件。
