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替代能源如何推动超级游艇的未来

2018-08-22 22:15600

更环保的游艇悄然成为一种趋势。2005年,限制船舶排放的规定 (IMO Tier I) 开始生效,此后新的条款也逐渐加入,其目的都是为了减少有害的硫 (SOx)、氮氧化物 (NOx) 和悬浮微粒(游艇会排放到大气中的颗粒物)的数量。

制造商们想了各种巧妙的方法来符合这些日益严格的标准——催化减排器、排气净化器或者从提高燃油效率入手。但随着该行业面临着更高的标准,以及柴油价格波动,我们不禁会提出一个看似简单的问题——未来会发生什么?

83.5米 Feadship Savannah 的发动机舱内装有创新的混合动力装置,Feadship统计与其推出的同类船相比可节省30%的燃油

未来新能源的出现

在寻找替代能源时,常见的选择是生物燃料、氢气、氢燃料电池和液化天然气 (LNG)。根据 DNV GL 船级社的介绍,液化天然气是唯一在价格上有竞争力的燃料,它可以满足各项规定,低SOx、NOx、微粒和二氧化碳的排放,并且不需要额外的工艺技术,如洗涤器、过滤器和催化转换器进行二次处理。

这是一个开始日渐受到关注的想法。BMT Nigel Gee 正在建造两艘70米长的由液化天然气驱动的渡船,根据邮轮产业新闻报道,这批在荷兰服役的73艘游艇中有13艘将使用液化天然气。4月15日,国际海事组织 (International Maritime Organisation) 提出目标,到2050年将船舶的二氧化碳排放量减少50%。预计这些节省的大部分将来自商业领域用船改用液化天然气。

但是液化天然气在休闲游艇市场上存在一些不利因素,来自 BMT Nigel Gee 的 James Roy 说:“它的能量密度只有柴油的50%至60%;因此,所需燃料箱体积较大,”液化天然气比柴油更易燃,因此需要更多的安全措施,而且建造一个液化天然气罐要比建造一个柴油罐复杂得多。Roy 补充道:“除非液化天然气的供应能发生巨变,并且船东们愿意缩短巡航距离,并增加在港口、港口和特殊环境地区消除柴油尾气排放的规定,否则转向这种燃料的可能性不大。”

Savannah 是第一艘使用单节Azipull在可变螺距螺旋桨的滑流中运行的游艇

Amels 的设计经理 Hans Konings 看好的是另一种能源,“在未来的15到20年里,替代柴油的唯一的现实选择将是氢气,而非天然气或燃料电池。所有行业都在寻找可再生能源,因为矿物燃料迟早会用尽。生物燃料不是最终的解决方案;寻找洁净能源,我们有风能、水能、太阳能和氢供选择。我们只需要考虑如何安全地储存和使用。”

短期的解决办法是以更有效的方式使用柴油。混合系统利用电力驱动(PTO)来降低排放,“各种智能电网正在开发中,以满足不同船东的需求”,Konings 说,这包括了速度、无声运行和巡航距离等各种优先事项。“所有的船厂都在用各种发动机组合来实现提高效率的目的。老式的柴油机直接连接到运行系统,在没有减速装置的情况下以特定的速度运行,这在理论上是最有效的推进设备。但是游艇从来不会以额定速度航行,所以 PTO/PTI 系统对我们的行业来说是最好的,因为它提供了各种速度的选择”。他补充道,“超艇 Savannah 是柴油、电力和储能的完美例子。即使是我们的竞争对手 Feadship,我也很高兴看到他们也开始在这一领域的尝试。”

电池将继续发挥作用,但挑战也暗藏其中。这不仅仅是因为电池的成本(如果购买100千瓦时的储能需要大约10万美元),还因为电池很重,并且即使是最新的锂离子电池能量密度仍然偏低。Konings 说:“但是电池在港口使用是非常棒的,因为你不需要启动引擎。我认为,这种将电能储存在电池中的技术还将持续10年。”

Grace E,现在是Nautilus,73米Perini Navi / Vitruvius,拥有柴油发电厂和Azipod推进器。

寄希望于氢气

无论是致力于开发无化石燃料渡轮的荷兰,还是较早采用柴电混合和纯电动渡轮的挪威,都倾向于在航运中应用氢燃料技术。氢气可以作为纯气体储存在燃气箱中,并且能通过太阳能收集器、风力电解装置等产生。BMT Nigel Gee 的发言人表示,尽管现有技术已经解决了了氢储存的问题,但是这个系统仍然非常复杂和庞大。

但是对氢气使用方法的研究仍在继续。2016年秋天,PowerCell Sweden AB 根据合约在挪威的一艘船上安装一对燃料电池堆S3,它将用太阳能来制造自用氢气,其自给自足效能达到原来的4倍。PowerCell 开发的基础是沃尔沃的一个研究项目,该项目将氢气用作卡车、巴士和重型设备的燃料。而氢气对于海洋工业的吸引力在于它相比锂离子电池效率更高。产品重量为每100千瓦(135马力)重32.3千克,并且可根据实际动力需求增加数量。

PowerCell 发言人 Andrea Boden 表示,航运对连接挪威沿海地区至关重要,可以将在陆地上所需的旅行时间缩短一半。他说:“相比之下,机动车每公里的排放量最高,这意味着海洋业燃料电池潜力巨大。”

美国海军研究所正在进行实验——将海水淡化,并将水分解成氢气和氧气。目前唯一的问题是,制造能驱动一艘军舰用氢气所需要能量大约等于一艘核动力航空母舰的能量输出。无论如何,这项技术如果可发展的话,是很有前途的。同时,氢气还可用于辅助操作和确保长时间的无声运行。

采用氢能源的 Energy Observer

Energy Observer 刚刚开始了她的2018年地中海之旅,这艘30.5米长的双体船只用可再生能源和氢气就可以进行6年的环球航行。它的电力推进发动机白天由太阳能电池和风力涡轮机驱动,晚上由燃料电池充电,并使用电解来给氢燃料电池充电。整个发电系统重2,100千克。新的、更轻的电池将在2019年安装。

美国Sandia国家实验室表示,他们的最新想法是为旧金山湾提供一艘氢燃料电池动力的零排放的电动渡轮,计划巡航速度35节,并且可搭载150名乘客。该项目由美国运输部海事管理局资助,按目前的价格计算,氢轮渡的成本大约是同尺寸的柴油轮渡的两倍,其中占大部分的是燃料电池系统。

Sandia 研究人员 Joe Pratt 表示:“目前,我们无法实现与类似的柴油轮渡同等的经济价值,这是一个我们需要进一步探索的问题。经济是考量的唯一标准吗?汽车市场的经验告诉我们,不一定。事实上,自2015年起,一支由氢动力驱动的出租车队就开始在巴黎运营。这批汽车目前已达75辆,行驶里程为500英里,可以在3至5分钟内加油,不像电动汽车需要数小时才能充电。”

特斯拉在内华达州建立了超级工厂,用于生产锂离子电池。

蓄电池的现状

多年来,我们一直听说,发展绿色、电动游艇的一大障碍是缺烧先进的蓄电池。虽然锂离子电池密度已经达到了铅酸蓄电池的4倍,并且有更久的生命周期,但是在炎热的天气,即使最新的锂离子电池提供的能量仅为柴油的10%,远不足以维持一艘超级游艇的运行。

BMT Nigel Gee 指出,由于汽车、配电和电器行业的需求,电池技术需要进行大量的研究和开发。“电池技术会继续稳步改进,有可能开发出一种真正意义上的转换电池并推向市场。”

BMT Nigel Gee 的高级机械工程师 Simon Brealey 补充说:“对于需要灵活操作的大型游艇来说,仅仅依靠电池是不现实的。电池只有在与现有的发电技术相结合的情况下,才可能大大提高效率和操作的灵活性。”

最新的电池技术研究有几种形式,镁离子、锂氧化物、锂硫、钠离子、氢溴化物和钠氧是已经尝试过的几种组合。其中有一些虽然密度较高,但材料价格和其他问题目前限制了这些技术在实验室的应用。在这些实验室里,超级计算机正在分析成千上万的阳极材料和电解质,看看是否有以合理的价格提供更高的功率密度的可能性。

在哈佛大学,研究人员正在研究一种有机流电池,有望取得巨大进展。这一设计得到了证实,但它的有机化学寿命证明更加困难。这款电池使用的是醌,一种水溶性有机化合物,它来自芳香族化合物,如苯和萘,取自廉价和丰富的来源——石油废料和大黄。

“大黄”流动电池被认为比锂离子电池反应速度快1,000倍,原材料也便宜得多。意大利正在建造模型。钒作为电解质也有很大的应用前景,南非正在测试一种钒氧化还原流电池,这种电池可以在一个6米的容器中产生450千瓦时的电量。这样的产出对于一辆汽车或卡车来说显然过剩了,但在超级游艇上是绝对是可以控制的。

太阳能供电的 Vripack V20

太阳能如何?

Vripack 设计研究主管 Jeroen Droogsma 研究太阳能船已经有10年了,虽然他研究的初始热情源于一场太阳能船赛。Vripack 的工作一直致力于提高太阳能效率。他设计的太阳能船目前的纪录是四天内航行240公里,并且不需要从岸上充电。

Droogsma 说:“10年后,太阳能发电将会有很大的进步。法规的颁布将推动它的发展。在荷兰,两年后,为阿姆斯特丹建造的所有新运河船都必须是零排放的。到2025年,所有现有的运河游船都将实现零排放。”

BMT 的 Brealey 和 Roy 认为,当展望2025年的时候,在超级游艇的动力方面,考虑得更多的应该是进化而不是革命。“船东的要求对技术的开发和实施有着最大的影响。看看现在的船东需求,以及可用的技术,我们会看到智能柴电混合动力车的持续发展,并且大型电池装置能够灵活、安静、高效地运行。”


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