“小众”的绿色潜质_赵博.pdf

2023.2 CHINA SHIP SURVEY 中国船检15对于整个海事业来说,脱碳是大势所趋。大市场中的“集散油”受到的关注度高,业态改变也让我们习以为常,以致于分不清是偶然还是必然。而在那些“小领域”中,某种变化或许就是埋了一条很长的时间线,顺着一个线头,捋出来的可能就是一种趋势。“核”心邮轮崭露头角业界正在探索“邮轮北欧神话”。乌斯坦（Ulstein）推出的两艘零排放探险邮轮就是其中代表。钍是一种微弱放射性金属元素,以北欧神话中的雷神托尔（Thor/Tor）命名,托尔的妻子是北欧女神希芙（Sif/Siv）。集补给、科考和救助功能于一体,“Ulstein Thor”采用钍熔盐反应堆（MSR）,能够产生大量清洁能源且可为其它船舶提供充电服务。“Ulstein Thor”配备了自主水面航行器“Mjlnir”,该设备可移动到其它船舶旁边为其充电,需要充电的船舶默认配备下一代固态本刊记者 赵 博“小众”的绿色潜质有些船型，虽然小众，但其绿色探索创新的标志性意义却非同一般。正所谓草蛇灰线，伏脉千里。中国船检 CHINA SHIP SURVEY 2023.216电池,针对这类电池的开发正在进行,预计几年内会推向市场。为了演示其可行性,乌斯坦专门开发设计了能够通过“Ulstein Thor”充电的全电动探险邮轮“Ulstein Sif”,以验证零排放航行概念设想。乌斯坦首席执行官Cathrine Kristiseter Marti称：“行业有实现零排放运营的目标、雄心和必要性,但现在还没有找到解决方案。Ulstein Thor可能就是我们一直在寻找的答案。这艘船实质上类似一个浮式多用途 发电站,（其设计理念）可能会引发一场新的电池革命。”MSR是核裂变反应堆的一种,主要特征是使用熔融混合盐同时作为核燃料载体和反应堆冷却剂。反应堆运行时,核燃料和熔于载体盐的裂变产物随熔盐在反应堆堆芯和热交换器组成的一回路中不断循环流动,将裂变产生的热量源源不断地从反应堆内输送到堆外。船舶设计公司C-Job首席船舶设计师Niels de Vries说：“由于混合盐既被用作核燃料载体也被用作反应堆冷却剂,MSR具有内置的非能动安全系统,并且具有强负温度系数,这意味着温度升高时,反应性会大幅下降,进而可以有效解决反应堆的稳定性问题。”MSR可能预示着海上清洁能源应用新曙光。在Niels de Vries看来,这种反应堆的被动安全性,以及高燃耗和未来使用钍循环的潜力,使其最适合于海上应用。“燃耗是一种有效的测量方法,它表明了反应堆可以从给定数量的核燃料中提取多少热能。较高燃耗是核能用于船舶动力所需要的,因为它可以减少所需的核燃料量、降低每台发电机组产生的废物量。”而在速度和成本方面,核能推进增加了更高设计航速潜力,使船舶更具盈利能力船舶燃料成本支出仅随速度提高而略微增长（不会随着航速的提升而出现大幅增长）,燃料价格不再影响总成本因为运行期间几乎没有燃料加注。Core Power是一家专门从事用于海运和重工业可扩展核能技术的公司,该公司首席执行官Mikal Be认为,新的核技术可为绿色燃料生产提供动力,也可以为大型图1 乌斯坦（Ulstein）推出的两艘零排放探险邮轮图源/Ulstein官网聚焦 Focus2023.2 CHINA SHIP SURVEY 中国船检17船舶提供动力,实现真正零排放。“MSR不同于常规核电技术,它解决了航运脱碳的关键问题,因为它提供了一个新的燃料效率水平,可为船舶提供终生燃料（25-30年）,此外这些模块化设计可以大规模生产,易于扩展,因此价格合理。在安全方面,大型压水反应堆应急计划区域约为80公里,而MSR将在环境压力下运行,具有卓越的燃料效率和1克/MW/日的最小废物输出,应急计划区只需几米范围。”氢、碳运输蓄势待发在航运减排大背景下,氢能被认为是实现巴黎协议和海事界“2050目标”的关键能源之一,但潜力巨大的氢能应用离不开生产、储存和运输,尤其如果不能像传统能源一样实现大规模的海上运输,将成为制约其大规模应用的因素之一。正因如此,业界对于液态氢（LH2）运输船的设计研发尤为迫切。川崎重工开发的氢气双燃料发动机在2022年4月获得了由船级社颁发的原则性认可（AiP）,该型发动机将搭载在一艘16万立方米（4个4万立方米的储罐）液态氢运输船上。这是全球首个关于船用氢气双燃料发动机的AiP。川崎重工通过开发与氢气特性相匹配的燃烧技术克服了异常燃烧和燃烧室部件过热等技术难题,并在使用单缸试验机的演示试验中确认了氢气的稳定燃烧。该氢气双燃料发动机项目已被日本新能源和工业技术开发组织（NEDO）主导的“绿色创新基金”采纳,计划于2020年代中期在大型LH2运输船上搭载,通过实船测试的方式进行验证,当选择氢燃料模式运行时,船上液氢储罐内的自然蒸发气体作为主要燃料（能量占比至少95%）。2022年被看作全球氢气贸易重要的时间节点,标志性的事件发生在2月25日,世界上第一艘LH2运输船“Suiso Frontier”于当天成功将氢气从澳大利亚运抵日本。这是全球首次商业规模液态氢海上运输。“Suiso Frontier”船长116米,配备一个容积为1250立方米的真空绝缘、双壳结构液化氢储罐,可装载75吨液态氢气。我们想象,当运载量达到16万立方米时,氢气的海上储运成本将大大降低。基于液氢自身特性,LH2运输船比LNG运输船的设计难度更大。沪东中华高级工程师段斌曾在一次题为液氢运输船的关键技术初探的演讲中针对LH2运输船关键技术和设计难点提到,由于液氢密度小,LH2运输船重心高,双体船设计是一种综合提高船体稳性、推进能效和安全可靠性的技术方向,由于液氢储存温度低,围护系统建议采用真空多层绝热系统,并在真空层或罐体外层敷设绝热材料作为应急绝热措施,即使在真空层破坏的情况下,也能在一定时间内稳定液货舱压力。如果说LH2运输船的商业运营是为了实现零碳燃料的规模应用,那么,液态二氧化碳（LCO2）运输船的价值就在于让二氧化碳的封存或再利用变得便捷,从而促进全社会的碳中和发展。二氧化碳的捕捉和固化有诸多路线可行,但不论哪种,转移和运图2 世界上第一艘LH2运输船“Suiso Frontier”图源/JASNAOE官网中国船检 CHINA SHIP SURVEY 2023.218输都将是其中的重要环节,LCO2运输船正是载体之一。2022年5月16日,三菱重工宣布其子公司三菱造船与日本邮船共同研发的大型LCO2运输船设计获得AiP。LCO2运输船需在低温高压下储存和运输二氧化碳,液货舱系统设计在很大程度上就取决于液化气体温度和压力条件,增加系统和船体尺寸是实现大规模运输二氧化碳的重要技术问题。日本邮船考虑了中/大型LCO2运输船不同液货舱压力设置,并确认了每个液货舱系统和船体部分的可行性及合规性设计。日本邮船表示,建立使用LCO2运输船有助于实现碳中和社会,不仅要尽早实现中小型船运营,而且要使大型化成为现实。同时,日本邮船和三菱造船还将以LCO2运输船的开发为基础,参与碳捕集、利用与封存（CCUS）价值链。特别值得一提的是,由挪威国家石油公司（Equinor）、壳牌（Shell）和道达尔（Total）合作建立的Northern Lights公 司 设 计 的LCO2运输船可从多个排放源收集和液化二氧化碳,之后将其运至陆上储存场站Northern Lights设计了运输系统和隔热层,以保证二氧化碳持续液态。两个大型单缸加压液货舱尺寸为7500立方米,使运输量得以最大化,提高了船舶经济性,而高密度货物、高压力设计和大储罐直径的组合需要创新解决,方案包括罐壁厚度为50毫米的特殊高抗拉强度镍钢合金,以便能够承受动态载荷,不会超过导致疲劳裂纹扩展的应力水平。为了降低排放量,使 船 舶 尽 可 能 高 效,Northern Lights还对待交易航线上的风浪条件进行了研究,以便优化航线。2022年11月,这 两 艘LCO2运 输船在大船集团开工建造,预计于2024年交付给船东。尽管LH2运输船和LCO2运输船的订单偏少,且其规模化商业使用在最近两年很难出现,但围绕技术的讨论和探索一定会因产业需求而迅速增多,从而推动相关船型的演进。海工船脱碳步伐加快相比集装箱船、散货船和油船,海上风电作业船属于小众。但可再生能源发展是大势所趋,海上风电方兴未艾。Clarksons发布的分析报告指出,2030年,全球海上风电项目数量预计将增长160%以上,将有260亿美元左右的资金注入,这使得相对小众的海上风电相关船舶订单将出现创纪录水平。2022年,海上风电运维船订单活跃（新签订单船舶约24艘）。比利时海事集团旗下子公司CMB.Tech宣布将建造6艘双体设计氢能海上风电运维船（CTV）。这批船舶将在已交付的全球氢动力CTV“Hydrocat 48”的基础上加以改进,船长加长两米至27米,氢容量为原来两倍。“Hydrocat 48”由两台柴油发动机提供动力,带有氢气喷射系统,80%的燃料来自氢气,可提供1498kW功率,而当没有氢气时,也可只用传统柴油聚焦 Focus图3 CTV“Hydrocat 48”图源/CMB.TECH官网2023.2 CHINA SHIP SURVEY 中国船检19保障运行。该系统有一种预处理机制,可以精确地将氢气添加到增压空气中,然后让其和空气在气缸燃烧室中混合,并与注入的柴油一起被点燃,只需要极少量柴油燃料即可航行。“这项技术适合于CTV,主要是因为可以使用现有柴油发动机,无需从根本上改变主发动机,这不仅意味着维护和修理简单,而且发动机可以很容易地切换柴油,不需进行任何修改。即使没有氢气,Hydrocat 48及后续船型也可以使用传统燃料。”CMB.Tech公司首席技术官Roy Campe说。丹麦World Marine Offshore（WMO）也订造了两艘极具特色的CTV 两 艘 新 造 船 采 用Umoe Mandal公司设计的“Sprinter 28”型船,船长27.5米,型宽10.4米,采用气垫双体船设计,内置复合夹层材料,与铝质船相比,燃料消耗可降低20%30%。“Sprinter 28”型船还配备了独特的登船控制系统（BCS）,可以消除波浪运动,并允许人员在高达2.5mHs的波浪中转移至海上风机。尤为值得一提的是,40 45节的航速与登船控制系统结合之后,意味着海上风电运营商可以大幅提高技术人员作业时间。这意味与传统CTV相比,“Sprinter 28”型船将内场航行和运输时间缩短了50%,大大增加了操作窗口时间,以致今后随着海上风电行业进一步向深远海发展。我们习惯将关注焦点聚于可移动船舶,但一些固定于固定装备也在进行着深刻的减排探索。美国石油和天然气咨询公司KBR获得的一份合同是为Odfjell运营的半潜式钻井平台开发一套绿色氨动力系统,评估将钻井平台上的柴油发电机转换为氨燃料发电机的可行性,该合作将整合半潜式钻井平台技术、瓦锡兰电力系统及钻井平台运营能力,从而提供碳中和解决方案,展示氨在现有海上资产脱碳和实现净零目标方面发挥的作用。据悉,KBR拥有的“K-GreeN”专利技术可使用电解水生产绿色氨。瓦锡兰则已在氨含量达70%的混合燃料成功实验,计划于2023年在实验室环境中实现氨含量100%的燃料运行,并在2025年向市场推出氨燃料发动机。巴西海上服务供应商Ocyan也在进行钻井平台的替代燃料使用,预期通过向内燃机中注入氢来降低柴油消耗,减少海上钻井装置温室气体排放。Ocyan正与LZ Energia合作开发技术解决方案,初期测试的焦点是两艘钻井船和一艘半潜式钻井平台。Ocyan新业务经理Leandro Brando表示：“通过将氢与柴油结合使用的方式,燃烧得以优化,污染物排放降低。在对我们的一台钻机进行试点测试以验证概念后,我们打算在环境测试和产品商业化的基础上继续进行第二阶段试验。相关船级社作为独立方参与了向钻井发动机注入氢气作为添加剂的系统鉴定,他们通过评估操作风险,重点关注新系统和钻机安全性并评估等级要求,证明了系统的