【船机帮】氢能——未来船舶的推进动力?
船机故障心莫慌，遇事不决船机帮
导读
一直以来, 人们对于氢能的认识并不深刻, 但随着化石能源的日益枯竭, 以及化石能源造成的污染危害日益严重, 使得人们将目光更多地转向了氢能。
将氢能誉为“二十一世纪”的能源, 主要是因为它具有其它能源所不具备的特点。
首先, 氢能资源丰富。
水是地球的主要资源, 而水分子由氢原子和氧原子组成, 18 公斤水就有2公斤氢, 水可谓是地球上无处不在的“氢矿”。
其次, 氢获取途径多样。
既可以通过各种化石燃料如天然气、煤、煤层气来制取, 也可以用可再生能源如太阳 能、风能、生物质能、海洋能、地热或者二次能源( 如电力) 来开采。
再次, 氢能清洁环保。
无论是利用低温燃料电池还是氢燃料内燃机, 其排放物主要是水、氮氢化物等, 不排放二氧化碳和氮氧化物, 对空气几乎没有任何污染。
此外, 氢具有可储存、可运输以及可再生的特点。
氢气可以像天然气一样被大规模储存; 氢由化学反应产生电能( 或热能) 并生成水, 而 水又可以由电解再转化为氢和氧, 如此循环, 永无止境。
氢能技术在大型汽车行业已日趋成熟
氢能的这些特点都为氢能的广泛应用奠定了基础, 世界主要发达国家和相关国际组织都对氢能研发和实现向氢经济的转型给予了很大的重视, 并进行了大量宏观战略研究, 制定了长期研发计划, 并投入巨资进行氢能相关 技术研发。
包括: 美国针对运输机械的“FreedomCAR”计划、针对规模制氢的“FutureGen”计划等; 日本的“New Sunshine”计划及“We - NET” 系统等; 欧盟的“Framework”计划中关于氢能科技的投入也呈现指数式上升的趋势; 冰岛已经宣布, 在二十年内建立全球首家氢经济社会。
丰田参与建造的氢能源动力船
比尔盖茨投资建造了第一艘氢动力游艇
氢能在船舶上的应用, 目前主要是以氢燃料电池的方式, 应用于一些小型的船艇、观光艇, 尤其是豪华游艇上。
氢气是世界上已知密度最小的气体, 摆脱锂电池容量大,重量大,耗电量大等束缚
氢燃料电池之所以适用于这些船舶源于以下原因:
其一, 使用氢燃料电池, 唯一的排出物是水, 燃料电池工作温度仅60度, 安全、可靠、无污染, 完全适合在对环保要求非常严格的自然保护区的敏感水域中航行。
其次, 燃料获取方便, 使用普通工业氢气瓶通过专门的加氢设备就可以对船上储存罐加注氢。
目前一些高科技的金属材料, 使得氢气储存的安全性甚至高于了天然气的存储。
最后, 燃料电池不产生任何异味, 同时还能为船只提供所用能量, 而且没有机械噪音。
由此可见, 随着世界船艇业的蓬勃发展, 氢燃料电池船艇凭借其自身无与伦比的优越性, 其市场前景非常乐观。
然而, 氢能在船舶上的应用并不限于此, 最近, 由英国南安普敦大学的一个研究小组提出的一种新概念集装箱船的设计方案, 进一步扩大了氢能在船舶上的应用领域。
该船由四台氢燃料燃气涡轮机驱动, 航速高达65节。
此方案的提出吸引了众多的关注。
该项目被称为“Hydrogen Ocean jet 600”, 目前正处于设计阶段。
但研究小组相信, 此项目一旦得到燃气涡轮制造商或航运公司的支持, 就会变为现实。
新概念船的提出该项目最初是由该校校友Ivo Veldhuis 提出的, 其最初的想法就是要提出新一代集装箱船的概念——船速是目前集装箱船的两倍半, 但载箱量要少得多, 因此 该概念船更适合航行于业务比较繁忙的港口之间, 这样可以缩短货物的运送周期。
Ivo Veldhuis 建议将目前大多数集装箱船采用的每艘8500箱位的装载能力降低到600 箱位, 而将其速度从目前的25节提高到65节。
Oceanjet 将行使于传统航道之外新开辟的 “航运高速公路”上。
新概念船的研发新研发的船舶将完成从日本 横滨到美国加利福尼亚州的洛杉矶, 总计 18000km 的往返航程。
所用的时间是目前集装箱船的一半, 通常集装箱船要花一至两周的时间完成这一航程, 而新概念船可以在一周内完成两次。
通过研究, 研究小组最终设计出了使用液态氢作为燃料的新型船, 该船应用四台通用LM6000 Sprint燃气涡轮机, 每台功率为 49.2MW。
其次, 该船将采用水喷射, 以提高船舶的速度, 同时还将采用长而薄的双体船壳结构, 研究者认为, 这一结构对于避免不必要的波浪阻力来说是一个非常理想的选择。
此外, 该船还配有大的水翼, 产生的翼型气孔可以使船舶航行时的水翼摩擦降到最小。
同时, 水翼将产生一个垂直向上的升力, 该力将减少双壳体的吃水以及船体表面浸入海水里的面积。
Veldhuis 认为, 以如此快的速度航行, 海水与船壳表面之间的摩擦阻力是整个船舶阻力中最大的一部分。
应用水翼, 除了可以减少吃水进而降低摩擦阻力外, 还可以控制船舶的运动。
此外, 双体结构将有益于船舶货物的装卸速度。
传统的单体集装箱船要求货物通过起重机垂直进行装载, 而 Oceanjet 则允许货物水平地进行装载, 加快了装载速度。
氢燃料应用优缺点用氢作为燃气涡轮机的燃料并不是一种新概念, 但将这一概念应用到高速集装箱船上则是一大进步。
实际上, 该研究小组也曾对应用其他燃料进行过比较研究, 但最终结果表明液态氢是唯 一可行的选择, 研究表明如果使用柴油燃料, 为保证船舶长时间、高速的航行, 船舶需要装载约3000吨燃料——实际上是船舶所有的有效载荷——使得船舶几乎失去了装载能力。
设计中, 为达到64节的航速, 涡轮机每分钟需要0.86kg的液态氢, 相当于每小时需要 176m³的氢。
该船完成上面提到的设计往返航程则需要装载14500m³的氢, 需要十个分散布置但又互相连同的燃料罐, 总共可装载1001吨的液态氢。
研究者认为, 虽然氢燃料具有其他燃料所不具有的优点, 但由于氢能还存在诸如不易于储存和分配等缺点, 以及一些性能与传统燃料不同, 需要特殊的使用方法, 目前造船规范中还不允许将液态氢作为燃料, 这些成为氢燃料在大型船舶上的应用的障碍。
研发方向针对氢燃料应用中的不足之处, 研究者们正在着眼于如何更好地储存氢, 并尽可能地提高其安全性上。
由于气体要变成液体必须使温度保持在-253℃。
该研究小组针对液态氢与空气接触时会迅速地挥发掉, 并且不会汇聚, 燃烧也很慢等特点, 设计了一套安全系统, 该系统可以在发生事故时迅速地将氢排放掉, 从而提高安全性。
此外, 虽然氢燃料本身在应用中是相对绿色环保的, 但由于目前的生产过程, 还无法保证液态氢的纯度, 生产过程中不可避免地将会混入一些副产品, 如二氧化碳。
实际上, 每1kg液态氢产品就会伴有12.8kg二氧化碳产品。
这对研究者来说是一个急需解决的问题, 目前普遍认为未来的解决方法很可能是将二氧化碳回收, 作为氢生产的原料。
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我国对于氢的研究始于1958 年, 经过近五十年的积累与发展, 取得了不少的成绩, 已拥有完全自主知识产权的纯氢燃料电池动力平台。
但总体来说, 由于我国在氢能研究方面起步较晚、资金投入相对较小、工业基础较差, 因此, 与国外发达国家相比还有很大差距, 许多相关研究才刚刚起步或仅仅作了初步工作。
氢能在船舶方面的应用, 只限于以氢燃料电池的方式应用到一些船艇上。
去年, 上海海事大学研发出了国内第一艘以氢为能源的燃料电池船, 该船完全达到了 “零污染、低噪声”的目标, 经过测试, 利用14立方米氢气, 可使船艇以14公里时速连续航行5小时, 这一研究成果吸引了国内众多临水旅游景区的关注。
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虽然氢能在实际应用中, 还存在众多的争论, 如其实际的利用效率、运输与储存技术、成本费用等方面, 但我们相信, 未来随着科技的发展, 先进技术的不断出现, 这些问题都将迎刃而解。
同时, 随着海上运输的不断增加, 环保要求的日趋严格, 氢能作为绿色、环保、可持续能源, 将被广泛地应用到更多船型上, 如海洋科考船、液化天然气运输船等。
因此, 氢能作为未来船舶推进动力发展的一个方向, 我们应该给予更多的重视。
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