船舶大型化趋势下新能源的经济可行性分析

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摘 要：现今航运产业低迷，各大船公司几乎无利可图。降低运营成本是企业降低损失、谋取利润的重要方法。而燃油成本则是企业运营成本的重要组成部分，本文通过对比核能、太阳能、液化天然气及生物柴油与传统燃料的经济特性，通过考虑设备购置成本及燃料成本等，从经济角度探究何种能源最优，最有望在未来船舶上得到应用。

关键词：新能源 经济可行性 船舶 核能 生物柴油 LNG

近年来，国际航运市场低迷，各大班轮公司艰难运作已成普遍现象，在“开源”难的市场下，“节流”就成了各大班轮公司目光集聚点。目前，船舶主要靠船舶柴油机提供动力，柴油机所消耗的石油能源占运营成本较大部分。此外，在环境日益恶化的今天，船舶作为重要污染源之一，每年向全球排放的氮氧化物气体占总体的30%。为确保航运产业的可持续发展，新能源的开发和利用已势在必行。本文除了对新能源技术在船舶上的应用做简单介绍外，还将对比研究几种新能源的经济特性，探究一种最经济的适用于船舶的新能源。

1.国内外研究现状

对于新能源的研究，学者们都有着自己的见解，胡健（2010）认为，新能源的运用不能降低船舶自身稳定性；能源供给必须做到持续、稳定和持久；新能源所能提供的船舶推进功率必须足够大。缪国平（2008）认为对于采用新兴能源的船舶，应认真剖析它的利弊得失和经济性，对于新能源，除了是否环保，还要从产业链的流程综合分析。袁成清等（2010）分析了船用太阳能光伏电池的应用模式和可行性跟船型相关度。王力（2010））对太阳能风帆的发展进行分析，指出太阳能风帆的发展己初见端倪。周盛等（2012）通过对核动力船舶进行经济性分析，得出核动力船舶可以在实现船舶高速化的情况下，核燃料消耗几乎不变。秦琦和杨军（2011）认为液化天然气（LNG））燃料与其他燃料相比最主要的优点是对环境的影响较小，排放量最小，但是需要有特定的船型和港口设施配备。通过对以上参考文献阅读和整理，可以明显的看出研究者对于各类新能源有一定的研究，但是对于各种新能源的综合比较较少，对于其经济性分析几乎没有。本文就是对于各种新能源进行比较并分析其经济性。

2.船舶新能源现状2.1核能

核能是人类最具希望的未来能源。目前，人们开发核能的途径有两条：一是重元素的裂变，如铀的裂变；二是轻元素的聚变，如氘、氚、锂等。重元素的裂变技术，已得到实际性的应用；而轻元素聚变技术，也正在积极研制之中。

核能在效率和环保上优势明显，铀是高能量的核燃料，1千克铀可供利用的能量相当于燃烧2050吨优质煤。核能不像化石燃料那样排放大量的污染物质，因此核能发电不会造成空气污染。

2.2太阳能

太阳能是纯天然、零污染的环保性可再生能源。近来，太阳能民用领域——光伏产业正逐步家用化，如太阳能发电装置、太阳能热水器等，在这方面中国很多企业已经掌握了世界领先技术。

2.3生物燃油

生物燃料是作为替代柴油的能源而出现的，以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油，通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。生物柴油完全满足作为船舶动力使用，且具有较高品质。在欧洲的实验表明，其动力性能与普通柴油无任何区别。此外，检测结果表明，采用生物柴油的发动机废气排放指标不仅满足目前的欧洲2号标准，甚至满足欧洲3号排放标准。由于生物柴油的优良环保特性，目前在欧洲生产该生物柴油可享受到政府的税收政策优惠，其零售价低于普通柴油。

2.4液化天然气（LNG）

天然气作为清洁能源越来越受到青睐，很多国家都将LNG列为首选燃料。液化天然气正以每年约12%的高速增长，成为全球增长最迅猛的能源行业之一。LNG作为船舶的燃料动力也成为未来航运产业发展的关键因素，各国船公司也已对LNG动力船进行应用和开发。LNG液化天然气目前是全世界增长速度最快的一种优质清洁燃料。它具有易储存、运输效率高、杂质含量少、燃烧清洁高效、气价低、经济效益好等优点。由于LNG组分较纯，燃烧完全，燃烧后生成二氧化碳和水，所以它是很好的清洁燃料，有利于保护环境，减少城市污染。

3.新能源经济性对比

在船舶大型化趋势下，本文以9200TEU集装箱船为目标船型，寿期25年，具体参数见表3.1。以新旧能源提供的能量守恒为原则，保持发动机61.7MW下运行时为条件，对各类新能源进行综合分析。

本文选用9200TEU集装箱船，主机功率61.7MW，航行天数300天/年，日耗油180。假设该集装箱船挂靠东亚港口，进行跨太平洋航线定期服务，每航次在海上航行30天，挂靠港口12天，每年完成8.7个航次，船舶以经济航速22.5kn运行。

船舶动力装置投资费用普通商船主机约占船舶总造价的16%，大型集装箱船主机所占比例更低。普通燃油集装箱船动力推进装置及相关设备价格约为1500万美元。

3.1核能

核动力集装箱船核动力装置投资按每KW投资费用计算，根据相关资料，集装箱船核动力装置投资每KW约为2500美元。因此，功率为61.7MW的集装箱船核动力装置投资费用约为15425万美元。本文的核燃料价格不考虑乏燃料后处理。1kg富集度为16.5%的核燃料单价为8086美元。

核燃料消耗量主要与压水堆的输出功率，铀燃耗深度，热效率以及运行的天数有关，计算公式和详细过程可参见文献《2020年前我国核燃料循环情景初步研究》。并转换成61.7MW时的数值，见表3.2。

此外，核动力船在实现船舶高速化的情况下，核燃料消耗几乎不变。相比之下，普通燃油船舶若航速增加，油耗将大幅上涨。由此可见，随着国际石油价格的飞涨，以及国际对节能减排要求的不断提高，核动力船舶具有巨大优势。3.2太阳能

船舶大型化趋势下，以太阳能电池板作为新型能源是不可行的。

太阳能板可适合于小型船舶如游艇，或者辅助应用于船舶的生活用电。一是光电转化率很低，只有16%左右，目前最高效率的为26%；二是因为效率低，因此需要很大面积；三是光照指数变化很大，导致供给不稳定、不持久；四是供给功率小，无法作为主动力；五是成本高昂，经济性差，面板的制作本身就是高耗能、高污染的过程。

据资料表明，目前光电转换效率低，每平方米太阳能板产生120～150W的电，而9200teu的集装箱船功率为61668kw，故最少需要61668000/150=411120平方米，远远大于该船最大横截面（该船船长337m，型宽45.6m），故不可行。

3.3生物柴油

生物柴油的价格主要的原料取得成本、制造费用、添加剂成本、运输成本等。生物柴油价格=原料取得成本+制造费用+添加剂成本+运输成本+中间商收益。

同时由于船舶柴油机燃用重油，成本很低。所以生物柴油可以直接应用于船舶主机，除了像车用一样需要改动喷油器及增大喷油压力外，还需加装加热降粘设备，这在船上已有现成的设备。所以其设备配置成本几乎可以忽略不计。

这里特别指出我们这里所指的原料是所有生物柴油中成本最便宜的废弃油脂，如果使用产油作物则成本将大大提高。前提是原油价格是100美元/桶。原料取得成本5061元/吨，添加剂成本147元/吨，制造费用795元/吨，运输成本100元/吨，中间商收益1593元/吨。

3.4 LNG

前提条件：船舶主机采用柴油-LNG双燃料发动机，起动和停车工况下采用柴油燃料，正常运行时采用适量柴油引燃天然气-空气混合气体工作的方式。

在发动机运行稳定，正常运行时发动机的天然气替代率达到70%以上，具有显著的经济性（节约燃油成本20%左右，误差3%）和良好的环保性能，有助于促进环境保护建设，节能减排，改善环境质量。

这里我们以一艘3100吨级LNG双燃料动力船：715KW，投资200万人民币为例。根据假设所需能量守恒，故以等比例放大，并且等比放大的情况下会造成投资费用估值偏大。见表3.5。

3.5比较分析

综合比较各新能源，因投资建设费用越大产能的维修费用越大，结合新能源的环保性和经济性，故建议发展核能和LNG液化天然气船舶作为新能源。特别是LNG新能源，这个将是未来一段时间最可行、经济的新能源。

4.总结

虽然这些新能源已经在船舶方面有所应用，但受一些能源自身性质原因及船舶技术的限制，无法在短期内取代常规燃料。

太阳能虽然不能提供远洋船舶的运营所需能量，但可以对船舶的日常生活进行供电，也可以起到节约成本的效果。

由于对核燃料使用后的核废料也还缺乏妥善处理办法。所以，目前核动力装置还没有被民用船舶所采用。

最经济可行的LNG也存在着一些问题。首先，LNG是-162.5℃的低温液化气体，所以LNG除了具有和原油相似的危险性外，还有着其特殊的低温危险性。其次，由于其是低温液体，对其储存条件不仅需要可以控制温度还需要有强大的抗压能力，若处置不当会导致大量的天然气释放到空气中。改建现有船队和LNG储存基础设施缺乏是目前面临的主要问题，大部分港口LNG补给设施不配套，此外，LNG燃料船的续航能力还较弱。

综上，今后我们应加大技术投入，积极扩展多种能源的综合应用，并在政策上给予新能源优惠，促进新能源的开发利用。

参考文献：

[1]胡健.船舶替代能源的发展与展望分析[J]. 上海船舶研究设计院，2005，（4） .

[2]缪国平等.以科学发展观指导船型设计和优化[J].上海造船，2008，（2）.

[3]黄朝明.船舶风帆助航的试验研究[M].大连海事大学，2008.

[4]袁成清等.船用太阳能电池可靠性分析[J]. 船海工程，2010，（6） .

[5]王力.太阳能风帆在现代船舶中的应用[J].武汉理工大学能动学院仿真中心，中国科技论文在线（2010） .

[6]秦琦，杨军.LNG燃料船技术新潮流[J].中国船检，2011（10） .

[7]何建海，张建霞，胡以怀.新型能源在船舶中的应用[J].中国水运，2012（10） .

[8]胡以怀等.生物柴油在船用发动机上的应用探讨[J].中国航海，2010，（3） .

[9]周盛，刘六井，洪金华.核动力集装箱船经济性分析[J].舰船科学技术，2012，（6） .

[10]钱自行，朱杰俊，刁有明.我国应大力发展玻璃钢渔船[J].装备制造技术， 2011，（2）：111-112.

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