绿色船舶开发技术与船舶工业的核心竞争力.ppt

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1、绿色船舶科技发展与我国船舶工业的核心竞争力,陈映秋2014年12月2日、武汉,内容,国际航运节能减排的新局面与我国政府应对新政与绿色船舶技术发展的相关热点与技术发展现状歇后语,1、国际航运节能减排的新局面与我国政府应对新政,1）国际航运节能减排的新局面2）我国政府应对新政,1）国际航运节能减排的新局面,2020年国际航运CO2应减少30%，需要考虑低碳航运经济学问题边际成本与边际收益如何规划2020年减排与节能技术的布局？航运界选择何种节能减排技术呢？相同的节能减排技术能在不同的场所/船舶上产生同样的成本效率（cost efficiency)吗？世界经济、燃料价格、学习效果（learning

2、effects）的不定性解决4个方面的问题2020年30%的新造船使用燃气机/双燃料发动机假定情景（LNG价格为HFO的60%）（ECA因素影响、大船比小船更有优势）处理硫排放2.5亿吨（ECA），采用LNG（30%的船舶）只能减少0.2亿吨EEDI要求只能减少CO2减排的2/3（由油船/散货船/集装箱船/海洋支持船（不在Marpol ANNEX VI范围内）承担），不再成为航运公司的额外成本，减速可能带来商务成本变化LNG成为船舶成本效率的选择，尤其在ECA中航行时间超过航程30%时（小型油船/杂货船）,ECA在主要航线上布局新的节能减排要求,40%of the world fleet,香港

3、采用低硫油2015,北极ECA,全球船舶主要航线与容量及ECA的分布,ECA,航运环保问题已经列入国家环保重点计划 自2015年起，航行我国水域的船舶空气污染排放纳入到我国总量控制范围，将会下达减排指标，强行推行减排。2016年起，相关的新船发动机排放标准强制实施，对现有船舶将出台市场准入排放标准，制定更为严格的沿海与内河船舶燃油限制值。另外香港2015年成为ECA区将促使大陆考虑设立相应的ECA区（2020年）。这一切使得中国船舶工业的适应性发展将带来巨大的挑战与机遇，要求在LNG燃料动力船方面对前面已经取得成绩之上重新考虑市场竞争问题，如考虑巴拿马运河2015年开通、北极通航、世界物流革命

4、的基础上，加强LNG动力在油船、散货船、集装箱船方面的应用研发。,经济危机（油价变化）与船舶大型化历程,第一次船舶大型化,第一次船舶大型化集装箱运输模式在发展油船大型化受到重创散货运输发展,第二次船舶大型化,第二次船舶大型化集装箱运输模式成熟油船大型化理性矿砂运输发展,船舶大型化趋势继续,11月29日，66.15美元/桶，跌势未能止住,影响集装箱船大型化的因素,小结,全球的ECA已经在各个航线上布满，几乎没有空子可钻节能减排环保技术的采用需要在新的油价下进行审视中国的节能减排环保政策出现转变，不会再像过去那样拖国际技术政策的后腿船舶大型化（尤其是集装箱船）继续发展，出现超大型化的趋势超大型集装

5、箱船的3-E（Economic、Environment-friendly、Energy saving）概念成为目前船舶绿色技术的先导,2）我国政府应对新政（1）航运强国的未来模式,2030年国际经济造成已经应用50年的航运物流模式的根本转变，中国将主导国际物流的形式与定价权2030年中国船队达到的规模将成为全球第一航运强国中国船队的节能安全环保技术将引领全球绿色船舶技术的发展趋势,2010年世界航运物流模式(西欧为中心)Bi-directional,2030年航运物流模式(以中国为中心)hub and Spoke,到2030年，集装箱运输极大增长在中东与远东，印度洋和亚太成为全球集装箱的贸易中

6、心，在远东与拉丁美洲的集装箱运输也有极大的增长,中国船队的增长由2010年占世界15%(1.5亿DWT）到2030年的24%交通运输部即将出台促进邮轮运输发展的指导意见，进行上海、福建、天津、海南油轮试点示范，推进中资油轮与五星旗邮轮的发展,(2)海运业已经列为我国经济社会发展重要的基础产业,国务院促进海运业健康发展意见（2014、8、15）四项战略目标到2020年，基本建成安全、便捷、高效、绿色、具有国际竞争力的现代海运体系，适应国民经济安全运行和对外贸易发展需要完善海运企业法人治理结构，有竞争力、品牌的海运企业、港口、运营商、全球物流经营主体建立重点物资运输船队，国际影响力的航运中心完善配

7、套政策、法规，促使企业“走出去”七项任务优化海运船队结构、规模适度、结构合理、技术先进完善全球海运网络海运企业转型升级发展现代航运服务业发展混合所有制海运企业完善相当标准、规则；人才、国际化水平安全绿色（安全、低碳、绿色）,与造船业相关的摘录船队规模和港口布局规划适度超前，重点物资运输保障能力显著提高优化海运船队结构。建设规模适度、结构合理、技术先进的专业化船队。大力发展节能环保、经济高效船舶，积极发展原油、液化天然气、集装箱、滚装、特种运输船队，提高集装箱班轮运输国际竞争力。有序发展干散货运输船队和邮轮经济，巩固干散货运输国际优势地位，培育区域邮轮运输品牌推动节能减排技术和清洁能源在海运业的

8、推广应用，优化用能结构,2.与绿色船舶技术发展的相关热点与技术发展现状,1）燃料革命LNG与物流革命将淘汰人类在50 年间形成的优秀船型重新洗牌2）极地航行船及航海技术研发3）可再生能源风能应用4）核能技术在民船上的应用尚需较长时间5）绿色船舶技术的广泛联系,1）燃料革命LNG与物流革命将淘汰人类在50年间形成的优秀船型重新洗牌,Safer Greener&More Effective,国际航运物流变化各种联盟新变化,集装箱运输联盟发生重大改组原因以规模求降低成本低碳经济结果 大型化继续,且愈演愈烈（2015年有40艘超大型集装箱船投入营运）G6-19000-22000TEU集装箱船M2正在订

9、购6艘19000TEU船,Maersk SealandGrand alliance（NYK,OOCL）New World alliance（Hyundai，APL）United alliance（Hanjin，CKY）,American President LinesHapag LloydHyundai Merchant MarineMitsuiNipponOOCL,P3,G6,Maersk Line MSCCMA CGM,2013年以前,2014,Maersk LineMSC,M2,近50%,27.5%,改运营中心为船舶共享（VSA）在全球最大贸易亚欧航线份额（待批，2014、8）,2014

10、年10月上旬获美国联邦海事委员会批准，2015年1月开始运作,反垄断豁免政策（航线能力30%）,2014、4，中国商务部投了反对票,航运界必须跟上世界经济与中国发展的步伐,1、气候变化与燃料革命清洁能源（安全问题）风固体液体燃气混合动力核能动力燃料电池2、北极航行与资源开发（2013、6、5）中远815-910试航非条件设计气象变化规律、水深、地貌、海图（高纬60覆盖10%）3、低碳经济船舶大型化非均匀流极限载荷与水弹性下结构设计高强度钢利用/屈曲与工艺灾害风险CO2减少30%LNG燃料采用（30%的ECA航程）,4、综合技术设计全寿命概念航行管理软件与数据库航行中节能技术最小阻力航线优化材料

11、高强度钢与焊接材料5、外部压力公约变化压载水（美国2013、12、1）香港公约2009MLC2006Marpol Annex VISOLAS 2014 NoiseSOLAS 2016 GBSIGC2014IGF20156、ECA不断扩大北美、波罗的海地中海、日本海、新加坡、香港环保灰水7、IT技术发展与船舶智能技术云计算/E技术/大数据技术基础互联网物联网,燃料（LNG）革命将淘汰人类在50年间形成的优秀船型导致船舶研发重新洗牌,未来全球LNG供应港口分布图 K（Panama Canal/Balboa）与J（Panama Canal Cristobal）重合,国际上采用LNG清洁能源的技术政策

12、,国际海事组织（IMO）关于GHG、SOx、NOx、PM排放限制的高强度压力下，在全球GHG市场完善之前，国内外航运公司正在积极地寻找出路，以便在未来的碳市场上争取主动，获取最大的经济效益。在目前国际实施航运节能减排的一系列措施与技术的研发中，LNG燃料动力船的使用成了最为吸引人眼球的未来水上运输装备，它将集节能减排、经济性、能源供应于一体,在相当长的时间内主导航运市场技术发展的走向。就技术来说，LNG燃料动力船的设计主要是安全与燃料供应、LNG储存、加注设备的关系，在保证安全的前提下完成功能（不因单一事故引起主机无法工作、辅机无法发电、人员工作受到安全威胁）的安全性、可达性、维护性、可靠性等

13、要求。,国际LNG燃料动力船加注的法规/技术标准不足,（1）LNG作为航运燃料与LNG加注过程没有被列入IMO的公约与标准中（ISO）。（2）关于LNG的加注的国际规则框架，ISO只能在未来的共同标准与法律范围内考虑（ISO标准）；（3）加注过程与责任的定义没有包括在ISO/TC67/WG10中，在正在起草的IGF Code中，也仅是船对船的LNG加注，是不全面的（IMO、ISO）。（4）LNG作为货物与作为燃料区别的概念模糊（ISO）。,IGC与IGF：据IGC规则建造的船舶存在混合气体爆炸安全区（EX-safety zones）用于气化甲烷排放，IMO Interim Guidelines

14、 MSC.285(86)和IGF Code草案都没有设置安全区（EX-safety zones）的原则要求。它意味着根据IMO IGF规则建造带有点燃源的船可能进入根据IGC规则建造的船的空气混合区（EX-zone）可能引起火灾风险。,（5）LNG燃料舱的连接与断开过程没有写入正在起草的IGF Code中与ISO/TC/67/WG10中（IMO、ISO）。（6）国家层面的法规缺乏，约束了采用当前最好实践经验的适合小型LNG加注站的指导性文件/标准的制定。（7）缺乏港口关于LNG加注过程的共同指导性文件。（8）缺乏LNG运输与燃料动力船的船员培训要求。（9）缺乏LNG作为航运燃料标准的规定。（1

15、0）缺乏LNG作为燃料时对硫成分测量的标准/指导性文（11）缺乏LNG作为燃料的安全抽样标准。（12）缺乏在LNG供应装置与LNG受注船之间的通信与过程监控（包括应急关闭（ESD）设备规格化的标准。（13）缺乏用于气体测量的规程与设备。（14）应该制定操作指导性文件减少与甲烷（methane）排放有关对环境的负面影响。,LNG燃料系统应用开发技术研究（2014年指南）,1）船用LNG燃料储供气系统总体设计研究；2）船用LNG燃料储存装置设计及制造技术研究；3）LNG气化器、潜液泵、低温阀件等核心部件研制；4）LNG燃料供给系统监控和安保系统设计技术研究；5）关键技术集成及试验验证研究。,2）极

16、地航行船（注意商船与特种船的区分）及航海技术研发,2013年5月9日，中国成为北极集团正式观察员2014年，中海油与冰岛企业合作申请在冰岛北极海域进行石油和天然气开发和生产的许可已获冰岛政府批准。除了海洋工程结构以外，海洋支持船（OSV）、油（气）田作业船（PSV）、LNG运输船、原油船等成为我国内需与传统船舶设计方法相左的是，极地船舶设计需要适当考虑在航行区域浮冰、冰山、冰脊对船体结构的作用，需要考虑不定性的问题由于海图不能覆盖高纬度（60）的极地海域的自然航行条件（海床、水深、海流等）、突发因素（风力、极光）复杂，航行辅助仪器失灵等，极地航海技术需要加速研发,极地可能储藏的油气占全球的1/

17、4，其他稀有金属、海洋资源、渔业资源储量也极大，愈来愈显现出其商业价值,冰区船舶性能试验技术,冰区船舶设计技术,两条航线东北航道由西向东：北海、俄罗斯北极沿岸、北冰洋巴伦支海、喀拉海、拉普捷夫海、新西伯利亚海、楚科奇海、白令海峡在俄罗斯北部沿岸2800km称为北部航道视为“国内”航线通航船舶急剧增长,西北航道 由东向西：白令海峡、美国阿拉斯加北部海域、戴维斯海峡、加拿大北极群岛、波弗特海 通航船舶逐年增加（小船居多）,典型的北极航线（夏秋之交）,作业环境和条件,极端低温（-50）环境对船舶和海上工作设备的抗寒强度要求（导致这些设备失效/失去功能漂流的海冰和设备严重结冰在大部分时间难以消失北极复

18、杂、无常、多变的天气状况隐藏的不确定性（冰山的漂流、能见度、风速）长时间的极夜与极光、噪声与振动对人员心理的严重影响易受伤害环境认知程度的不确定性需要加大风险的防范目前是一个陌生世界北极太大（700万平方公里）目前海图近覆盖北纬60以北1/10的海域北极之深科考远未结束，被定义为“高度多样化地区，复杂无常、无法精确定义”冰山的漂流导致船舶碰撞，导致事故频发1995-2004年间，北极海域发生的事故高达近300起特殊环境（极夜）下漏油的监测难度与冰油回收技术缺乏在低温下油、冰的回收措施还处于研究之中人员的逃生、疏散与救援受到长距离、黑暗、海冰条件的制约，单一的解决方案不适合北极的严格生态保护与不

19、适合的航运/开采活动的不适合,低温下的船体与设备的维护问题？,低温下与冰脊环境下的船体强度问题？,技术问题法规政策技术标准体系不完备,IMOGuidelines for Ships Operating in Arctic Ice-covered Waters（2002）极地法规（2015？）地方法规北极理事会北极航空和海上搜索和营救协定（2011）芬兰冰区规则（FSICR）基于1年冰条件俄罗斯依据联合国海洋法公约（UNCLOS）第条冰封区域，对通航东北航道的俄罗斯北方海航段(NSR)实行许可制度，并颁布了法律法规：北方海航道航行条例（1991）；破冰船辅助引领船只穿越北方海航道的规定（1996

20、）关于航行于北方海航道的船只在设计、装备和保障方面的要求（1996）北方海航道航行规则（2013修订）加拿大极地航行防污染法规（CASPPR，1972），不包括结构要求船级社IACS/POLAR CLASS（基于Plastic Analysis）基于多年冰条件IACS成员规范基于1年冰条件DnV/冰载荷监测系统空缺的技术标准（不包含在上述法规/规范中）选择航线的温度与冰的厚度船舶在低温下的运行条件冰载荷的测量冰载荷产生的结构疲劳推进系统与轮机附加要求冰山漂流导致船舶碰撞船冰交互结构分析,技术问题设计技术不完备,非预测作业条件（超出设计条件）目前已有的技术标准不能涵盖非预测问题非设计工况问题造成

21、非预测作业条件的原因大量冰脊、浮冰、冰山产生的极端载荷冰脊、浮冰、冰山的非常规性冰载并没有在技术标准中体现航道水尺、助航标志、灯塔与吃水、结冰、冰厚等码头参数不明确如何在设计中体现额外的船体强度衡量”度”的问题，弥补技术标准不能覆盖实际的营运中出现的问题，维护船舶在营运中的完整性需要冰水池进行强度模拟试验定义冰载荷的模型船舶在系列变化的冰冲击载荷确定与工程化船冰碰撞模型的确定冰材料的物理建模与船冰的相互作用船体与冰之间的非线性作用（离散远法（Discrete Element Method）在严寒下的材料特性,例：船冰数学模型必须依靠冰水池模型试验建立,船舶运动；冰特性、冰材料非线性；断裂与接触

22、力学行为；船舶冰载荷,冰水池模型试验与仿真分析,冰水池的工作内容冰的特性冰失效过程与力学特征冰船交互模型验证冰载荷的确定分析工作需要数值仿真进行佐证比较实船与模型试验的结果研究其联系参数采用大数据理论解决（实船/模型）缺乏试验资料的难题传统的冰的理论模型需要压缩/弯曲强度的证明新的模型需要更多的冰特性资料冰的剪切强度冰脊内冰粒粘结强度后面四项需要附加的水池试验验证，构成了一个“test-analysis”循环过程,IACS、FSICR、CLASS Rules的联系与区别,IACS北极水域常年航行（多年冰）北极水域夏季航行（1年冰）FSICR北极水域夏季航行（1年冰）服务有限状态水平（冰带区域）

23、,CLASS Rules 规范引入了FSICR，不能 覆盖多年冰情况 缺乏非条件设计思维,IACS、FSICR区别,船级社的极地船舶规范发展与航运公司责任,各船级社冰区船舶规范不能完全适用于极地船舶的设计规范的发展内容有冰级规范的概念符合哪些有限状态失效概率冰融化的定义与技术要求船冰碰撞模型冰载荷出现概率冰块大小冰压于冰面积的关系结构分析模型板与骨材的弹/塑性力学响应线性与非线性有限元法极地应用材料腐蚀与磨损航运公司应该关心冰区加强的各种技术参数定义进行将传统的船舶设计经验应用到极地船舶结构可行性评估实际操作经验对船舶设计的影响,极地船舶的研究内容1）国际公约、航道主管机关法定规则、技术标准研

24、究；2）极地运输多用途船总体设计技术研究；3）冰区航行稳性、快速性和操纵性研究；4）极地航行船冰载荷研究；5）温度场对船体材料的影响研究；6）船体强度与设计分析技术研究；7）电力推进系统配备研究；8）极地运输船舶锚绞机系统开发；9）防冰和除冰措施的研究；10）极地船舶设备保护技术研究；11）极地环境绿色环保技术研究；12）建造技术研究。,极地船舶的概念设计过程不定性与要求有限操作功能的联系方法,3）可再生能源风能应用论证可以应用的节能减排技术与设备技术成本,节能减排技术汇总,值得关注，可能成为船舶节能减排主流方向,值得关注，可能成为船舶减排主流方向,经济账要算？,可再生能源开发技术风能,人类航

25、运燃料的发展趋势不能等同地看作技术回归现代风帆主要技术（2014年工信部/财政部高技术船舶科研计划指南）全球20000艘船舶市场,日本2016年船舶设计方案180kDWT BC日本-西雅图目标节能25%5.3年回收成本主持：东京大学参加：NYK、MOL、KLINE、Oshima Shipyard、Tadano、ClassNK,各种风帆效果比较图,Generation 1,Generation 2,Generation 3,Generation 4,附加惯性模型,第四代风帆技术概念船（费用与能效尚在评估中）,我国开发超节能减排示范船已经具备了技术储备在2011-2013年的立项中，国拨1亿多元，

26、进行了3型散货船、1型矿砂船、4型油船、1型集装箱船的精品船型开发，通过对上述9型船舶的换代升级（主要方向是节能减排、掌握绿色船舶的设计与建造技术），此中，技术指标除了能够满足IMO MARPOL ANNEX VI EEDI的2015-2020年的要求外，还对CO2的减排作了强制规定，目前效果已经显现，为该船型的接单打下了技术基础，也为开发概念船奠定了人才、技术、设备的储备。,节能排放技术发展趋势的研判,CO2实现国际航运“零”排放可能实现的时间将在21世纪的后半页在船舶型线节能设计、减少阻力涂料、推进提效、轮机节能设计、水动力节能装置应用、减振降噪技术6大方面只能达到节能效果的20%以内可再

27、生能源的应用成为唯一可以取得突破的技术风帆技术可能左右近期船舶市场的订单，最大节能可达50%左右核能由于世界性的问题（技术、商务、政策三大门槛）将只能作为长期备选,4）核能技术在民船上的应用尚需较长时间,历史回顾COSCO的努力目前存在的问题（政治、技术、商务门槛）IMO1982年的指南至今没有变动（全球化面临巨大困难）核反应堆（目前PWR）的小型化技术（包括核燃料的低浓缩铀）核动力船的安装（防碰撞）核动力船的维护（包括乏燃料处理、检验制度）核动力船的退役（船东选择的艰难）核动力船的设计冗余（高昂费用）核动力船船员的培训.总之，核动力民船在随着核技术发展，在IMO层面的技术政策完善、全球性的核

28、反应堆维护技术建立等进展之下，才有可能 进入国际航运界，需要世界主权国家的一致认可，突破政治、技术、商务三大门槛，但是，核动力民船可能会在15-20年内会有一定的突破，尤其在核技术发展的先进国家（特殊需求）内会有一些应用，（基本处于军事管制下的军民融合的框架下，需要领导人的政治勇气）,5）绿色船舶技术的广泛联系,船舶工业产品反映了一个国家的工业水平，与国防联系密切、可拉动20个行业的发展绿色船舶技术体系牵一发而动全身，是一个工业体系问题,具有阶段性、长期性的特质,颠覆近半个世纪所形成的优秀船型设计概念，追求更轻的空船重量和更大的装在量，使得规模经济表现得淋漓尽致，导致技术标准的重大改变，涉及到

29、船用材料、动力、配套业的革命，更加符合长期国际经济、物流的特点,更经济更环保更节能更智能,技术路线发生根本变化，清洁能源、可再生能源（风能、温差能）将逐步取代已经使用了近2个世纪的传统石化能源,如何定义船舶绿色技术？,集装箱船大型化对单箱费用减少的经济因素,1、不是因为大船规模造成Slot Cost下降；2、其关键因素是提高大船的航运率，Port of Call 数量少、减少了港口费用、压缩了航行天数3、因为载箱量大，可以供选择范围大，受到大物流中心青睐,分析对象为FEA-EUR与FEA-US航线上的超大型集装箱船右图中计算是以14000TEU集装箱船的单箱成本作为分析基础,与“经济”船型（3

30、E）相关的参数,3、歇后语,航运节能减排的新的趋势/世界物流模式与我国港口发展政策/极地航行船及航海技术研发，航运公司/造船工业需要加强应对航运节能减排技术近40项，如何在低油价下选择成本最低、效率最高的节能方式，需要从长计议，LNG燃料技术应该优先考虑，但是其只减排而不节能可再生能源风能推进将成为船舶节能的主要方式，需要加大科研力度，取得性价比更高的产品围绕着航运能源变化（LNG应用）、北极航线开辟、超大型船舶开发等将出现许多颠覆传统概念的力学（包括流体、计算、实验力学诸多领域）、材料问题需要加强研究，急需有新的突破船舶绿色技术的发展将决定我跟船舶工业在世界市场的核心竞争力可持续发展，在国家

31、加大科研投入的情况下、全国有关行业的合作是必然的必须在未来10年中在涉及造船强国与IT技术相关的10项发展技术方向有重大突破,IT技术,e-技术,云计算,大数据,互联网,物联网,关注未来10年涉及到造船强国的10个技术发展方向,未来船舶绿色技术的发展趋势应该是节能减少GHG排放，最高可达50%（2030年），最大希望在于可再生能源（风能）的利用减排减少SOx、NOx、PM排放，LNG动力技术及设备的发展环保减少噪声（本船、空中、水下）、黑/灰废水排放、防止破坏生态（如海洋微生物的迁徙）船舶大型化尤其是超大型集装箱船、豪华邮轮管理最小阻力、最大能效与此相适应的配套设备技术发展轻量化、智能化、远程监控，互联网、物联网的应用 当这一切与经济形式发生交集时（如当前的油价下降），秉承船舶全寿命期内“经济、绿色、能效”的概念将可立于不败之地，配套业的走向也只有如此与船舶的绿色技术同步发展,谢谢关注！,