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LNG动力邮轮研发热潮下的思考

2020-9-5 17:13| 查看: 1244| 评论: 0

谈谈LNG动力邮轮新造船状况及应用前景

相比传统燃油,LNG可有效减少90%~99%的硫氧化物和微小颗粒物、80%左右的氮氧化物等污染物排放,以及20%~25%的二氧化碳温室气体排放,满足IMO的0.5%限硫令和Tier Ⅲ排放标准,被航运界视为未来一段时间内的主要清洁能源。

LNG在邮轮上的应用主要有两种途径:一是用作双燃料主机的燃料;二是用作燃料电池的燃料。目前前者技术相对成熟,后者尚处于研究示范应用阶段。


LNG动力大型邮轮AIDAnova号

全球首艘完全采用LNG动力的邮轮AIDAnova号于2018年12月在德国迈尔船厂完工交付,开启了LNG邮轮的新时代。AIDAnova号是嘉年华集团18万总吨级“Excellence-Helios”系列LNG动力邮轮的首制船,也是嘉年华集团迄今为止最大的邮轮。此前嘉年华拥有AIDAprima号和AIDAperla号两艘LNG邮轮,这两艘邮轮由日本三菱重工建造,均配备了Cartepillar的MaK双燃料发动机,可在停泊时使用LNG燃料,但船上没有LNG储存装置,无法在航行和进出港时使用LNG动力,因此不是真正意义的LNG动力邮轮。

“AIDAnova”号的LNG储罐位置示意(图片来源:www.ilsenburger-grobblech.de)

AIDAnova号配备4台MaK 16M-46DF双燃料发电机组,总功率61.76 MW;安装3个LNG储罐,总容积3570 m3,足够支撑其航行2周;其中2个大型储罐长35 m,直径7.75 m,容积1525 m3;1个小型储罐长28 m,直径5 m,容积520 m3。罐体采用 Ilsenburger Grobblech公司的X8Ni9镍合金钢,可承受-196 ℃的低温,最大板厚50 mm,最小抗拉强度640 MPa,钢板总重308 吨。此外该船还配有3 000 m3的MGO储存舱。



“AIDAnova”号的LNG储罐外形(图片来源:www.ilsenburger-grobblech.de)

2019年年底,“Excellence-Helios”级系列二号船,同时也是世界第二艘LNG动力邮轮“Costa Smeralda”号在迈尔图库船厂完工交付。


LNG动力大型邮轮新造船情况

LNG动力大型邮轮(>70000 GT)订单占比逐年稳步上升,2020年~2025年间将交付48艘大型邮轮,其中20艘为LNG动力,占比高达42%。表1为LNG动力大型邮轮新造船的概况,地中海、皇家加勒比、嘉年华、迪斯尼都已订购了LNG动力大型邮轮。


2020年~2025年交付的LNG动力大型邮轮新造船情况(数据来源:www.cruiseindustrynews.com,更新至2020年8月)

总体上,LNG动力邮轮新造船的总吨位要大于常规电力推进邮轮。除迪斯尼的3艘邮轮为14万总吨外,其余17艘均为超大型邮轮。订单显示,新造的LNG动力邮轮总吨位均值为18.1万,远大于常规动力邮轮14.6万的均值。究其原因在于LNG动力邮轮需要较大的空间来布置LNG储罐,这也进一步推动了船型的大型化趋势。

LNG动力邮轮在乘客空间比、乘客船员比和每客位造价三项指标上,与常规动力邮轮相差不大。LNG动力邮轮的每客位造价均值为22.8万美元,甚至小于后者的24.9万美元。其主要原因是前者船型偏大,标准床位相对多,进而摊薄了建造单价。相应地由于尺寸的增加,LNG动力邮轮的整体造价也高出许多。


大型邮轮新造船的两项指标



LNG动力探险邮轮新造船情况

近年来LNG探险邮轮呈爆发式增长,2019-2023年的探险邮轮新造船共有47艘,年均约10艘,而2017年、2018年仅交付2艘和4艘。这波行情主要是由南极、北极探险旅游升温带动的。

庞洛邮轮的“Le Commandant Charcot”号是高端奢侈探险邮轮的代表,是全球首艘,也是目前唯一一艘LNG动力探险邮轮新造船。该船装有4台瓦锡兰14V31DF和2台10V31DF双燃料发电机组,总功率40 MW;采用法国GTT公司的“MARK III”薄膜型LNG储存舱,舱容4500 m3,是世界上第一艘采用薄膜型LNG储存舱,而非C型罐的邮轮;乘客空间比高达117,每床位造价高达120万美元,两项指标均为探险邮轮新造船之最。


2020年~2025年交付的LNG动力探险邮轮新造船情况(数据来源:www.cruiseindustrynews.com,更新至2020年8月)



LNG燃料电池应用情况

燃料电池具有能量转化效率高、无环境污染物排放、可低温快速启动、振动和噪声等级低等优点,是颇具潜力的船舶动力装置。燃料电池按其电解质不同,可分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)和碱性燃料电池(AFC)等几种。理论上燃料电池的能量转化效率可高达90%,由于受工作条件限制,目前燃料电池的实际能量转化效率仅为40% ~ 60%。

LNG可直接用作固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池的燃料气,也可作为原料加热制氢后作为氢燃料电池。

瓦锡兰比较关注船用固体氧化物燃料电池的开发,WFC20 20kW燃料电池已实现客船的示范应用。该电池采用模块化设计,可以采用多个燃料电池单元构建成大型系统。目前瓦锡兰正致力于50 kW以上燃料电池的商业化产品开发。

预定于2022年5月交船的地中海“欧罗巴”号LNG动力邮轮将示范安装一套50 kW的固体氧化物燃料电池。该燃料电池由法国Entrepose公司设计,使用LNG作为燃料,工作温度约750度,最高电能转化效率60%;能同时消除硫氧化物、氮氧化物和微小颗粒物的排放;与常规双燃料主机相比,能减少~30%的温室气体排放。

总体上,目前燃料电池技术还不成熟,功率小,寿命短,燃料储存难度大,离大规模商业应用还有较大差距。


丰田开发的250 kW LNG燃料电池样机           



LNG邮轮的热潮需理性看待

LNG动力是邮轮,特别是大型邮轮的重要发展趋势。我国正致力于邮轮设计制造领域的技术攻关,不能忽视这一发展趋势。采用LNG动力,势必增加邮轮的开发设计和建造难度,我们必须立即着手建立相关技术储备,但也需理性看待LNG在邮轮上的应用前景。

LNG是解决温室气体零排放的过渡解决方案

环保主义组织“航运清洁联盟”在一份提交给IMO的技术报告中声称,LNG中的主要成分甲烷本身就是一种温室气体。以100年时间计算,每克化石甲烷对气候造成的直接影响是等量二氧化碳的30倍。而在LNG的生产、运输、加注、使用的整个周期中,存在大量“甲烷逃逸”。造船和航运界比较关注发动机工作时的“甲烷逃逸”,但据称LNG生产过程中的“甲烷逃逸”更为严重。从这个角度看,广泛采用LNG反而可能加快温室气体排放总量的增长。因此,该组织呼吁IMO的温室气体减排战略应当关注“真正的”低碳燃料,将LNG从低碳替代燃料的名单中剔除,但目前各界鲜有响应。

即使不考虑“甲烷逃逸”,LNG还是会有二氧化碳排放,只是解决零碳排放的过渡解决方案。


LNG码头加注设施不完善影响邮轮运营

正所谓“理想丰满,现实骨感”,目前LNG码头加注设施尚不完善,大多依靠槽罐车加注,加载速度慢,影响邮轮运营调度。在欧洲这样LNG码头加注设施相对完善的地区尚且如此,不难想象在其它地区的状况。


推高建造成本增加运营压力

若要维持同等规模的公共区域和居住区域,采用LNG动力,必将增大船体规模,与双燃料发动机、燃料供气系统等设备一起推高建造成本。采用LNG动力,也将增加设计难度和成本。LNG动力装置的维护成本也要高于常规动力,相应的船员素质也要高些。理论上,LNG具有成本优势,但这是长期行为。设计、建造和运营成本的增加,不可避免地给邮轮公司带来经济压力,如果转嫁于消费者必将增加运营的难度。


LNG是邮轮的重要选择但并非唯一选择

截至目前,诺唯真邮轮集团和云顶香港邮轮集团都没有订造LNG动力邮轮。正如商船领域一样,邮轮使用LNG燃料是一种重要的选择,但不是唯一的选择。至少短期内低硫油、脱硫塔两种减排方案仍具有不小的吸引力,船东需要综合政策法规、安全性、配套供应设施、品牌效应,特别是经济性分析作出决策。LNG不可能在短期内完全取代常规燃油能源。


NG双燃料发电机 + LNG燃料电池较具潜力

现阶段,在燃料电池尚不成熟的情况下,采用LNG双燃料发电机为主,LNG燃料电池为辅的组合方式,不失为一种节能减排的优化方案,值得探讨。使用LNG燃料电池,起码不需要担心燃料的储存问题。目前,氢燃料电池研究走在前列。但综合多方信息来看,造船界更看好固体氧化物燃料电池的潜力,但这种电池的积碳问题依旧棘手。

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