隨著近年技術革新的飛速發展，人們不禁對未來充滿期望。到2020年我們將會擁有并實現怎樣的先進技術？DNV的研究部門曾對包含造船、海運等多個工業領域進行了針對未來技術革新的調查研究，并編輯出版了名為《Technology Outlook》的手冊，介紹了未來的新技術及發展動向。上一本《Technology Outlook 2015》出版于2008年，DNV在其中展望了2015年的技術和發展動向。而2011年DNV又出版了《Technology Outlook 2020》，在造船、海運、燃料/再生能源、核能、發電系統等多種工業領域進行調查研究，介紹了面向2020年受人矚目的新技術。從中我們選擇了與環保造船有關的技術進行聚焦，來展望一下DNV所描繪的未來節能船舶技術。
一、減少能源損失相關技術
1.1 ?空氣潤滑法
減少船體阻力可以看做是改善能源效率的有效手段之一。自興波阻力被控制在最小限度的一些新船型被開發出來后，可減少船體摩擦阻力的技術研究開始顯得尤為重要。空氣潤滑法便是一個能夠在船底與海水之間使用空氣進行潤滑以減少船體摩擦阻力的新技術。
目前全球利用空氣潤滑法的系統有2種模式。一種是由船底開設的許多氣孔噴出空氣，形成空氣層來減少船底與海水的摩擦阻力。這種技術的關鍵在于控制空氣的噴量以達到在船底形成穩定的空氣泡層的效果。
第二種是船底留有大塊凹陷區域，從中送入壓縮空氣，形成空氣膜來減少船底阻力。這個模式的關鍵在于如何維持空氣膜的穩定存在，因為在不穩定的情況下無法發揮應有的降阻效果。
至于該系統是否會對螺旋槳性能帶來不好的影響是今后需要繼續研究的課題，不過兩個方式都可以減少10%~20%的船底摩擦阻力，最終達到減少10%油耗的結果。
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1.2 ?復合材料
使用復合材料建造船體可減少船體重量，削減燃油消耗，同時還可減少有害氣體及溫室氣體的排放。比如纖維增強塑料，鋁，鈦等輕型材料已作為小型船舶的建材所使用，而纖維和金屬復合的材料作為未來船舶的輕型材料受人矚目。
纖維和金屬復合材料是由金屬薄板和聚合物層積體相互交疊形成的材料，它同時擁有耐沖擊性、耐磨損性等金屬材料的特質，以及高強度、耐疲勞性、耐腐蝕性等復合材料的性質。金屬薄板可采用鋁合金板或者鋼板，聚合物的主要材料則可用碳纖維或者玻璃纖維來強化。這些材料目前廣泛用于航空航天產業，可以考慮將其中的一部分用于特殊船舶的建造。對于普通商船來說將來也有可能使用，不過其價格十分高昂，推廣普及或許要到2020年以后。材料成本方面，制造技術、回收利用技術、防火性等方面的改善將是今后的課題。
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1.3 ?混合推進系統
傳統的推進系統是2沖程主機與推進軸直接連接，通過常規螺旋槳推進，整套系統的效率設計都是為了達到期望航速而服務，而在設計范圍之外的場合無法發揮全部性能。
混合推進系統的設計理念是將傳統軸螺旋槳推進與吊艙推進器組合，可改善上述推進系統的缺點。例如，將吊艙推進螺旋槳安置于調距螺旋槳后方并反轉，亦或者在船體中心線以上安裝主軸螺旋槳，其兩側安裝操舵式吊艙推進螺旋槳。如果采用這樣的混合推進系統，可增加推進性能，獲得更好的有效速率，以達到高效航行的目的。如果再擁有最適船型設計，可減少最多10%的燃料消耗。當然增設吊艙推進器所帶來的成本增加，以及設計費用的增加仍是一個問題，但這無法阻擋混合推進系統成為將來節能技術的一大亮點。
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1.4 ?無壓載水船舶
無壓載水船舶的理念久為人知，不過至今為止一直未能實現實船建造。但是隨著船舶氣體排放規則的日趨嚴格，以及壓載水管理條約的強制執行漸漸臨近，無壓載水船舶漸漸成為一個受人矚目的環保技術。
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無壓載水船舶在水面以下的船體形狀近似倒三角，這種構造使得即使不搭載壓載水，也可保證足夠的吃水和復原性。但是想要維持與常規船舶一樣的排水量和載貨量的話，無論如何船體的總長和總寬都要擴大。同時，根據載貨狀態的變化，會產生船首船尾的平衡性問題。考慮到實際情況，為了保證載貨的自由，在船首和船尾各設立1個調整平衡用的壓載水艙是比較好的解決方式。
根據壓載水管理條約，如使用壓載水，船上必須安裝有壓載水處理裝置，不過與常規船舶相比選擇一個容量較小的處理設備亦可，處理裝置的小型化減少了整體重量，減少了電力消耗，這些都可使得燃費得以削減。
當然伴隨著船體的大型化，建造設備也需要擴張，特別是獨特的斷面形狀使得目前的建造方法和建造標準需要重新構建，這些仍是有待突破的課題，想必在2020年無壓載水船舶將是高價型船舶。
二、尋求更清潔的替代能源
隨著NOx、SOx以及PM等排放規則的日益嚴苛，在不遠的將來或許會推出對二氧化碳排放的限制規則。基于這種背景下，以LNG、生物燃料為首的清潔能源倍受重視，而風力、核能等能源的利用也正在被考慮。今后隨著石油價格的進一步高企，船舶領域的燃料從傳統石油逐漸轉向清潔能源的速度將更快。
2.1 ?LNG
使用LNG作為燃料的主機不會排放SOx和PM。并且采用稀薄燃燒方式的4沖程燃氣輪機比傳統柴油機能夠減少90%的NOx排放量。當然如果大型商船改用2沖程的低速主機，減少的NOX排放量與燃氣輪機差別不大，但是后者更能符合日后的排放規則。
采用LNG燃料，比起傳統的石油燃料能減少25%的二氧化碳排放量。但是，根據燃氣輪機的型號不同，LNG中的甲烷無法在主機內完全燃燒而造成殘留氣體排入大氣是一個無法忽視的問題。如果不完全燃燒的殘留甲烷排放量較多的話，最終會稀釋了減少二氧化碳排放控制溫室效應的成果。
燃氣輪機經常作為陸上發電設備使用，已取得良好的效果，船用燃氣輪機的開發也在繼續發展。在LNG用于船舶燃料的研究課題方面重點在于如何有效率的配置燃料艙。要儲存LNG必須先進行極低溫冷卻后液化，與常規的柴油燃料相比，燃料艙的容積需要大2~3倍。并且燃料艙造價較高，因此LNG燃料船的新船造價要比常規船高10%~20%。而LNG的燃料補給站目前只在北歐地區有所展開，地域限制較高，今后應將更多的建造LNG補給站。
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當然LNG的價格與石油價格一樣會有波動，不過在今后10年內，在ECA區航行的短途船舶將會誕生不少LNG燃料船。
2.2 ?風 ?箏
目前還有一型采用風箏獲取風力推進的船舶十分醒目。該系統十分簡單，僅由風箏、控制纜線、固定系船索組成。投入商業化運營的風箏船舶，風箏面積在160~300m2左右，在蒲福風級3~8級時可保持在100~420 m高度。船內的自動控制系統可控制風箏發揮最大的性能，根據船速和風力高低，最大可產生2000 kW的推進動力。
船舶在裝備風箏推進系統時需要注意的是，設計時不要讓裝載物和煙囪等甲板上的構造物影響到風箏作業。
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2.3 ?生物燃料
生物燃料作為一種可再生能源，可以削減二氧化碳的排放。如果采用生物燃料，雖然會增加些許NOx的排放量，但是SOx和PM的減排效果十分卓越。目前的柴油主機可以使用生物燃料與柴油混合的燃料，甚至植物油也有望成為船舶的燃料。生物燃料的普及與否，受到其價格、獎勵制度以及流通量的影響，目前還存在的一些問題或許到2020年可以得到解決。
2.4 ?核 ?能
核能設備在工作中不排放NOx、SOx和其他會產生溫室效應的氣體。而使用核能的推進系統已廣泛用于各國的軍艦上，不過尚無使用核能的商船誕生。
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如果將來能建造核能的商船，可以考慮使用低濃縮鈾。以陸地上所使用的反應堆為原型設計的小型核反應堆可以提供媲美于大型柴油主機的25 MW功率。比如美國Hyperion公司開發了一型小型核反應堆，燃料壽命在10年以上，價格則為200萬美元。
核能在核燃料的分裂、擴散控制、分解、放射性廢料的處理、建造成本以及來自社會的理解等方面還有很多問題有待解決。而對核能設備需要進行廣泛持久的實證試驗，要在2020年就投入商用成為商船的主力推進系統或許還很難，需要各國政府的支持。
三、電力推進
3.1 ?混合供電系統
采用了結合多種發電方法的混合型供電系統的電力推進船，是高效環保的船舶。如果是采用單一發電方式的推進系統，在滿足設計條件范圍內運行時可以發揮最高的效率，但是當發電量和供電量有所變動，就會影響到發電效率。如果能夠搭載混合型供電系統，可以根據情況彈性供電，提高能源效率。
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到2020年，或許會出現這樣的電力推進船，它的供電系統會從常規的電動機、發電機發展到超導體電動機、發電機，甚至燃料電池、蓄電池組合而成的混合供電系統。另外對電力推進船來說，除了這些能源外，還可有太陽光發電以及風車發電等可再生能源的組合供電系統。
同時還有一些課題有待攻破，比如復雜的系統控制、日常維護負擔增加、如何最佳配置系統以及設備的輕量化。
3.2 ?船用燃料電池
所謂燃料電池，就是將從化學反應中產生的能源直接轉化為電力使用，其最大轉化效率可達80%（氫燃料）。天然氣、生物氣體、甲醇、乙醇柴油、氫氣等都可以作為燃料。其中LNG燃料電池與常規柴油主機相比，每kW可減少50%的二氧化碳排放量。
目前，300 kW級的船用燃料電池原型正在開發中。燃料電池所面臨的問題在于成本、重量和大小、使用壽命、載荷變動時的聯動性等。到2020年如能克服這些困難，燃料電池或可將實用化。
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3.3 ?蓄電池
蓄電池可儲存能量，在必要的時侯提供動力。如果在供電系統中準備足夠的蓄電池，可以保證無間斷的穩定供電。比如在發生急劇的載荷變化而燃料電池還未跟上這一變化時，蓄電池可幫助補充斷檔時的電力供應。另外如果采用蓄電池提供載荷變動時的銜接供電，可以使雙燃料主機以最佳的效率運轉，并且抑制載荷變動時產生的過剩廢氣排放。在前文所介紹的混合供電系統中，為了在載荷變動時發揮最高效率，在電力供應系統中加入蓄電池是十分有效的手段。
到2020年，預計可開發出400 kw，峰值4000 kw，重量在2~4 t，容積1m3的電源組。
3.4 ?超導體
常規的發電機、變壓器等電力設備由于電阻的存在，總是會有能量損失。超導體在-160℃的環境下為零電阻，超導體電線所傳導的電流是同規格的銅制電線的150倍。如果采用超導體則發電機等相關設備可大大減小體積規格，并且還可期待使用超導線圈的能源儲存設備技術發展。
但是如果要使用超導體材料，需要在液氮等超低溫環境下以及采用屏蔽罩裝置，如果沒有這些條件超導體無法保存。如何在超低溫環境下保證設備的穩定性將是超導體船舶在設計上需要攻破的課題。
2009年美國海軍成功進行了36500 kW的超導體發電機用于船舶推進系統的試驗。
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3.5 ?船舶岸電供電系統
一般船舶燃料的年消費量中5%是在港口停泊時消耗的。在人口密集的港口停靠時，船舶發電機中排放的廢氣對環境和人類的健康有無法忽視的影響。如果船舶岸電供電系統能夠普及的話，將消除船舶廢氣排放對港口周邊環境和人類健康的損害。
到2020年，陸地與船舶之間的充電插口或許將標準化，不僅新造船舶，現有船舶也將統一配備。這個接口可將岸上的供電電壓轉化成船舶內的供電電壓，使船舶可自由的在世界各個港口的岸上充電設備獲取電力。
為港口配備岸上供電系統將是今后有待突破的課題。下圖為CrossTree公司提出的岸電供電系統方案。
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四、信息化航海技術
所謂信息化航海技術，是指將船舶的精確方位數據、氣象數據、各類測算數據、船舶性能數據等融合一體，將電子海圖打造成船內信息集成平臺的技術。電子海圖系統將從其他設備上收集信息，比如安保信息和危險航道信息、出入港口及天氣等，集成為航海計劃，統一顯示在一個屏幕上。這樣一來，可以降低事故發生頻率，使船舶航行在最安全、最經濟的航道上。
4.1 ?電子海圖信息顯示設備
觸礁不光對船舶本身有巨大的傷害，更有可能發生死亡或者漏油等重大事故，十分遺憾的是這樣的重大事故時有發生。如果船上安裝了電子海圖信息顯示設備（ECDIS），可以減少30%的觸礁或擱淺事故。因此IMO規定了到2020年所有的船舶都要安裝ECDIS。
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ECDIS整合了船舶氣象定線、海盜預警、冰山識別、浮游生物警報等系統為一體，可以說是支援系統的集成平臺。并且，除了以上航海時不可缺少的支援系統外，ECDIS還結合了出入港口、通關手續辦理系統，可以說ECDIS是信息化航海技術中的核心。
4.2 ?船舶氣象定線系統
現有的只考慮天氣的航線計劃，重點都在規避惡劣氣候，安全航行上。但是船舶氣象定線系統沒有被局限于對氣候的把握，它還可在燃油消耗量，船舶到港時間，工作人員乃至乘客的乘船體驗，船體的疲勞強度等方面對航線進行最適宜的制定，以船舶的性能、風向、波浪、潮流等的變動信息為基礎進行風險審計，指示一條最合適的航線。到2020年或許船舶氣象定線系統還可擁有自主學習功能，成為一個高精度的支援系統。
目前信息化航海技術大都用于行業中處于金字塔頂端的少數船隊中，到2020年或許可以全面普及，使得所有船隊均可運用。
五、結 ?語
以上《Technology Outlook 2020》所提到的技術中已有部分實裝投入使用，另有一些技術也已在研究開發中。或許到了2020年我們將見到更環保更先進的綠色船舶，但在此之前持續發展先進技術的腳步不能停歇，只有擁有更廣闊的視野，更多的去了解各個工業領域的前沿技術，用超前的眼光和意識進行技術革新，才會有更好的明天。
