船舶清洁能源应用及发展方向
时间：2020-12-18 12:05:10 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：改革开放以来，我国经济发展水平也越来越高，但是随之而来的环境污染也成为不可承受之痛，长江作为中华民族的母亲河，不仅孕育了灿烂的中华文明，在当今中国经济的发展进程中更是起到了交通大动脉的作用，长江黄金水道在带来惊人运输效益的同时，大量船舶因燃烧传统柴油燃料造成污染也是惊人的，作为一名武汉长江边出生长大的高中学生，通过所学物理化学知识，分析船舶污染、黑烟的来源，提出船舶清洁能源应用选择发展方向。
关键词：船舶；清洁能源；天然气
中图分类号：U677.6 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）4-0057-03
自工业革命以来，煤炭、石油等传统燃料的使用，极大地推动了人类工业文明发展进程，但随之而来的污染却也严重威胁着全人类的身体健康乃至人类的文明发展进程，如何选择应用清洁能源已成为全世界共同面对的问题。
改革开放以来，我国经济发展水平蒸蒸日上，但是随之而来的环境污染也成为不可承受之痛。长江作为中华民族的母亲河，不仅孕育了灿烂的中华文明，在当今中国经济的发展进程中，长江作为横贯西东的黄金水道，更是起到了交通大动脉的作用，长江在带来惊人运输效益的同时，大量船舶因燃烧传统柴油燃料造成污染也是惊人的，笔者作为一名武汉长江边出生长大的高中学生，看到长江上船舶排出的滚滚黑烟，痛心不已，通过笔者所学物理化学知识，分析船舶黑烟的来源，对船舶清洁能源的应用及发展方向提出有价值的参考，也为国家建设绿色长江经济带贡献自己的力量。
1 船舶内燃机工作原理及污染原因分析
1.1 船舶内燃机及燃料使用
目前，长江上船舶普遍使用以柴油作为燃料的内燃机作为航行推进动力，内燃机本质上是一种燃烧，燃烧将化学能转化为机械能，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。传统内燃机采用汽油或柴油作为燃料，燃烧后会产生固体颗粒物、氮氧化物（NOx）等多种有害物质，尽管内燃机具有效率高、体积小、续航里程高等优点，但是其每年消耗燃料并排放危害环境和人体健康的物质，而排放的固体颗粒物也是近年来雾霾频发的诱因之一。
1.2 汽柴油成分
汽油的成分很复杂，其中含有上千种化合物，主要成分是C4～C12烃类，为混合烃类物品之一，是一种无色或淡黄色、易挥发和易燃液体，具有特殊臭味。汽油不溶于水，易溶于苯、二硫化碳和醇。
柴油也是混合物，中间有较多可燃烃类，如链烷烃、环烷烃、单环芳烃、烷基苯、茚、萘衍生物、多环芳香烃、三环芳烃等。
与汽油相比，柴油能量密度高，燃油消耗率低，柴油可分为轻柴油（沸点范围约180～370℃）和重柴油（沸点范围约350～410℃）两大类。
使用汽柴油的内燃机广泛用于船舶、车辆、铁路机车。
1.3 汽柴油內燃机的污染排放分析
分子中仅含C、H两种元素的有机物烃类，可用通式CxHy表示，且y≤2x+2。汽油的主要成分是含碳原子5～11个的烃，柴油以含碳原子15～18个的烃为主，烃类在燃烧时，含碳量（质量分数）越高，就越易造成不完全燃烧，产生一氧化碳甚至冒黑烟，这也是柴油机为什么比汽油机更容易产生黑烟的原因之一，而大中型船舶普遍是采用柴油机作为推进动力的：
（1）可燃物完全燃烧时，其中碳元素全部生成二氧化碳、氢元素全部生成水，因此碳氢化合物CxHy，在空气中完全燃烧生成二氧化碳和水，该反应的化学方程式可表示为：
4CxHy+（4x+y）O2=4xCO2+2yH2O
（2）可燃物不完全燃烧时，其中碳元素生成一氧化碳、氢元素生成水、烃链结构中碳元素也会生成颗粒物，可燃物不完全燃烧时，其中碳元素全部生成一氧化碳、氢元素全部生成水，因此碳氢化合物CxHy，在空气中不完全燃烧生成一氧化碳和水，该反应的化学方程式可表示为：4CxHy+（2x+y）O2=4xCO+2yH2O；生成“黑烟”和水可表示为：4CxHy+yO2=4xC+2yH2O。
使用传统汽柴油内燃机尾气的排放物是大气污染物的一个主要来源，其中，排放的固体颗粒物是普遍认为的雾霾重要诱因之一，我们日常在长江边上看到船舶排出的滚滚黑烟，就是固体颗粒物的排放重要表现之一。
除了上面分析的污染，传统汽柴油中含有的铅、硫化物燃烧后产生铅氧化物和硫氧化物，还有氮氧化物，这些都随着滚滚黑烟排入大气，对我们长江母亲河沿线生态造成了严重的污染，也不符合建设绿色长江经济带的国家战略。
2 清洁能源发动机
长江上航行的船舶普遍采用柴油作为燃料，通过以上分析得知，传统的汽柴油难当清洁能源大任，那么在推进动力系统方面，可选用新清洁能源动力方面又有哪些呢？
2.1 纯电动驱动
纯电动驱动采用“充电->电池->驱动电机”的工作原理，从根本上避免了内燃机燃烧排放所造成的污染，然而，作为纯电动驱动的“心脏”的动力电池，普遍存在价格高、寿命短、外形尺寸和重量大、充电时间长等缺点。纯电动驱动应用于城市公交、短程定点车辆、小型定线船舶运行尚属可行，而大中型船舶应用因要求续航里程长，动力输出功率大等原因，纯电动推进系统无法应用于大中型运输船上，即便有的大中型船舶用的电动推进系统，也是由船舶自身内燃机发电供给的，由国内“广船国际”建造的应用最新技术的纯电力驱动船舶，采用超级电容加锂电池的方式来存储电能，但其续航力也不到100公里，不具备长航程运营的能力，长江仅武汉到上海航段就长达1000多公里，此技术显然在长江航运上不具备可实施性，此外船用电池制造、报废处理所造成的污染也是不可回避的环保难题。总之制造成本高、续航里程短、充电时间长、次生污染严重等都是现阶段纯电动驱动技术无法应用于船舶的主要原因。
2.2 太阳能动力
