@ 2021.06.05 , 23:43

闭门造船:如何设计一艘21世纪的帆船

投稿:BISK
原文:https://solar.lowtechmagazine.com/2021/05/how-to-design-a-sailing-ship-for-the-21st-century.html

造一艘碳中和和帆船是非常困难的,在当今时代尤为如此,因为自大航海时代以来,我们对于安全、健康、清洁、舒适以及便利的需求发生了天翻地覆的变化。

帆船是教科书级的可持续性典范。四千年来,在全世界的汪洋大海上,帆船在不烧一滴油的情况下就把乘客和货物运输到了世界各地。如果我们想在低碳社会里进行旅行和贸易,那么比起集装箱船、散装货船和飞机,帆船是一个显而易见的替代选择。

然而按照定义,帆船可谈不上是一种碳中和的技术。历史上大部分的帆船都是使用木材构建的,但那个时候人们会倾尽整片森林来制造船只,而树木通常会不再长一茬出来。在十九世纪末到二十世纪初这段时间里,使用钢铁制造的帆船数量开始上升,这也带来了不小的碳足迹。

在二十一世纪制造一艘碳中和的帆船更是希望渺茫。因为自大航海时代以来我们的需求发生了巨大变化。和祖辈们比起来,我们需要更多的安全性,更舒适便利的环境,还需要保持清洁。如果船只不搭载柴油机和发电机的话,这些高标准很难达到。

帆船复兴

过去十年中帆船已经目睹了自己的复兴痕迹,尤其体现在货物运输方面。2009年,荷兰公司Fairtransport开始使用建于1943年的 树人号 帆船在欧美两洲之间运输货物。此公司现在还保持着活跃,而且在2015年后将第二艘船 北极光号 (建于1873年)投入了使用。

自那以后,其他人也加入了帆船货运的行列。2016年,德国公司Timbercoast开始用建于1920年[1]冒险号 来运输货物。2017年,法国公司Blue Schooner Company使用了建于1916年的 豪侠号 在欧洲和美洲之间运输货物[2]。这几艘帆船都建于二十世纪或十九世纪,并在后来的时间里进行了修缮。然而,帆船复兴不能仅靠旧船,因为没有那么多的旧船可以使用[3]

目前至少有两艘帆船是完全从零开始建造的:木棉号环保快艇500型 。前者是哥斯达黎加的公司Sailcargo建造的。受二十世纪的一艘芬兰船只启发,这艘船使用了木材进行建造。后者则是由EcoClipper公司设计的,该公司的领导就是荷兰FairTransport的创始人之一,Jorne Langelaan。环保快艇500型 是1857年的荷兰船 诺亚号 的钢铁构建版本。

“老设计不见得就是好设计”,Jorne Langelaan说,“但是使用饱经考验的设计可以确保其性能,采用新设计则更像是一种冒险。而且在二十世纪和二十一世纪,帆船科技的技能树都点在了快帆游艇上了,这和装货的帆船根本不是一回事。”

更经济的帆船

上述两艘船——一艘仍在建造,一艘还在设计阶段——有潜力将当今帆船货运的经济性推到新的高度。因为她们又着比当前运行的帆船更大的载货量。船越大,则储物能力更强。

长46米的 木棉号 搭载了面积为580平方米的船帆,可携带250吨货物。而长60米的 环保快艇500型 搭载了1000平米的船帆,可携带500吨货物。对比起来,树人号 要更短一些,长度32米,却只能携带40吨货物,还不到 环保快艇500型 的十二分之一。而且更大的船开得更快,更省劳动力。树人号 需要7人组的海员,而 环保快艇500型 只需要稍多一些的12人。

帆船的一生

尽管 环保快艇500型 还处于设计阶段,她仍然是本文聚焦的对象。这是因为制造者在开始建造之前已经对这艘船的生命周期进行了分析。据我所知,这是有史以来首次对帆船进行的生命周期分析。分析结果表明,建造这艘船需要产生约1200吨的碳排放。

其中半数以上的排放来自于钢铁生产,而约有三分之一的排放来自于钢铁加工和其他造船厂的活动。溶剂型涂料以及电子电气系统各自约占排放量的百分之五。船帆制造产生的碳排放没有可用的科学数据,因而没有被纳入数据统计当中,但通过快速的粗略计算(船帆基于芳纶纤维)可以得知,这项行为产生的碳足迹是十分微小的[4]

按照研究者Andrew Simons,也就是进行了帆船生命周期分析的那个人的计算,假设这1200吨的排放平摊到约莫50年的帆船寿命上来,那么 环保快艇500型 上的每吨货物每公里会产生约2克的二氧化碳排放。这个排量只有集装箱货船的五分之一(吨公里10克二氧化碳),散货船的三分之一(吨公里6克二氧化碳)[5]

环保快艇500型 把一吨货运输8000公里(差不多就是加勒比到荷兰的距离)会产生16千克的碳排放,而同样的集装箱船会产生80千克,散货船会产生48千克。这种比例放在其他环境参数上也差不多,比如臭氧消耗,生态毒性,空气污染等等。

尽管帆船显出了不小的优势,但并不像人们预期的那样风光尽占。首先,正如Simons所解释的,是体量的问题。集装箱船和散货船对比 环保快艇500型 的优势,和后者之前对比 树人号 的优势是一样的。其他船只能携带更多的货物——平均是远超500吨的50000吨——而且船员数量只需要少许增长到20~25人[6]

其二,燃烧化石燃料的船舶比帆船更快,所以在给定时间给定货量的情况下的运输会使用更少的船。环保快艇500型 基于的那艘船从荷兰开到印尼需要65到78天,而集装箱船只需要一半的时间(走苏伊士运河这条捷径)。

风帆舰队

要想进一步降低帆船的碳排放,有两种方式。第一种就是用木材而不是钢铁来构建船只,就像 木棉号 那样。如果砍掉的树木之后还可以长回来( 木棉号 的制造者保证他们会这样做),那么这样的船只甚至可以视为一种碳收集器。

但是 环保快艇500型 选择使用钢铁是由原因的:制造者不想仅仅造一艘船,他们想要一艘舰队。Jorne Langelaan说:“现在能造木船的船厂不多了。短期内钢铁船比木头船更容易建造。”

组合式构建则是一种可能的妥协方式,也就是用钢铁的船架,配以木制的龙骨、船皮和甲板。Andrew Simons说:“这样做可以减少一半的制造时碳排放,而且船的上层结构和部分桅杆也可以使用木材而不是钢材了。”

在更远的未来,另一个减少帆船每吨公里碳排放的手段就是把船建造的更大。虽然 环保快艇500型 比起当前运行的帆船已经够大了,但是离历史上最大的帆船还远着呢。

历史上的大帆船包括 共和号(5000吨),帕尔马号 (5300吨),法兰西二号 (7300吨)和普鲁士号(7800吨),这些船都超过了100米长,载货量是 环保快艇500型 的十多倍。Langelaan已经在幻想 环保快艇3000型 将会如此了。

乘客

当代的大多数帆船在大洋上航行的时候也会携带一些乘客。环保快艇500型 在满载货物的情况下还可以携带12名船员,12名乘客以及8名见习船员(学习如何航行的乘客)。如果上层甲板没有装货的话还可以再增加28名见习船员,这样船就可以载客60人(载货则要少一些:从880平米降为480平米)。

环保快艇500型 也可以作为飞机的替代物,因为远洋客轮差不多已经消亡了。按照这艘帆船生命周期的分析,每名乘客每公里产生的碳足迹是10克,而乘飞机则会产生100克的碳足迹,一名飞机乘客产生的碳足迹和运输一吨货物相当。

引擎

生命周期分析的要点在于,它假设 环保快艇500型 不使用任何柴油引擎。在帆船上,柴油引擎有两种用途,可以结合来看。首先是在无风的情况下推动船只,比方说在离开和进入港口的时候。其次就是和发电机联合使用,一个柴油引擎可以产出船上一整天的用电。

在大部分的历史中,帆船上的能源使用是不成问题的。船上有烧火做饭供暖的木柴,还有蜡烛和油灯来提供光照。船上没有存储食物的冰箱,没有淋浴室和洗衣机,没有导航和通讯的电子设备,没有以防失火的电动水泵。

但是现在我们对安全性,对健康,清洁,温度以及便利各个方面都有了更高的要求。问题就出来了,在船上没有燃油引擎的情况下,实现高标准也是高难度的。现代供热系统和厨房设备,还有热水器、电冰箱、冷冻柜、照明设备、安保设备和电子器具这无一不需要能量来工作。

现代帆船通常会使用柴油引擎来提供能源(以及在有必要的时候驱动船只)。以Timbercoast公司的 冒险号 为例,它搭载了一台300匹马力的发动机和一台20千瓦的发电机,还有着2330升的油缸。大型风帆训练船和游轮上会装有多个发动机和发电机。举例而言,船长48米的双桅船 晨星号 的发动机马力有450匹,并且有三台总容量100千瓦的发电机,而56米长的三桅船 欧罗巴号 则有两台365匹马力的发动机和三台发电机——日均耗油量数百升。

显而易见,如果考量帆船航行产生的环境足迹,那么这些引擎产生的废物废气就必须要考虑在内。视船员生活方式而定,每名乘客每千米所产生的排放物有可能达到,甚至超过飞机的级别。退一步讲,船上的电力使用也会增长货物运输时的排放量。

泊船也费力

环保快艇500型 不使用任何柴油引擎,这是它能获取关注的第二个原因。显然,帆船无风,寸步难行。不过这一点可以用一种十分老派的做法解决:原地等待,直到风来。无引擎的船只也需要拖船——通常是烧油的——来进入和驶出港口。对于 环保快艇500型 而言,它的2g/km碳排放中有0.3g/km是使用拖船所产生的。

就算没有柴油引擎,帆船也需要从本地能源中获取所有能量,这才是困难之处。可再生能源不稳定,功率密度比化石燃料低,使得产生额定能量所需的空间会更大,这在地上可能没什么问题,但在海上就难说了。

要使 环保快艇500型 的能量使用自给自足,首先要做的设计决策就是尽可能减少电力的使用。这一点对于高温加热十分重要,也就是说不能使用电热泵。船上用颗粒炉提供空间加热,并且使用生物降解器——有史以来首次在船上应用——来把人类和厨房产生的废物转化成做饭用的燃气,船上的隔热也很重要。

尽管如此,在颗粒炉和生物降解器(它们本身就需要电力)以及隔热系统都存在的情况下,船只的每日能量需求也要高达50千瓦时(平均耗能2千瓦)。这种属于“最坏的正常运行”情况,也就是指船只搭乘60人在寒冷的天气下航行。在暖水中或者人员较少的情况下耗能自然也更低。而在紧急情况下,能量需求可达8千瓦,三小时内会消耗超过24千瓦时的能量。
水电

如何发电?太阳能板和风力发电机只是解决方案中的小小一环。要想日均发电50千瓦时,至少要有100平方米的太阳能板,而在60米长的帆船上并没有这么多的空间。风力发电机可以挂靠在桅杆上,但是它的发电也十分有限。太阳能和风力发电的潜力不佳,这一点在之前提到的 冒险号 上已经凸显出来了,这艘船有一台烧油的20千瓦发电机,但只有2.1千瓦来自于太阳能板,0.8千瓦来自于风力发电。

水力发电机是能为船上的现代设备提供可再生能源的唯一救世主。水力发电机附着在船体底部,与螺旋桨推进器反向。不过不是螺旋桨驱动船,而是船螺旋桨给供能,然后带动发电机产生电力。所以水电其实名不副实,发电机的能量其实是来自风能:迎风而航的船只转动了螺旋桨。显然这只在船只航行速度足够快的时候才有效。

环保快艇500型 装备了两台大型水力发电机。Simons计算出了不同速度下发电机产生的能量,发电机产生的拉力会降低航行速度这一点也被考虑进去了。他总结道,环保快艇500型 需要在7.5节的速度下航行才能产生足够的能量。在这种速度下,水力发电机可以产出约2000瓦特的能量,也就是约每日50千瓦时的电力(24小时全天航行)。

在较低的4.75节速度下,发电机可以产出350瓦特,差不多就是24小时内产出8.4千瓦时的电力——仅为最大电力需求的六分之一。另一方面,帆船在更高的速度下会产生超出需求的电力。在接近10节的速度下每天可以产生120千瓦,在12节的速度每天可以产生182千瓦——是需求的3.5倍。

盐水电池

根据 环保快艇500型 的船体速度,她最高可以在略超过16节的速度下航行——是满足电力需求速度的两倍。达到这样的高速不会很频繁,因为这需要海面平稳并且在正确的方向上存在强风。不过,在风力优良的情况下,船可以轻易产出所需的所有电力。

良好的风力环境可以持续数天之久,尤其是在海上,风会比陆地上更强,也更容易预测。但是好风不常有,船早晚会在低速下航行,或者船处在了无风波的环境下——这时候水力发电机就跟晚上的太阳能板一样没用。

另外一个问题则是在无风的情况下不仅寸步难行,而且还做不到维系船上的生命。第一个问题很好解决,但是第二个问题就不容易处理了。生命不停止呼吸,对船只的能源需求就不会削减。此船需要能量存储来达成这一点。

想要在寒冷天气中航行三天,不考虑充放电损耗,需要的能量是150千瓦时。七天则需要250到350千瓦时的能量储备。而应对紧急情况还需要额外的25千瓦时的能量。

不加引擎就意味着能节省下来发电机和油缸的空间,但是这些空间很快就会被水力发电机使用的电池所占据。锂电池倒是十分紧凑,但是它们是不可持续的,还会带来安全隐患。所以Jorne Langelaan和Andrew Simons在更为恰当的盐水电池身上看到了潜力。盐水电池不可燃,无毒害,易回收,温度容忍区间大,而且有超过15年的寿命。就像生物降解器一样,盐水电池也是首次在帆船上使用。

盐水电池和锂电池大不相同,它更大也更重。每60千克的盐水电池拥有1千瓦时的电力存储,而150千瓦时的储电量需要重达9吨的电池,350千瓦时的储电量则会给帆船平添21吨重量。不过比起于总货物容纳力(500吨),这点重量还是大有优势的,电池如果放在船体下方还可以充当压舱物。空间需求也不成问题,即使是存储350千瓦时的电池也仅需14到29立方米的空间,相比880立方米的货物容积是很小的。

因为没有可用数据,制造水力发电机、生物降解器以及电池所产生的排放并没有被生命周期分析计算在内。但是这些排放肯定是相对较小的。水力发电机比风力发电机的功率密度更大,因此自身能量较低[sic]。粗略计算,350千瓦时的盐水电池产生的碳足迹约是70吨的二氧化碳[7]
人力

船上的另一个可再生能源就是人类自身。使用人力和使用颗粒炉以及生物降解器差不多,都能减少电力需求。现在的货船和大型帆船上都配备了电力或液压绞车,泵和舵机,可以节省许多人力,却也增加了能量消耗。环保快艇500型 则尽可能地使用人力来控制船只。Simons和Langelaan也在考虑添置一些划船机和几组发电机来供应紧急用电。两台划船机可以提供400瓦电力,轮换工作的话就能每天多提供9.6千瓦时电力(忽略能量损耗)——是最大电力总需求的五分之一。

实际上,十台划船机轮班不停工作的电量产出和水力发电机在7.5节速度下产出的电量大致相同。如果船上有60名船员,每人每天花不到一小时的时间来发电,就根本不需要水力发电机和电池了。“这个想法很是有趣”,Simons答到,“但是我们留给人的印象可能就不怎么好了”。

热水澡

即使有生物消化器、水力发电机、电池和划船机,船上的船员和乘客的体验也谈不上舒适,离豪华就差的更远了。举例而言,如果船上60个人每天洗一次热水澡——在陆地上每人需要76.5升水以及平均2.1千瓦时的用电——每天的总用电量会达到126千瓦时,是帆船在7.5节速度下产出电能的两倍还要多。

船当然也可以跑得更快一点以产出足够的电能,但是每天还是需要4590升的水,这样数量的水只能是从海水中获取了——这一过程会消耗大量能量。即使是只有12名船员洗热水澡,每天也需要25.2千瓦时电,是水力发电机在7.5节速度下发电的一半。 欧罗巴号 是本文出现的所有帆船中,唯一一艘配备(共享的)热水澡船舱的,也是拥有最大发电机和最高燃料使用量的。

Andrew Simons:“环保快艇500型 必须要在节能和舒适之间做出妥协。船上的能源使用必须要得到积极管控。资源是有限的,地球就是这样子的。从很多方面来看,这艘船就是对广袤世界必须面对和解决的问题的一个缩影。”

Jorne Langelaan:“身在海上,世界不同。每天能不能洗热水澡根本无关紧要。重要的是人,是船的航行,是裹挟着你的狂野汪洋。”

正确度量

这篇文章将环保快艇500型 和普通集装箱船、散装货船以及飞机做出了比较,比较它们在在每吨或者每名乘客每公里排放量上的不同。但是这些数值是抽象的,并且遮蔽了一项更重要的信息:所有乘客所有货物在所有航行里程中的总排放量。

从1990年到2019年之间,国际海洋的货运量从40亿吨增长到了112亿吨,结果是多出了10亿吨排放量。同样的时间里,国际空运乘客数量从10亿增长到了45亿,带来了额外9.15亿吨排放量。所以说,降低每吨或者每名乘客每公里的排放既不是必须,也不能保证总排放量的减少。

如果国际货运量减少五倍以上,客运量减少十倍以上,那么所有集装箱船和飞机的排放量将低于所有载货量112亿吨和45亿人次的帆船的排放量。反过来看也一样,如果我们切换到帆船,但全球还是运输着更多的货物和乘客,最终还是会达到与化石燃料供能的运输无二的排放。

当然,上述的一切并不会发生。2019年全球货运量相当于2.24千万艘环保快艇500型 的载货量。假设后者每年可以航行两到三次,我们就得制造并运营至少750万艘这样的船,总船员需要9千万人。这些船只能乘坐5亿乘客(每艘船12名乘客8名见习船员),所以还需要几百万艘船来填补国际空运乘客的空白。

所有这些在技术上都是可行的,而且正如我们所见,它们产生的排放量低于当前的替代选择。但是更可能出现的情况是,随着切换到帆船的行为,货运和客运将会大大减少,这和体量以及速度都是有关联的。在没有像今天这样高速且低成本空运船运的情况下,大批量的货物和乘客根本部分不会选择出行。

这样一来,使用帆船运输苹果手机部件、亚马逊商品、血汗工厂里出来的衣服以及旅行者就丧失了意义。帆船,不仅仅是一种运输的方式:它还为生产消费、时间空间、休闲旅行提供了另一种视角。比如说,现在许多货物的航行方向都会是不同的,在不同地方经过不同阶段的处理,才变成可交付的最终产品。而本文中提到的帆船货运公司正相反,他们只运输那些在本地不能生产的货物,也就是在生产者和消费者之间只存在一次运输[8]

这也意味着,即使帆船上搭载了柴油引擎,也还是会显著下降货运客运的总排放量,因为总体的货物和客流和里程数都减少了。我们不应该被抽象的相对比较手法迷惑了双眼,因为那就只关注于增长和效率了。

Kris De Decker,2021年5月11日

1. 在1978到2004年的这段时间里,冒险号 在船长Paul Wahlen的指挥下作为货运帆船使用。始建于1946年的 阿波罗尼亚号 则是自2014年以来投入使用的另一艘帆船。她有19.5米长,可装载10吨货物。

2. 最近建造并航行的 帆纹号 在大西洋上运输红酒和可可。这是一艘现代帆船,不带任何引擎,全身铝制,可携带35吨货物。

3. Andrew Simons:“现有的旧帆船还有很多,但是把它们转换成合规货船的成本太高,因为它们还有其他用途,要么就是压根不适合。”

4. 计算相当粗略,没透露是怎么算出来的。

5. 按 环保快艇 的例子来说,她的大部分排放都是在造船的时候产生的,而其他类型的货船和集装箱船则主要是在运行和制造燃料的过程中产生的排放。

6. 目前最大的集装箱船可携带19万吨货物。

7. 有关盐水电池的数据不多,但是比起其他类型的电池,制造盐水电池的能源密集度更低。计算基于在50年的时间里三代电池每千瓦时66千克二氧化碳的存储量的预估结果。

8. 几乎有三分之一的货物就是化石燃料本身。

9. 订阅EcoClipper的简讯后,这项研究可供下载。该研究基于典型的生命周期分析,但请注意,此研究并未经过同行评审。

译者
最后就又回到了老生常谈的话题了:“我们应不应该以经济下行的风险来保持环境友好?”从长远来看,环保带来的可持续发展是经济平稳的一项保证;但事实是,世界是一个一刻不停转的机器,而它正变得越来越敏感,即使当受益人是全人类时,也还是没有人愿意做赔本的生意。此外发展的不平衡和地缘政治的影响也使得本应做出的牺牲迟迟得不到执行。因此在一个悲观主义者的眼里看起来,人类正在走向不可避免的消亡未来。


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