撰稿者

KANG Soomin先任，KWON Jinwoo研究员

LEE Iksung责任，IM Dongguk责任

替代燃料技术研究组

■ 研究背景

目前，国际海事组织（IMO）为加速海运产业的脱碳，计划到2030年和2050年分别将2008年和2050年的碳密集度分别减少40%和70%，并在2050年之前将相关产业的温室气体排放量减少50%。为了实现这一战略目标，将强制以新造船为基准应用船舶能效设计指数（EEDI），从2025年开始将效率比基准线提高30%。对于不适用船舶能源效率设计指数的现有船，将通过适用现有船能源效率指数（EEXI），与船舶能源效率设计指数适用相同的水平。为了应对这些减排目标，现有船正在考虑限制推进系统的功率、采用后处理和能效改善技术、转换生物燃料，新船正在考虑采用低碳和无碳等替代燃料的推进系统。

图1.IMO GHG减排战略（来源=KR Decarbonization）

在这些不同的应对方案中，正在进行各种船舶应用研究，以提高能源效率，并正在开发热电发电技术，可以将船舶主推进或发电机中因废热而损失的部分热能通过热电元件转换为电能。热电发电系统是利用发动机产生的废热和冷却水等低温流体的温差，通过热电元件产生电力的系统。这些热电发电系统适用于发动机的进气部和排气部，与进气部相比，排气部产生的废热温度更高，因此在排气部应用热电发电系统时，发电效率会提高。

图2. 船舶发动机的Heat balance diagram（来源=MAN diesel & turbo）

但是，将热电发电系统应用于排气部时，发动机尾气中含有的颗粒状物质会在热电发电系统的热电元件中积累，导致性能下降，从而降低热电发电系统的发电效率。对此，KR利用相当于颗粒状物质减排装置的柴油微粒过滤器，进行了分析发动机排放的颗粒状物质排放量对热电发电系统发电效率特性的研究。

■ 研究内容及试验方法

本研究利用KRGreenship器材试验认证中心的高速发动机测试平台，利用小型船舶周期搭载的403kW（@1800rpm）发动机和用于负载和转数控制的动力系统。此外，我们还使用了电子设备模块（PEL-2040a）来测量热电系统产生的电量。作为试验条件，选定了可以模拟热电系统设计阶段设定的尾气流量和温度条件、冷却水供应条件的运行条件。在相应的运行条件下，安装柴油微粒过滤器前后各运行10小时，比较了热电发电系统的发电效率特性。

图3. 发动机试验照片

首先是为了确认颗粒状物质的减排特性而进行的前期研究，比较了高速发动机DPF前后端的颗粒状物质排放量。利用粒子状物质取样装置（SPC-478），可以捕获颗粒状物质并测量每单位功率的排放量，在发动机运转条件下进行测量的结果显示，安装柴油微粒过滤器前的排放量为0.226g/kWh，安装后的排放量为0.013g/kWh，具有94.1%的降低性能

图4.柴油微粒过滤器降低性能

之后进行了是否安装柴油微粒过滤器的热电发电系统发电效率测试试验。在不安装柴油微粒过滤器的情况下，对发动机运行10个小时后，对热电系统产生的电量进行了分析，结果显示，随着运行时间的累积，热电系统产生的电量会减少。可以看到，10小时后产生的电量比最初产生的电量减少了30%。此外，在安装柴油微粒过滤器后，对热电系统产生的电量进行了分析，结果显示，在运行10小时期间产生的电量将保持恒定，考虑到利用排气废热进行热电发电。可以确认在热电系统前端需要一个能够减少颗粒状物质的系统。

图5. 热电系统发电效率取决于是否安装柴油微粒过滤器

■ 结论

根据试验结果，我们可以确定是否安装柴油微粒过滤器会导致不同的发电效率，通过柴油微粒过滤器，可以看到随着可在热电元件中积累的颗粒状物质的减少，热电元件的性能将持续保持。目前船舶上作为燃料备受关注的低碳、无碳替代燃料，如LNG和氨，与现有化石燃料相比，颗粒状物质减少了约90%以上。因此，如果将热电发电系统应用于采用替代燃料的推进发动机，可以成为持续提高能源效率的技术。今后，我们计划在使用替代燃料的发动机上应用热电发电系统，分析根据燃料特性产生的电量特性。