可再生能源集成推进系统在帆船游艇中的应用：跨学科生命周期评估与可持续能源模型分析

《Green Technologies and Sustainability》：Integrating renewable propulsion systems in sailing yachts: An interdisciplinary life-cycle assessment and sustainable energy model

本研究针对帆船游艇依赖柴油辅助推进系统导致碳排放问题，开展了太阳能光伏(PV)、风能和水动能与电池电力驱动系统集成的多学科研究。通过ISO 14040/14044标准生命周期评估(LCA)和能源平衡模拟，发现可再生能源电力配置可实现80-85%的二氧化碳减排，为小型船舶绿色转型提供了量化依据。

　　

在应对气候变化的全球背景下，海事部门的碳排放问题日益受到关注。虽然休闲游艇行业在全球排放总量中占比不大，但研究表明，即使是小型船队也会对局部环境和经济造成显著负担。以凡湖的渡轮为例，年二氧化碳排放量超过36,000吨，外部化损害约合4,000万欧元。目前大多数帆船游艇仍依赖柴油发动机进行辅助推进和发电，这与国际海事组织(IMO)和欧洲委员会"Fit-for-55"一揽子计划中强调的海事部门低碳化目标存在明显差距。

在此背景下，发表在《Green Technologies and Sustainability》上的研究提出了一种创新解决方案：将可再生能源系统集成到帆船游艇中。这项研究采用系统工程建模框架，量化了12米巡航单体帆船采用可再生能源电力改造方案的环境、运营能源和技术经济性能，并与柴油和电池电力替代方案进行了对比评估。

研究人员采用了三个关键技术方法：首先是基于ISO 14040/14044标准的生命周期评估(LCA)，在Excel工具链中实现，涵盖从原材料到报废的完整生命周期；其次是时间分辨的能量平衡模拟，结合气象数据、船体推进需求和可再生能源发电模型；第三是面向改造的技术经济可行性分析，包括资本支出、运营成本和投资回报评估。

4.1. 生命周期环境影响

研究结果显示，在功能单位（20年或20,000海里）内，柴油基准方案产生约65吨CO₂-当量，电池电力方案在中等清洁电网下产生约28吨CO₂-当量，而可再生能源电力配置仅产生10-12吨CO₂-当量，相比柴油减少了80%-85%。值得注意的是，两种电力配置都消除了船上运营CO₂排放，但由于制造、更换和报废过程，生命周期影响仍然存在。

4.2. 能源发电与消耗

能源模拟表明，在代表性巡航剖面下，集成的光伏、风能和水力发电可以满足超过80%的酒店和推进总需求，储能系统缓冲可变性，能源管理策略优先考虑实时可再生能源利用。主要限制条件是在低可再生能源情况下的长时间机动航行：30千瓦时可用的电池在5-6节（约2.6-3.1米/秒）速度下提供约4小时的续航时间。

4.3. 可行性指标

从实际操作角度看，模型化的可再生能源比例在大多数情况下超过80%，电池充电状态在中等天气下通常保持在25%-30%以上，支持在模拟剖面下无需外部充电的连续巡航。主要约束条件仍是在可再生能源可用性差的情况下的机动续航能力。

研究结论强调，帆船游艇的可再生能源电力推进在采用综合生命周期、运营能源和技术经济框架评估时，具有环境效益和技术可行性。可再生能源电力配置通过用船上发电替代大部分外部充电，实现了最大的减排效果。从操作角度看，集成的太阳能、风能和水力发电足以在典型巡航剖面下满足大部分酒店负荷和相当比例的推进能量。

这项研究的重要意义在于为小型船舶绿色转型提供了量化依据和系统设计框架。通过将游艇推进系统视为集成的绿色技术系统，结合能量收集、存储和控制，在生命周期可持续性约束下，可再生能源电动帆船游艇成为休闲和小型海洋船舶脱碳的可信途径。研究成果对船舶设计者、政策制定者和船东都具有重要参考价值，为海事部门的低碳转型提供了具体的技术路径和评估方法。