如何为21世纪设计一艘帆船？
建造碳中性帆船令人惊讶的是。这是今天的情况更多，因为我们的安全，健康，卫生，舒适和便利标准自帆之时发生了深刻的变化。
船上船上`garthsnaid＆＃39;在海上。从索具中高达的视图。由Allan C. Green，大约1920年的图像。
帆船是可持续性的教科书。至少有4000年，帆船在没有使用一滴化石燃料的情况下在世界海洋和海洋上运送乘客和货物。如果我们希望在低碳社会中全球旅行和交易，帆船是集装箱船，散装运输车和飞机的明显替代品。
然而，根据定义，帆船不是碳中性技术。对于大多数历史来说，帆船由木材建造，但后来的是整个森林被砍伐船只，那些树木往往没有退缩。在十九世纪末和二十世纪初，帆船越来越多地由钢制成，这也具有显着的碳足迹。
21世纪帆船的碳中性更加难以捉摸。这是因为自帆年龄以来我们已经发生了深刻的变化。与我们的祖先相比，在安全，舒适，便利和清洁方面，我们的需求更高。除非船舶也有柴油发动机和板载发电机，否则难以实现这些更高的标准。
帆船在过去的十年中已经看到了一个适度的复兴，特别是对于货物运输。 2009年，荷兰公司Fairtransport在1943年建造的帆船上开始运输欧洲和美洲之间的运输货物。该公司今天仍然活跃，自2015年以来，北欧自2015年以来一直处于服务中，（建于1873年）。
从那时起，其他人已经加入了帆船业务。 2016年，德国公司Timbercoast于1920年建于1920年建于1920年的船上的船舶开始运输货物。 1916年。[2]所有这些帆船在二十世纪或十九世纪建造，并在以后恢复。然而，帆的复兴不能单独依赖历史船只，因为他们没有足够的。 [3]
目前，在开发中至少有两艘帆船由划痕建造：中欧和ecoclipper500。第一艘船是由一家名叫赛马戈的公司在哥斯达黎加建造的。她是由木材建造的，由二十世纪的芬兰船上建造。第二艘船由一家名为EcoClipper的公司设计，该公司由荷兰·兰兰·兰德兰朱德·朗格拉南的荷兰Fairtransport的创始人领导。他们的ecoclipper500是1857年的荷兰剪刀船的钢复制品：Noach。
“旧设计不一定是最好的＆＃34; Jorne Langelaan，＆＃34;但只要使用经过验证的设计，可以确保其性能。一个新的设计更像是赌博。此外，在20世纪和21世纪，帆船技术为快速帆船游艇开发，与需要携带货物的船舶相比，这是一个完全不同的故事。“
这两艘船 - 一个正在建设中，一个在设计阶段 - 有可能使帆货物更经济地比今天更经济。这是因为它们具有比目前在运营中的帆船更大的货物能力。由于一艘船变长，她的货物能力比以比例增加。
46米长的CEIBA供电580平方米的帆，携带250吨货物。 60米长的Ecoclipper500供电近1,000平方米的帆，需要500吨货物。为了比较，TRES Hombres在32米处并不缩短，但她只需要40吨的货物 - 比Ecoclipper500小12倍。较大的船舶也更快，省力劳动力。 TRES HOMBRES需要七个船员，而ECOCLIPPER500只有略大的船员。
虽然Ecoclipper500仍在设计阶段，但她将成为本文的重点。这是因为公司在建造它之前对船进行了生命周期分析。 [9]据我所知，这是有史以来帆船的第一个生命周期分析。该研究表明，它需要大约1,200吨的碳来建造船。
这些排放的一半是在钢铁生产过程中产生的，并且大约三分之一是由钢铁工作流程和其他造船厂活动产生的。基于溶剂的涂料以及电气和电子系统，每个占据排放量的大约5％。在帆制造过程中产生的排放不包括在内，因为没有可用科学数据，而是一种快速的信封计算（用于基于芳族纤维的帆），它们对总碳足迹的贡献非常重要小的。 [4]
Ecoclipper500每吨碳覆盖物，每吨二氧化碳2千克，这比集装箱船的碳足迹少五倍。
如果这1200吨排放量估计超过50年的寿命，那么ecoclipper500将碳足迹约为每吨货公吨的2种CO2曲线，总裁Andrew Simons为船。这比集装箱船的碳足迹（10颗克状二氧化碳/吨KM）的碳足迹量小约为五倍，比批量载体的碳足迹小三倍（6克·二氧化碳/吨KM）。 [5]
从Aloft看＆＃39; Parma＆＃39;在锚点。 Alan Villiers，1932-33。 villiers＆＃39;在商人帆船或“高船”在快速下降时生动地记录了20世纪初的海事历史。
将一吨货物运送到8,000公里（大致距离加勒比和荷兰之间），因此将产生16公斤的碳，与ecoclipper500相比，集装箱船上的80公斤和散装载体上的48公斤。比例类似于其他环境因素，例如臭氧耗尽，生态毒性，空气污染等。
虽然帆船拥有令人信服的优势，但它可能不会像你的预期那么大。首先，正如西蒙斯解释的那样，有规模。由于ecoclipper500享受TRES Hombres，集装箱船或散装船在Ecoclipper500上享有相同的益处。它可以花费更多的货物 - 平均50,000吨而不是500吨 - 它只需要20-25人略大的船员。 [6]
其次，化石燃料供电船舶比帆船快，这意味着需要更少的船舶在给定的时间内运输给定量的货物。 ecoclipper500的原始船舶在荷兰和印度尼西亚之间航行，在65到78天之间航行，而集装箱船在大约一半的时间内（通过苏伊士运河缩短切割）。
与集装箱船和散装载体相比，有两种方法可以进一步降低帆船的碳排放。一个是从木头制造船只而不是钢铁，如中间人。如果收获的树木被允许恢复（所以Ceiba的制造商承诺），这种船甚至可以被认为是碳汇。
然而，有一个充分原因的原因是ecoclipper500将由钢铁制成：公司的目标是建立不仅仅是一艘船，而是队伍。 Jorne Langelaan：“现在可以提供木制船只。钢可以在较短的时间内更容易地建造舰队。“
可能的折衷将是一种复合结构，其中钢骨骨架是用木材龙骨，木板和甲板的包层。 Andrew Simons：“这将使建筑的碳足迹减少一半。制造超大结构和木材代替钢的一些桅杆部分和翼骑也可能是可行的。“
朝向未来，另一种进一步减少航行船每吨公路排放的可能性是建造它甚至更大。虽然Ecoclipper500的货物能力比货物帆船更多地运作，但她远离最大的帆船。
伟大的共和国（5,000吨），帕尔马（5,300吨），法国II（7,300吨）等历史船只，百分比（7,800吨）长100多米，可以花费超过十倍的运费Ecoclipper500的能力。 Langelaan已经梦想了ecoclipper3000。
今天的大多数货物帆船在海洋上旅行也可以带一些乘客。 ecoclipper500完全载有货物，占领12名船员，12名乘客，以及8名学员（学习如何航行的乘客）。如果上持有甲板不用于货物，另一个28名学员可以加入，因此船上最多可容纳60人（较小的货物量：480 M3而不是880 M3）。
乘客的碳足迹每公里数量为10克，而飞机上的每次乘客大约100克。
因此，由于海洋衬垫已经消失，因此Ecoclipper500也成为飞机的替代品。根据生命周期分析的结果，每公里乘客500乘客乘客的碳足迹量为每公里数量，而每公里每公里每公里数量约为100克。因此，运送一个乘客，产生与运输1吨的货运一样多的碳排放量。
重要的是，Ecoclipper500的生命周期分析假设在板上没有柴油发动机。在帆船上，柴油发动机可以服务于两个目的，可以组合。首先，当没有风或不能使用风帆时，它允许推动船舶，例如在离开或进入港口时。其次，与发电机结合，柴油发动机可以为船上的日常生活产生电力。
对于大多数历史来说，帆船的能量使用并不是太问题。有烹饪和加热的木柴，有蜡烛和灯具照明。没有用于食品储存的冰箱，没有淋浴或洗衣机洗涤和清洁，没有用于导航和通信的电子仪器，在泄漏或火灾时没有电动泵。
但是，我们现在在安全性，健康，卫生，热舒适和方便方面具有更高的标准。问题是，当船舶没有在化石燃料上运行的发动机时，难以实现这些更高的标准。现代化加热系统，烹饪设备，热水锅炉，冰箱，冰柜，照明，安全设备和电子仪器都需要能量工作。
现代帆船经常使用柴油发动机来提供能量（如果需要推动船舶）。一个例子是来自Timbercoast的Avontuur，HP的发动机，20千瓦发生器和2,330升的燃料箱。大型帆训练船和巡航船上有几个发动机和发电机。例如，48米长的BRIG MINSINNSTER拥有450千桶发动机和三个发电机，总容量为100千瓦，而56米长的Bark Europa拥有两个365 HP发动机，具有三个发电机，每天烧伤数百升的油。
根据船上人民的生活方式，每位乘客KM的排放可能会增加或超越飞机的水平。
显然，当帆船的环境足迹计算时，需要考虑这些发动机的排放和其他污染物。根据船上人民的生活方式，每位乘客KM的排放可能会增加或超越飞机的水平。在较小的程度上，电力使用内部也增加了货物运输的排放。
Ecoclipper500在船上没有柴油发动机，这是专注于这艘船的第二个原因。显然，没有发动机的帆船不能在没有风的时候继续前往她的航行。这很容易以老式的方式解决：Ecoclipper500在风返回之前停留在何处。没有引擎的船也需要拖船 - 通常燃烧化石燃料 - 进出口。对于Ecoclipper500，这些拖船服务占2克/ Tkm的总碳占码度的0.3克/分钟。
如果没有柴油发动机，该船也需要在局部能源中产生所有用于船上的能量，这是难以的。可再生能源间歇性，与化石燃料相比，低功率密度，这意味着需要更多的空间来产生给定的功率 - 这在海上的问题比在土地上更为问题。
为了使Ecoclipper500在能源使用方面自给自足，首次设计决定是尽可能地将能源使用远离电力。这对于高温热尤为重要，这不能通过电热泵提供。这艘船将在船上有一个颗粒灶，以提供空间加热，以及生物铸铁 - 从未在船上使用过，以将人和厨房废物转化为烹饪的气体。船的保温是另一个优先事项。
尽管如此，即使用颗粒灶和生物铸铁（本身需要电力运行），并且在保温下，船上的能源需求可以高达50千瓦的电力每天电量（2千瓦平均电力使用）。这涉及“最糟糕的正常运行”情景，当船舶在寒冷的天气中航行时，船上有60人。电力使用将较温暖的天气和/或何时采取较少的人。在紧急情况下，电源要求可以为8千瓦，而在短短三个小时内可能需要超过24千瓦瓦。
如何生产这种力量？太阳能电池板和风力涡轮机只是解决方案的一小部分。每天生产50千瓦时的能量将需要至少100平方米的太阳能电池板，其中60米长的帆船上几乎没有空间。帆船的脆弱性和阴影为进一步的问题。风力涡轮机可以安装在索具中，但它们的功率输出也有限。早期提到的帆船Avontuur展示了太阳能和风电的低潜力。她有一个20千瓦的发电机，由柴油发动机提供动力，但仅2.1千瓦的太阳能电池板和0.8千瓦的风力涡轮机。
氢化机是唯一可再生电源，可以为大型帆船提供有足够的能量，用于在船上使用现代技术。
氢化机是唯一可再生电源，可以为大型帆船提供有足够的能量，用于在船上使用现代技术。耐船体下方附着，以与船舶的螺旋桨相反的方式工作。该船代替推进器供电，该船为推进器供电，这使得产生电力的发电机。尽管它的名称和外观，氢化机实际上是一种风能的形式：帆船为螺旋桨提供动力。显然，当船足够快时，这只有效。
Ecoclipper500将配备两个大型氢化器，其中Simons以不同的速度计算功率输出，同时考虑到他们产生的额外拖拉的事实稍微减慢船舶。他得出结论，Ecoclipper500需要以至少7.5节的速度驶向以产生足够的电力。在这种速度下，氢化器产生估计的2,000瓦功率，其每天大约50千瓦时（帆船24小时）。
较低的速度为4.75节，发电机产生350瓦，在24小时内降至8.4千瓦时的能量 - 仅需1/6的最大能量。另一方面，在较高的速度下，氢化器产生比必要的更多能量。以速度为120千瓦时/日的速度，速度为12节，这使得这成为182千瓦时/日 - 比所需的3.5倍。
根据她的船体速度，Ecoclipper500将能够以绝对的顶部速度驶向16个结 - 这是产生足够电量所需的最小速度的两倍。实现这种速度将是罕见的，因为它需要平静的海洋，从正确的方向上风强烈风。然而，在良好的风条件下，该船容易驾驶足够快，以生产船上的所有电力。
良好的风力条件可以持续数天，特别是在海洋上，风风更加强大，可预测而不是土地。然而，他们不保证，船舶也将以较低的速度航行，或者在Becalmed条件下找到自己 - 当氢氢炉在半夜作为太阳能电池板被毫无用处时。
因为她没有发动机，ecoclipper500在没有风的时候面临着双重问题：她不能继续她的航行，而且她没有能量保持船上的生活。
因为她没有发动机，ecoclipper500在没有风的时候面临着双重问题：她不能继续她的航行，而且她没有能量保持船上的生活。第一个问题很容易解决，但第二个问题不是。船上的生活继续，因此继续需要权力。为了提供这一点，船舶需要储能。
为了涵盖寒冷的天气漂移的三天需求，需要150千瓦时的储能，而不是考虑到充电和排放损失。电路板的五零或七天的能源使用将需要250至350千瓦时的储存。对于紧急使用，需要另外25千瓦时的能量存储。
没有发动机，发电机和燃料箱节省了船上的空间，但是当一个人开始为氢氢气剂添加电池时，这种优势可以迅速丢失。锂离子电池非常紧凑，但它们不能被视为可持续性并带来安全风险。这就是为什么Jorne Langelaan和Andrew Simons看到更多的潜力 - 非常适合 - 咸水电池，这是不易燃，无毒，易回收，具有宽的温度耐受，并且可以持续超过15年。像生物铸铁一样，他们以前从未在帆船上使用过。
与锂离子电池不同，盐水电池大而且很重。在每千瓦时60公斤的存储容量，150千瓦时的电池储存量增加了9吨的重量，而350千瓦时的储存能力将增加21吨。尽管如此，这与总货物容量（500吨）有利相比，如果它们放在船体的下部，电池可以用作镇流器。空间要求也不太有问题。即使是350千瓦时的能量存储也只需要14至29平方米的空间，与880M3的货物量相比很小。
通过制造氢氢渗酯和电池制造产生的排放不包括在船的生命周期分析中，因为没有可用的数据。 但是，这些排放必须相对较小。 氢化器具有比风力涡轮机更高的功率密度，因此具有相对低的实施能。 快速的背面计算得知，350 kWh盐水电池的碳足迹约为70吨二氧化碳。 [7] ecoclipper的另一个可再生电源和能量存储，这是人类。 像颗粒炉和生物沸虫一样，人力的使用可以减少电力的需求。 如今，货船和大多数大型帆船都有电动或液压绞车，泵和转向装置，以牺牲更高的能源使用为代价节省体力劳动。 相比之下，ecoclipper坚持使用POS手动处理船舶 ......
