電池推進船最新研發動向

沈蘇雯

國際海運是造成全球溫室效應的主要因素之一。為此，IMO在2011年7月對新造船舶的單位運輸能力對應的溫室氣體排放量進行了規定，通過了MARPOL公約附則VI的修改案并在2013年開始實行。MARPOL公約本身是以大型船舶為對象，但是對小型船舶的溫室氣體排放量的控制也是必須的。歐美國家湖泊區域較多，它們禁止采用內燃主機的船舶，而推行電池推進船的使用。

同時，船舶主機在運轉時所排放的NOX、SOX等物質對包含停靠港口區域在內的沿岸海域大氣造成污染。為了減少NOX等的排放，對船舶主機必須要有相應的解決辦法。MARPOL公約附則VI制定了一個階梯式的規則，在2000年1月以后建造船舶所搭載的功率在130kW以上的主機適用第一層級的要求（公約在2005年5月生效），2011年1月之后建造的船舶適用第二層級的要求（比第一層級標準嚴格15%～22%）。并且，IMO原本預計將從2016年開始導入針對ECA海域的第三層級的要求，將比第一層級嚴格70%，實施的時間將與全球技術開發進展情況掛鉤，不過在2013年5月13～17日召開的IMO第65次海上環境保護委員會會議上通過了推遲5年實施的決議。

減少船舶溫室氣體和NOX排放，解決方案之一就是采用電力推進系統。

電力推進系統本身如果只看推進發動機的效率和變流器變換效率的話，與現有推進系統相比效率偏低，但是采用電力推進系統后，主機室的配置自由度將變得很高，還可采用多樣的能源，船舶總體的推進效率是提升的，能效的提高會減少溫室氣體排放量。

根據以上這種觀點，日本國土交通省聯合鐵道運輸機構、海上技術安全研究所等團體共同成立了超級環保船（SES）實用化和普及推廣計劃。針對內河油船、貨船以及渡船等，它們船體較小，大型的設備都要設置在船尾，對船型優化設計有較大的妨礙。為此SES通過海上試運轉驗證結果表明，如果采用電力推進來改良船型，并且通過安裝對轉螺旋槳等提高推進效率的設備，與現有同尺度的船型相比，溫室氣體排放量可以減少約兩成，NOX排放量可以減少四成。

對于大型的遠洋船舶，主機室與船體相比占地容積較小，導入電力推進系統對改善船型效果不大。為此較為合適的方案是以船內微型電網系統（可將陸地供電和太陽能發電綜合加以最佳利用的系統）為核心，開發混合電力推進系統。這是國土交通省旗下的技術開發支援項目“海洋環境倡議”的一部分，該項計劃聯合日本郵船、川崎重工和日本海事協會共同實施，旨在減少30%的溫室氣體排放量。具體措施是通過新型蓄電池和電力轉換裝置，與船用柴油發電機組合成為新的混合推進系統，將陸地發電以及太陽能發電所得的電力儲存在蓄電池中，將它們作為船內電力使用，優化船用柴油發電機的運轉效率。這套系統在日美航線的汽車運輸船上可以節省2%的燃油耗量。

當然這樣的系統要投入實用，價格低廉且高效的大容量蓄電池以及控制系統的開發是必不可少的。

常用來作為電力推進系統的電池主要有燃料電池、超級電容器、動力電池三種。燃料電池能量轉化效率高，不污染環境，壽命長。但是受技術條件限制，單體功率比較小，造價昂貴，并且氫的制造、運輸及儲存等配套技術尚未成熟，其應用以軍用艦艇為主，民用船舶尚停留在嘗試階段，難以推廣應用。超級電容器有充電時間短、循環使用壽命長、使用溫度范圍大、能量回收效率高等特點，但由于其本身比能量低的特性，極大地制約了其續航能力的提高。動力電池技術日趨成熟，常用的種類有鎳鎘、鎳氫、密封鉛酸和鋰離子。當前第三代鋰離子電池具有能量密度高，安全性、可靠性和經濟性好的優點，是小型電力推進船較為適合的動力源。雖然目前鋰離子動力電池價格較貴，但隨著制造技術的提高和應用領域的擴展，其應用成本將會快速下降。

上述合作單位中，川崎重工開發了一款名為“Gigacell”的大容量密閉型鎳氫電池，1節可提供7.2 kWh的電力。并且隨著技術的進步，每層電池組的性能將更高，成本將更低，預計將來它會成為陸電、軸發電機、柴油發電機以及利用主機廢熱的小規模發電機組最適合的蓄電池選擇，實現更好的節能減排效果。

在船舶領域，如果蓄電池及其控制系統的性能提高，成本降低，是否可以直接進化為純粹的電池推進船呢？但從電力汽車的發展可以看出，為了確保安全性和穩定性，要實現純電力推進船尚有很高的難度。在這樣的現狀下，選用合適的材料在合適的場合有效利用電力以兼顧經濟性和性能將是較為實際的目標。

純電池推進船：過去的電池推進船多用鉛酸電池作為電力供應源，然而其較低的能量密度和較長的充電時間，與內燃機船的性能相比較差，實用性很受限制。受到這些缺陷的制約，在歐洲各國鉛酸電池推進船都只用于河川湖泊等靜水區域進行短時航行。

圖4 混合動力電池推進船的試驗船

然而東京海洋大學在2010年5月開發的電池推進船“雷鳥I”號采用了目前世界最先進的極速充電鋰電池，該技術首次用于船舶領域，具備較好的適應性、安全性和便利性，很符合當前及未來對環境保護的要求。

據了解，常規的鉛酸電池推進船充電時間需要10小時，而“雷鳥I”號充至80%電量只需30分鐘，克服了電池推進船充電時間過長這一缺點，這是過去鉛酸電池推進船無法做到的。由于使用了大功率鋰電池，從根本上大幅度提升了發電功率和電池容量，使其可在氣象、海況條件較為復雜的海域中航行。同時，該船的噪音和振動大幅減少，且沒有廢氣排放。另外，船上無需搭載燃油，一旦發生事故也不用擔心會造成燃油泄漏污染海洋。

截至2013年5月，除“雷鳥I”號外，日本還建造了3艘鋰電池推進船。其中2艘采用了民用鋰電池，屬于低壓型，無法進行高速充電。第三艘則是試驗性地導入了獨立開發的高速充電系統，于2011年4月首航后，目前尚在進行各類船上實驗。

繼成功開發“雷鳥I”號之后，東京海洋大學在又開發建成了第二艘高速充電型鋰電池推進船“雷鳥S”號，該船是世界首艘“電動機驅動的噴水推進船”。該船與“雷鳥I”號一樣，具有低噪音、低振動、無排氣、高功率，充電時間短等優點，并且由于采用了噴水推進器，可在淺水域航行。

混合電力推進船：與上述相對的，那些需要大容量蓄電池的船舶，比如需要長距離運行的渡船、需要短時大功率運轉的港口拖船等，采用原動機和蓄電池組合的混合動力型電池推進船將是一個可以實現的方案。

圖4為關西電力與大阪市立大學共同開發的一型混合動力電池推進船的試驗船。該船從陸地向船上的蓄電池充電，隨后采用這些蓄電池中的電力配合船上的發電機所發的電量，一同提供主機的動力源，使船舶運行。

常規柴油原動機在額定功率下所發揮的能效最高，而在低負荷狀態時的能效較低，因此港口拖船可以采用其他的方案。即在常規航行狀態下采用功率最適合的原動機作為主機，在需要大功率的拖船狀態下，除了原本的主機外再加上以蓄電池為動力源的大轉矩電動機配合使用，達到提高總能效的目的，成為一艘混合動力船。MARPOL公約附則VI第三層級標準也許會導入十分嚴苛的NOX限制，對于擁有大規模港灣的海域，也許會為了減少NOX的排放，對船舶要求追加處理裝置的可能性。采用大功率原動機會較方便安裝大容量的處理裝置。

圖5是香港Hong Kong Jockey Club公司為了運輸高爾夫球客而從2010年開始使用的太陽能發電混合電池推進船。該船為澳大利亞Sloar Sailor公司所開發，與常規的只使用柴油機的同類船舶相比，可以減少50%的二氧化碳排放量。

同公司的太陽能渡船曾經擔任上海世博會的客渡工作，具有串聯式油電混合動力、并聯式油電混合動力等各種方式，將具有足夠容量的蓄電池、太陽能發電板和柴油發動機組合，能夠很好地執行通勤渡船的功能。

圖6為德國建造的世界最大的太陽能游艇“Turanor”號（31米×15米×1.55米，可供6人乘坐）。該船也是利用太陽能發電來給蓄電池充電，自2010年開始航行，目標是繞世界一周，2011年10月該船到達東南亞地區。“Turanor”號很好地展現了恰當的控制系統結合大容量蓄電池，僅靠太陽能實現航行的可能性。

從全球發展來看，電池推進船的研發只能說才開始起步。電池推進船的開發，可以說是為了解決溫室氣體和沿岸海域由于船舶排放帶來的環境破壞問題的有力手段之一，但是船舶航行本身還要考慮經濟性，不能僅考慮減小環境負荷方面的效果，應結合經濟性，更積極的發揮電池推進船的優點。如果能夠普及極速充電站的設置，作為短距離水上交通工具的電池推進船將具有實用性。