新能源電力推進對比分析

付文秀

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

從交通領域的能源發展趨勢來看，全球有 3個主要趨勢：電動化、低碳化以及智能化。從電動化的角度，有油電混合、蓄電池、氫能燃料電池，這3種都屬于電動化。在低碳化方面，中國選擇低碳發展、綠色節能的道路。國際航運業是在環保方面受到嚴格監管的行業，為了滿足環境保護的需要，各國船級社、國際化組織（如國際海事組織）及地區（如歐洲、美國）均對船舶的節能減排和能源的高效利用提出了更高的要求。鋰離子電池、燃料電池等新能源的優勢日益凸顯。智能化其實是一個更大、更廣泛的革命，例如自動駕駛、工業4.0、智慧能源等?；诖耍鱾€造船大國目前都在能源的高效利用、有害氣體及污染物排放的降低、新型清潔能源的開發等方面加大了研發力度，并在一些重點領域取得了突破性進展，新技術的應用取得了令人矚目的效果[1-8]。

本文探討了新能源電力推進的關鍵技術，并從節能效率、安全可靠性、應用場合、市場前景等方面，對以太陽能、蓄電池/超級電容、燃料電池等新能源為動力的電力推進技術進行了對比。本文可為業內新能源電力推進應用提供參考，具有一定實用價值。

1 不同新能源形式介紹

1.1 燃料電池

20世紀40年代，英國工程師弗朗西斯·托馬斯·培根改用液體氫氧化鉀為電解液、多孔鎳作為電極，擴大了適用催化劑種類，這種設計給燃料電池的實用化帶來了曙光。在船舶新能源應用方面，國內外對燃料電池電力推進船舶的研究均進入了疾速發展階段，但國內還未將其應用于商業實船，進程落差較大。

德國于2008年制造的Alsterwasser是世界上第一艘采用燃料電池的電力推進船舶，其儲氫方式為壓縮氫氣，是第一艘投運的燃料電池客船。第一艘采用燃料電池并通過發電試驗的船舶是2011年挪威建造的海洋工程供應船—“Viking Lady”號。我國在燃料電池船舶的研究及應用相對滯后，第一艘燃料電池船舶是2002年北京富原燃料電池公司設計開發的游艇“富原 1”號，該游艇額定功率設計為400 W，額定電壓DC 24 V，全航速約7 km/h。

燃料電池的研究難點主要集中在電堆電極催化劑壽命、儲氫材料的儲氫質量密度以及電堆動力輸出特性等方面。

1.2 太陽能光伏發電

作為世界光伏第一大國，70%的產能都在中國，這是我國的優勢。光伏發電系統是把太陽能轉換為電能的發電系統[9-10]。船舶上的光伏發電系統是由電池板、控制器、蓄電池（組）和逆變器構成。太陽能光伏陣列具有較強的隨機性，這是由于其發出的電能受氣候條件和環境因素的影響。因此，當其系統功率等級較高或太陽能發電和其他能源形式并網連接時，需設計合適的能量管理及控制策略，以優化整個推進系統的能量流，包括不同的發電及儲能系統。由此，在新能源利用的場合，多數涉及多能量源能量分配管理的控制過程。在充分發揮新能源優勢的基礎上，也要盡能兼顧降低功率損耗、保證續航等問題。

1.3 蓄電池/超級電容

蓄電池電力推進技術在軍用領域較為成熟，例如常規潛艇在水面航行時，利用常規柴油機推進；在水下作業時，則采用蓄電池電力推進。近年來，電動船逐漸向內河船舶進軍，其中應用較多的是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。在實際運行工作中，蓄電池與電網之間通過雙向 DC/DC變換器裝置交換能量，雙向 DC/DC變換器的控制策略對于蓄電池的運行性能和使用壽命至關重要，其不僅要求充放電穩定，還需滿足快速響應、瞬時高功率輸出、寬范圍運行等船用要求。

不同于電解質電容器和電池，超級電容能儲存巨大的能量。這種新型儲能元件兼具其他儲能元件的優點，能在短時間內以較大功率充/放電，其發展前景備受關注。超級電容不僅能瞬時以大電流充/放電，還可以重復使用達數十萬次，模塊化的超級電容組維護起來也更加方便。船舶制動在短時間內回饋巨大的能量，這部分能量需要被快速轉移，因此要求儲能系統具有承受瞬時大功率和大電流的能力，且超級電容的特點滿足船舶制動要求，可配合蓄電池組吸收瞬態負載能量。

2 新能源純電力推進及關鍵技術

典型新能源電力推進系統圖如圖1所示。新能源電力推進主要由新能源發電系統、DC/DC變換裝置、DC/AC逆變器、保護裝置、綜合控制系統（能量管理、監測報警及控制裝置）、負載（推進負載、直流負載等）等組成，其中較低功率的保護裝置一般由滿足選擇性的熔斷器及變頻模塊的保護裝置組成，大容量船舶直流組網一般采用固態開關。

圖1 新能源電力推進系統結構圖

太陽能光伏發電一般還包括蓄電池儲能。陽光充足時，由太陽能向系統供電，同時向作為蓄電池充一部分電；陽光不足時，由蓄電池提供整個系統的電源。燃料電池發電裝置需要像太陽能發電一樣，配備儲能裝置（如鋰電池），以解決整個燃料電池發電系統與船舶運行工況相適配的問題。蓄電池電力推進一般包括由岸電機或充電樁組成的充電裝置以及電池能量管理系統。

新能源電力系統關鍵技術包括以下幾個方面。

1）DC/DC變換控制策略，高可靠性、模塊化、智能化變流器技術。

2）更快的開斷速度、更高的開斷容量和更高效可靠的直流斷路器以及基于故障限流的新型直流配電用保護設備。

3）能量管理及綜合控制技術。

4）智能保護技術。

5）集成設計技術。

3 不同新能源純電力推進對比分析

3.1 效率對比（節能性）

電力推進系統的效率決定于整個動力鏈路上每個設備的效率。對于直流電推而言，從發電系統輸出后，要經過直流配電板、異步電動機這些環節，其中配電板的預估效率約96%，推進電機預估效率95%，總體效率受不同能源形式效率的影響較大。

目前，主流的太陽電池是硅太陽電池，其平均效率不超過15%。新的光電技術如采用納米晶和晶體硅薄膜，則產能比一般光電技術高出約10%，光伏效率基本上均突破20%，下一代技術則是向突破30%進軍。然而，太陽能電池在沒有日光時無法供電，需要與蓄電池配合，且其能量轉換效率較低。

鉛酸蓄電池的技術成熟，能量效率為70%～75%，磷酸鐵電池是最近幾年發展起來的新型電池，與傳統鉛酸電池相比效率高達90%。采用電池船舶電力推進時，燃油節省率達30%。

相比之下，燃料電池的價格比蓄電池便宜，結合整個裝置系統的耗能等因素，燃料電池系統的總效率約為45%～60%。此外，燃料電池系統的運動部件較少，甚至可取消運動部件，維修量小，且噪聲水平相對傳統柴油發電機組具有明顯優勢。然而，從全生命周期效率來講，混合動力推進、燃料電池推進和蓄電池純電推進的效率不相伯仲。

3.2 可靠性（安全性）

太陽能發電不產生廢棄物，是理想的綠色能源，其安全性主要體現在載體建筑、光伏電池、逆變設備、應對強風、防火等方面。但從運行維護的角度而言，太陽能發電并非完全無隱患。光伏發電系統要嚴格按照船舶電氣的相關規定進行安裝，須有良好的接地保護等裝置，同時設計安裝時要充分考慮是否會對裝卸貨物產生影響等問題。

氫源是影響燃料電池發電系統發電量的主要因素。氫氣雖易燃易爆，但風險可控。高壓儲氫瓶組也是燃料電池推進的主要安全隱患。目前，國外70 MPa儲氫瓶技術較為成熟，除了氫瓶的研發外，氫瓶的固定程度也會對氫燃料電池的安全產生重大影響。相關標準的不斷完善，為燃料電池的安全運行提供了有力支撐，也規范了燃料電池行業的發展。

一般條件下，磷酸鐵鋰電池在使用8年后仍然可以維持80%的存儲能力，其理論壽命大于14年。只要配以高端電池管理控制系統（BMS），維持正常、安全、穩定的使用方式，杜絕過充電和過放電，并使用合格的熱管理，便可使其在電動航船生命周期里降低更換電池的幾率。經第三方試驗證明，磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池在規定的極端環境條件下，不會發生爆炸，且滿足船舶安全性能使用要求。

3.3 市場可行性及前景

3.3.1 光伏發電

光伏發電系統一次性投入大，但在實際系統的使用過程中可穩定運行，很少需要維護，且無需消耗額外燃料，符合低碳化方向，但受船舶安裝空間限制以及實際負荷計算需求，不宜在船舶上安裝過大面積的電池板。

3.3.2 蓄電池

目前，國內外已在鋰離子電池儲能系統的關鍵技術上取得了重大突破，船舶電力推進、大功率電力并網等技術也相繼獲得大量研究成果。由上海船舶設備研究所總成、武漢長江船舶設計院設計、長航集團綠色航運公司提供技術支持的長江三峽通航管理局“海巡 12909”號新能源動力改造項目已順利完成了全部測試，為推進我國內河船舶綠色發展提供了樣板。第三方市場調研機構數據顯示，到2024年，全球電動船舶市場的規模將達到73億美元（約合人民幣453.1億元），2016年國內電動船的市場規模已達到56.3億，預計到2021年這個規模將擴展到96.3億，市場前景可期。

3.3.3 燃料電池

氫能是未來在可再生能源背景下的2個主要能源載體之一，目前經濟可行的氫源來自 1 000億度的棄風棄光棄水，還有800萬噸的副產氫。根據中國氫能聯盟的預計，到2030年，中國氫氣需求量將達到3 500萬噸，在中國能源體系中占比 5%。預計到 2050年，國內氫能需求量接近6 000萬噸，可減排約7億噸二氧化碳，產業鏈年產值約12萬億元。燃料電池技術也將取得革命性的突破和進展。其中，氫能制儲、加氫基礎設施、燃料電池及應用3個環節的企業占比分別為48.5%、9.7%、41.8%，尤其是在加氫站的布局上，截至2018年年底，中國已建成加氫站23座。而隨著相關政策的逐漸完善、技術標準的逐步規范、裝備技術的不斷進步，我國將進一步完善加氫站的建設。

目前，在各類新能源推進方式中，燃料電池的成本較高，但未來燃料電池與混合動力、純電動相比，不會有任何成本上的劣勢，具有良好的競爭性。

3.4 亟需解決的問題

光伏發電的主要關注點是太陽能電池板光伏轉換效率問題以及最大功率點跟蹤MTTP技術。

電動船動力蓄電池存在的技術難題主要體現在電池能量密度、電池pack技術、循環壽命以及快速充放電等方面。同時，充電方式對蓄電池壽命的影響、深度充放電循環次數對蓄電池壽命的影響、安全的充放電控制、對蓄電池余存電量SOC的估算誤差、對蓄電池健康狀態的估值、蓄電池安全維護等問題也亟待解決。

我國氫燃料電池產業的瓶頸如下：

1）在政策上，氫目前未作為我國能源體系的組成部分，國家層面缺乏頂層設計與戰略規劃；氫未作為能源被規劃布局，且國家未明確氫能歸口管理部門。

2）在標準與法規上，制氫、運氫、加氫站、儲氫系統均有障礙與不足。氣態儲氫的密度偏低，現如今我國采用的是20 MPa的儲氫瓶，而國外已經發展了 50 MPa、100 MPa的儲氫瓶，且100 MPa的儲氫瓶到加氫站直接可以對700 MPa的氫瓶進行加注。但目前國內還不具備該項技術，因此，我們需在這一方面開放創新、整合全球資源，建立中國相關產業鏈，這樣才有可能解決我們氫能全產業鏈的中間瓶頸。

3.5 總體對比

總體而言，現階段新能源電力推進性能對比如表1所示。

表1 3種新能源電力推進對比

4 結論

對船東而言，燃油消耗和成本是至關重要的。新能源電力推進能夠減少船舶排放并降低總體運營成本。而電池船已突破關鍵技術，市場前景廣闊，在發展電池技術的同時，我們也不應停止對其他燃料類型的研究。隨著太陽能電池、儲能電池等技術的快速發展，燃料電池已逐步退出航天和部分軍事應用鄰域，但在民用船舶領域的應用才剛剛開始步入巔峰，應加大對氫燃料電池關鍵技術的研發和投入，搶占新的市場先機。由此，本文對太陽能、蓄電池、燃料電池3種新能源電力推進進行對比分析，包括系統組成、關鍵技術、效率、安全可靠性、市場前景等，并對新能源應用中亟需解決的問題進行了概括，為業內相關技術人員提供借鑒，具有一定的實用價值。