船舶混合動力技術發展趨勢分析

郭 濤， 汪 璇， 吳 韓， 王天義

(1.上海船舶工藝研究所， 上海 200032； 2.中遠海運重工有限公司， 上海200135)

0 引 言

國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)海上環境保護委員會于2018年4月第72屆會議上形成的IMO海運溫室氣體(Greenhouse Gas， GHG)減排初步戰略[1]，包括愿景、目標、減排力度、指導原則、短中長期減排措施等一系列內容，明確國際海運業未來的綠色發展方向，促使船舶低碳技術的進一步發展，對海洋環境保護提出更高要求。可以預測，未來海運行業GHG減排相關措施將會出臺，并將越來越嚴格。

作為世界造船大國和航運大國，我國積極響應IMO的相關決議，通過一系列政策實施及專項行動，推動船舶工業的持續低碳發展。在節能減排和綠色發展的背景下，純電力推進系統具有經濟性佳、零排放等優點，成為目前船舶行業研究的熱門技術。但目前純電動船舶受發電方式、功率密度、蓄能技術和電池容量的限制，動力和續航能力不足，無法滿足高速遠程航行的要求。而船舶混合動力技術則能夠成為經濟性、動力性、安全性的最佳折中方式，緩解越來越嚴格的法規與技術發展不成熟之間的矛盾，成為船舶從傳統的內燃機推進向綠色推進的可行性方法。

1 船舶混合動力系統定義與架構

1.1 船舶混合動力系統的定義

混合動力系統是指配備2種或2種以上動力源作為推進動力的系統。目前，船舶混合動力系統主要是指通過發動機和電動機來驅動螺旋槳的動力系統，且電動機一般由發電機組、燃料電池或儲能裝置等驅動，而儲能裝置由蓄電池和超級電容器組成。

1.2 船舶混合動力系統的架構

船舶混合動力系統一般包括主發動機、發電機組、齒輪箱、軸帶電機、配電柜、變頻器及其控制系統等，其具體架構和工作模式視實船具體情況而定，有的混合動力系統還在上述基礎上加入儲能系統(電池組或超級電容組及其控制系統)。

混合動力船舶的運行工作模式一般情況下有3種：動力輸出(Power Take-off, PTO)、動力輸入(Power Take-in, PTI)和動力返回(Power Take-home, PTH)。PTO是指通過軸發自主獲取動力向船舶電網輸出的模式，即發電機模式，這是軸發的基本工作模式。PTI是指軸發由船舶電網獲取動力向主機軸輸入的模式，即電動機模式，該模式下自電網獲取的動力將用于船舶推進。PTH是PTI的一種特殊形式，該模式下主機處于故障或失效狀態，軸發代替主機推進，由于軸發通常功率較小，因此該模式下推進動力不足以保證船舶按正常速度航行，只能維持船舶緩慢回岸[2]。

加入儲能系統的混合動力船舶，可以通過電能管理系統，在負載發生變化時，利用儲能系統動態吸收船舶運行過程中突變的能量，以保證主機和發電機組的平穩運行；還可以通過電能管理系統的控制，由儲能系統向軸發電機提供能量，以協助主機推進。

2 船舶混合動力技術應用現狀

2.1 國外船舶混合動力技術應用情況

目前，全球有數十艘已運營及在建的混合動力船舶，其中最為成熟的是油電混合動力系統，已成功投入運營的混合動力船舶主要有拖船、渡船、游艇等類型。

2.1.1 混合動力豪華游艇薩凡納號

2015年2月，薩凡納號在荷蘭Feadship造船廠交付，這是當年世界上著名的混合動力豪華游艇，其采用單柴油發動機、3臺發電機組、儲能電池組和先進的機電式推進平臺。該艇全長83.50 m，艇寬12.50 m，滿載吃水3.95 m。

薩凡納號的動力系統安裝有1臺瓦錫蘭9L20柴油機、1套卡特彼勒C32型柴油發電機組和2套卡特彼勒C18型柴油發電機組，并配有1 MW·h鋰離子電池組[3]。該艇的動力系統可以任意切換3種運行模式，即全柴油動力、柴油電力混合動力和全電力動力；電池組的靈活運用，不僅在急速時能夠提供額外的動力支持，而且在任何速度下可實現發電機組的準確加載及在游艇低速游弋時的超靜音。該艇的動力系統具有靈活的操控性能，通過適時的模式切換，其燃油經濟性可提升約30%。

2.1.2 混合電力渡船特勒斯號

2019年7月，由愛沙尼亞Baltic Workboats船廠承建的瑞典著名的混合電力推進汽車渡船特勒斯號交付瑞典運輸管理局。該船長100.00 m，能夠搭載約297名乘客和80輛汽車，服務于連接鳥德瓦拉港和呂瑟希爾港的1.80 km航線上。

特勒斯號配有2臺電力驅動的吊艙推進裝置，分別位于該船的艏艉。其推進主要采用全電動模式，電力推進系統配置有4臺Volvo Penta D16 MH發動機、2套帶永磁電機和發電機組的混合電力傳動裝置及1套Corvus Energy公司電池組(總容量為949 kW·h)。

特勒斯號推進裝置的動力可以來自電池組，也可以來自船上的4臺Volvo Penta D16 MH發動機，這些發動機驅動永磁輔助式同步磁阻電機，可以單獨或全部并聯驅動，以優化燃料消耗和污染排放。特勒斯號雖然配備4臺發動機，但常常只需要1臺發動機為航行提供動力，其他3臺發動機是備用的，只在惡劣天氣和冰環境下才會使用。船上的電池組通常在夜間通過岸上充電站進行充電，也可以在渡船運行時通過船上的發動機進行充電，并且Volvo Penta發動機認可使用氫化植物油(Hydrogenated Vegetable Oil, HVO)燃料，這意味著可以將污染排放量減少到幾乎為零的狀態。

2.2 國內船舶混合動力技術應用情況

同國外相比，國內船舶混合動力技術發展還處于起步階段，研究成果主要應用于內河或近海小型船舶。

2.2.1 5 000 噸級混合動力公務船

5 000 噸級混合動力公務船是國內較早率先采用油電混合動力系統推進的公務船。該類船的推進系統為雙機雙槳形式，配置2臺主機、2臺齒輪箱、2套軸帶電機PTO/PTI系統、2套軸系、2只可調槳及1套主推進監控系統等，如圖1所示。

圖1 5 000 噸級混合動力公務船推進系統示例

該類船在工作中會有追趕違法船只等工況，該狀況下對船速要求較高，所以其裝機功率要求也較大，但在常規巡航情況下又往往保持在低速狀態，此時若雙主機同時運行則負荷處于較低狀態，油耗較高并且排放較差。

2.2.2 混合動力游船寰島云帆號

2018年7月，入級中國船級社的混合動力游船寰島云帆號在太湖通過試航。該船為鋼質雙體結構，總長22.51 m，型寬9.00 m，型深2.45 m，最大航速9.30 kn，載客80人。

為滿足抗臺風時需要足夠的自持力持續航行至避風港、在異地避風期間不能停靠碼頭充電等特殊需求，寰島云帆號采用柴油發電機組+電池組供電的混合動力形式，具有純電池動力、油電動力和純電池/油電混合動力等3種運行模式，可滿足全年所有工況的使用要求。同時，在混合動力模式下，系統根據全船實時負載大小調整供電方式，通過優化的動力管理策略，使整船動力系統理論綜合節油效果達20%以上。

3 混合動力技術發展展望

廣義上的船舶混合動力系統是指由太陽能、風能、柴油發動機、氣體發動機、電機、儲能裝置等多種動力源形式相互合理組合提供推進動力的船舶動力系統。

太陽能屬于清潔能源，然而太陽能光電轉化率只有10%左右，并且需要很大的光照面積，加上光照情況不穩定及初期投資成本高等因素限制，太陽能在船上只能用于輔助動力。風能也屬于清潔能源，但風帆船穩性較差，安全不能完全保障，并且對于中大型船來說風能動力遠遠不夠，所以風能也只能用于輔助動力，并且目前市場上也較少看到。

柴油機作為傳統的船舶動力推進形式，已發展得非常成熟。與柴油機相比，天然氣發動機在排放性能上更具優勢，近年也得到快速的發展。燃油與天然氣作為目前船舶動力的主要來源，在未來相當長的時間內不會改變。

目前，船舶混合動力系統中受到廣泛關注的組合方式有油電混合動力系統、氣電混合動力系統及油電混合+儲能裝置混合動力系統等。

3.1 油電混合動力系統

油電混合動力系統是指將燃油與電力進行有效結合，根據不同工況、不同需求切換驅動模式的動力系統，通過兩種動力的適時調節，完成船舶驅動的目的。油電混合動力技術是目前船舶混合動力系統中運用最為廣泛的一種組合方式。

油電混合動力系統推進工作模式與純柴油機推進相比，具有下列技術特點：

(1) 經濟性。在船舶的實際運行中，可以根據船舶工況適時調整運行模式，實現船舶多工況優化匹配，提升動力系統綜合能效。

(2) 機動性。根據船舶航速需求，柴油機可單獨推進，也可并入電機實現并車推進，有效提升船舶動力系統的機動性能。

(3) 安全性。常規推進與電力推進可單獨運行，也可獨立運行，在主機故障時可采用PTH模式，有效提高動力系統的冗余性和安全性。

(4) 環保性。在低速狀態下電機推進，可減少主機在低效率區工作時間，有效減少污染物排放。

油電混合動力系統的優勢突顯，其適用的船型不斷增多，包括工程船、拖船、化學品船、公務船等均可采用油電混合動力系統。

3.2 氣電混合動力系統

氣電混合動力系統是指將氣體燃料(如天然氣等)與電力進行有效結合，根據不同工況、不同需求切換驅動模式的動力系統，通過兩種動力的適時調節，完成船舶驅動的目的。

氣電混合動力系統具有下列技術特點：

(1) 經濟性。配備氣電混合推進系統的船舶，發動機能長期在最低燃氣耗率時的額定工況下穩定運行。船舶靠岸時可接岸電給蓄電池充電，蓄電池的電量可提供一定續航力，減少一定的運營成本[4]。

(2) 機動性。根據船舶航速需求，天然氣發電機組可單獨推進，也可并入電池組實現并車推進，有效提升船舶動力系統的機動性能。

(3) 安全性。2臺天然氣發電機組可同時或單獨運行，并且電池組也可單獨滿足船舶短距離航行，有效提高動力系統的冗余性和安全性。

(4) 環保性。天然氣與燃油相比，污染物的排放已經大量減少。船舶過閘或短期航行時，可由電池組提供動力，減少大氣污染物排放。

隨著液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)在船舶航行中的大量應用，氣電混合動力技術具有更明顯的優勢。采用氣電混合動力系統不僅可以解決發動機尾氣排放帶來的污染問題及純氣體動力系統的一些問題，而且可以解決以蓄電池作為動力的純電動船舶續航力短的問題。氣電混合動力系統必將應用到更多船型中，進一步由內河船舶向海洋船舶發展。

3.3 油電混合+儲能裝置混合動力系統

油電混合+儲能裝置混合動力系統是指在油電混合動力系統的基礎上，引入儲能裝置，有效平衡各推進狀態的能量流動，通過多動力的適時調節，完成船舶驅動的目的。

油電混合+儲能裝置混合動力系統具備油電混合動力系統的技術特點，同時引入的儲能裝置可在主機動力富余時有效吸收能量，并在需要PTO時與主機并車推進或單獨推進，進一步優化能量管理，在機動性與安全性方面更具優勢。

隨著儲能技術的日趨成熟，生產成本降低，能量密度增大，儲能技術將會越來越多地應用到船舶混合動力系統中[5]。同時，與儲能技術相匹配的充電技術將得到進一步的研究和發展，船舶智能化和自動化程度將進一步提高。并且，儲能系統的發展將會使混合動力技術由小型船舶應用向中大型船舶應用邁進，進一步擴大混合動力技術的船型覆蓋應用范圍。

4 結 論

隨著全球經濟的持續發展，船舶GHG排放對環境的影響日益嚴重，IMO加大海運GHG減排管控力度。在這樣的大背景下，與傳統動力推進船舶相比，混合動力技術節能減排的優勢將越來越顯著。隨著國內外對船舶排放要求的日益嚴格，LNG燃料作為排放優質能源會越來越多地應用到船舶動力系統中，伴隨著相關配套設施的日益完善，氣電混合動力系統將會是今后的主要發展方向。并且，儲能技術將會越來越多地應用到船舶混合動力系統中，油電混合+儲能裝置混合動力系統將會在更多的船型中得到應用，這也是未來船舶技術革新的突破方向。