清潔能源在未來船舶市場的應用

高愛君

(南通中遠海運船務工程有限公司，江蘇 南通 226006)

1 液化天然氣

液化天然氣作為船舶動力源，主要有單一使用液化天然氣燃料和使用雙燃料發動機2種形式。液化天然氣運輸船普遍采用單一的液化天然氣作為能源，而其他船舶大多采用雙燃料發動機。液化天然氣的儲存罐是獨立于船體的特殊構造，選用的材質需要能適應低溫介質。液化天然氣能源船舶還受到港口碼頭加注配套設施的影響，需要考慮經濟性、續航力及相關設備布置等問題。目前液化天然氣在船舶領域的應用已經非常普遍，所以就不做具體的描述了。

2 太陽能光伏系統

近年來，太陽能光伏也在很多的船舶上有所應用，但是由于太陽能光伏受制于外在陽光因素，所以能量具有不穩定性，同時產生的電能如不能用掉還存在存儲問題，目前現有項目也只是將太陽能光伏系統作為船用動力中的一小部分或某個系統的能源來使用[1]。國內外不乏太陽能光伏系統應用案例，早在2014年，中遠“騰飛”船利用年度檢驗修船的機會，安裝了總容量為143.1 kW 的太陽能光伏系統。該系統的典型技術特征在于采用鋰離子蓄電池作為儲能單元，采用船用太陽能離并網混合光伏發電系統，可根據航線上太陽能輻照強度、負載功率需求、經濟性、安全性等因素進行4種運行模式切換，即光伏離網運行模式、光伏并網運行模式，光伏出力不足條件下的船舶電網功能模式、光伏系統故障時的船舶電網功能模式。

3 風帆動力

風帆動力源與太陽能光伏系統同樣有外部限制因素，所以應用的范圍還是受限的，但基于科技的發展與海上風電技術的成熟，風帆動力也了有進一步的發展。

風翼柴油機混合動力船舶設計涉及到空氣動力學、船舶流體力學、結構力學、材料工藝學、控制工程等多學科領域，是一項復雜的系統。基于風翼的風翼柴油機混合動力系統是一項原始創新，也是在現有技術條件下，利用風能通過風場測量系統獲得風速、風向等參數，然后根據風翼-推進-操縱系統聯合控制系統，調整風翼的迎風角，最大限度地獲取風能，并根據設定的工作模式，協調主機轉速、舵機轉角等，使船舶在保持原預定航向的前提下，減少主機所發出的功率而保持定速航行，或在主機功率不變的情況下提高航速，成為大型遠洋船舶提供輔助動力的最優選擇[2]。

由南通中遠海運船務工程有限公司牽頭，各參研單位通力合作完成的“鵬龍”船，就是這種運用風帆輔助推進的船舶。該項目開發的風帆樣機是一種作業于海上的船用輔助推進裝置。該裝置通過電控方式實現機械操帆、收帆運動，將海上廣泛分布的不穩定隨機風能轉化為船舶運輸的動能，達到船舶海上營運節能的目標。這一節能目標的實現是通過項目組在前期形成的風帆控制策略,借助操帆系統控制最佳帆向角，實現氣動升帆，輔助推進船舶前進[3]。因此，風帆樣機的開發本質是借助編程優化帆向角度，從而使風帆在有利風場環境下獲得較高的推力系數，實現船舶營運節能。通過對不同形式帆的研究，結合本項目樣機研制要求，最終認為采用拉伸收縮方式的天線式高帆具有更高的工程開發意義和良好的市場前景[4]。圖1為天線式高帆形式示意圖。

圖1 天線式高帆形式示意圖

采用風翼助航系統后，改變了船舶的受力特性。風翼在獲得推進力的同時，也產生了干擾航向保持的側向力，同時由于風翼的存在，改變了船舶的慣量、橫搖阻尼等參數，不僅對船舶的快速性產生影響，對船舶的操縱性也產生影響。通過對風翼柴油機混合動力船舶動力系統耦合特性的分析研究，確定目標船加裝風翼后的操縱性數學模型，為風翼柴油機混合動力船舶系統控制參數的選取提供依據。利用風翼柴油機混合動力船舶航行性能建立的風翼受力和船舶運動之間的關系，以及采用風翼助航后的船舶操縱性運動方程開展船舶運動仿真試驗，綜合考慮船舶在航行過程中的運動限制、風翼使用環境條件限制、風翼執行機構的延遲等約束條件，建立不同裝載狀態、不同航速、不同風向時最優控制參數的選取方法[5]。

風翼助航船舶，在船舶甲板安裝輔助風翼，在保證船舶航速的條件下，降低主機轉速，從而降低燃油消耗。通過實船試航收集的各項參數報告分析，50%～75%負荷范圍內，該試航段主機軸功率在5 102.07～7 902.22 kW范圍內。設定柴油機熱效率和推進系數基本不變，可以確定節省燃油6.19%～9.59%。表1為某船試航階段的相關參數(部分)。

表1 某船試航階段的相關參數(部分)

該項目實現了船舶應用新能源的突破，在滿足船舶的航行性能要求的條件下，達到節能5%～10%、碳排放量降低10%的目標，單每年節省燃油費用數萬元。同時實現了風翼助航關鍵技術的突破，為遠洋船舶清潔能源利用提供了技術支撐，填補了國內空白。

4 大容量蓄電池

電池作為船舶動力由來已久，從作為備用電源應用于船舶特定的系統到逐漸成為船舶的主要動力源，電池在其自身形式結構以及材料上面都有了很大的技術進步。傳統的鉛酸電池、鎳鉻電池等由于自身容量密度問題及存在一定危險性，很難大范圍的應用。近年來，電池技術取得很大的發展，鋰電池越來越多地被應用于船舶領域。鋰電池的種類也很多，應用最多的是三元鋰電池及磷酸鐵鋰電池，三元鋰電池在國外的應用比較多，而國內更多的是采用磷酸鐵鋰電池。相比于三元鋰電池，磷酸鐵鋰電池對溫度的敏感度較低，穩定性更好一些。工作溫度范圍廣泛，溫度的變化會影響電池的充放電容量及使用壽命。磷酸鐵鋰電池的能量密度相對三元鋰電池較低，也就是同等電能磷酸鐵鋰電池需要更大的體積。這也是在船舶應用中面臨的一個困難，需要綜合考慮大容量的電池在體積、質量及布置方面的問題。磷酸鐵鋰電池的循環次數一般從3 000～6 000次不等，充放電次數還與溫度、容量、時間等有關系。近年來由于國家對相關區域出臺了一系列限排要求，促使了電池行業的迅速發展，也進一步拉近了我國與國外在能源制造上的距離。目前國內使用鋰電池的項目一般為短途運輸船、景區游船、渡船及沿海觀光游覽船，這些項目的特點是續航時間短，所需的電池容量不大。

在2019年之前，國內相關機構對于電池在船舶上的應用并沒有出臺完整的規范要求，很多都是特殊案例，能參考的相關文件也只有CCS發布的《太陽能光伏系統及磷酸鐵鋰電池系統檢驗指南》。由于電池技術的高速發展，以及在船舶領域的應用需求，2019年國內積極推動關于鋰電池檢驗規范的進程，發布了一系列指南文件，如《混合動力船舶檢驗指南》《純電池動力船舶檢驗指南》《直流配電系統檢驗指南》等。

以上文件對電池的本體、布置、相關通風消防措施以及失控后的處理措施等都作了說明及要求，特別針對電池的監控系統功能做了詳盡的說明要求。電池監控系統對整個電池系統的運行及監測起到至關重要的作用，需要在第一時間監測到異常狀況并做出正確的處理方式。在初級階段識別危險的存在，并阻止危險的進一步發展擴散，可以說電池監控系統系統對于整個系統乃至全船都起著至關重要的作用，所以對電池監控系統的要求也更為嚴格，目前國內取得相關證書的廠家屈指可數。

由于三元鋰電池對于環境溫度的敏感性，目前現有投入使用的大部分三元鋰電池都采用水冷形式，對于水冷的水質及管路也會有相關要求，而在熱失控條件下的處理方式也相對要復雜很多。大量電池的應用勢必需要大容量的艙室儲存，而對于電池所產生的潛在危險又必須加以控制和處理，如此便增加了對于整個電池系統監控技術的要求。根據目前已經得到認可的三元鋰電池試驗，在熱失控條件下，不會產生明火，但會有煙排出，如何處理煙道是產品與船上安裝需要協調解決的重點問題。基于有認證產品證明的三元鋰電池不會產生明火的特性，對應的存儲艙室也被視為安全區域，這是不同于鉛酸電池等容易釋放易燃有毒氣體的又一改進。

磷酸鐵鋰電池對環境溫度要求相對來說沒有那么嚴苛，所以目前國內大部分磷酸鐵鋰電池是采用風冷的調溫措施。但對電池艙的要求還是做了詳細的說明，如《混合動力船舶檢驗指南》中對電池艙的布置、電池艙通風系統的設計、艙室溫度以及應急狀態的處理做了相應的規定說明。近期國內下水運營的豪華觀光游覽船“大灣區一號”就是采用的磷酸鐵鋰電池+柴油機發電的電力推進系統，該船建成后可具備零排放(達到氮氧化物II級和硫氧化物I級排放控制的要求)、超靜音等特點，充分體現了綠色、節能、環保理念。

《純電池動力船舶檢驗指南》針對電池不同安全等級要求也有不同。大容量電池的使用以及港口排放的管控，船舶靠港時連接岸電對岸基充電設備也提出了更高的要求和挑戰。岸電的容量、充電裝置、安全防護、操作方法等都有相關的要求。

5 氫能源

伴隨著科學技術的發展，氫能源的應用也越來越廣泛，氫能汽車也到了試用階段，而氫能源船舶的概念設計早在十年前就在國外有相關報道，目前也有實驗項目驗證。氫是通過一定的方法用其它能源制取的、一種不依賴化石燃料的、儲量豐富的可再生能源，優點主要有：燃燒熱值高、不會有其他有害物質。

氫燃料電池技術，一直被認為是利用氫能解決未來人類能源危機的終極方案。雖然燃料電池發動機的關鍵技術基本已經被突破，但是還需要更近一步對燃料電池產業化技術進行改進、提升，使產業化技術成熟。燃料電池壽命很長，且維護保養需求低。挪威船級社于2018年1月公布了船載氫氣的首批規則，這些規則借鑒了其他一些使用氫氣歷史較長的行業規范標準。氫氣在陸上已經實現了非常廣泛的應用，如何建立具有失效保護的燃料電池電站并應用在船舶上，將是氫燃料在船舶領域應用的最終目標。

氫氣的存儲是氫能源在船上應用的難題，氫氣的液化溫度為-253 ℃，如何將氫氣液化和儲存不僅存在技術難點，而且對液化罐也提出了更高的要求。氫氣除了作為燃料，作為碳排放的中性替代方案也極具意義，它基本規避了船舶業亟待解決的碳排放問題。

6 釩液流電池

近期，相關船舶領域公司積極探討“釩液流電池”。據了解，“釩液流電池”是當今世界上規模最大、技術最先進、最接近產業化的高效充電燃料電池，全釩液流電池的主要原理是利用釩離子價態變化，實現電能儲存和釋放。具有功率大、能量大、效率高、成本低、壽命長、無污染等優點，在光伏發電、風力發電、分布電站、交通市政等領域具有良好的應用前景。

2019年12月31日工信部發布了關于《首臺(套)重大技術裝備推廣應用知道目錄(2019年版)》的通告，釩液流電池列入其中。參會代表就“釩液流電池”船用條件、安全性、功率密度、布置形式等方面進行了討論。參會代表一致認為，經過2～3年的努力，釩液流電池在船用電池市場應具備實現的可能性。小容量釩液流電池將與鋰電池共存，大容量釩液流電池因其高可靠性、布置靈活性，將有可能取代鋰電池。

隨著科學技術的發展以及人們對環境的關注度越來越高，相信清潔能源會更多的被使用。清潔能源應用研究的突破，將給船舶能源領域帶來突破創新，未來船舶能源市場將迎來多元化發展。