淺析純電動海巡艇的應用前景

張明

摘 要：純電動海巡艇具有零排放、噪音小、高能效等優點，在石油資源不斷消耗、環境問題日益突出的大背景下，大力發展純電動船勢在必行。隨著電池技術的不斷突破發展，作為綠色新能源船舶，純電動海巡艇在海事監管中將有著廣闊的應用前景。

關鍵詞：電動船舶;鋰電池;環保;節能;海巡艇;公務船

中圖分類號：F426.474 文獻標識碼：A

0 引言

2020年長江干線船舶平均噸位已達到1 960噸，貨物通過量突破了30億噸，全長6 300余公里的長江，是貨運量位居全球內河第一的“黃金水道”，是貫穿東、中、西部的水路交通大通道，由于長江航行船舶使用柴油發動機驅動，大量消耗燃油，其尾氣排放造成的污染問題不容小覷，船舶排到大氣里的污染物有三種形式，固體形式包括各種顆粒物、重金屬等;氣態方式包括氮氧化物、硫氧化物，還有以氣溶膠方式排放的物質。氮氧化物和VOC（VOC物質是指易揮發的有機物質）會產生臭氧，氮氧化物和硫氧化物會產生二次顆粒物，導致灰霾天、酸雨以及水體富營養化伴，隨著長江運輸需求的不斷增加，污染排放物也在逐年上升，船舶污染問題不容忽視。

國務院發布的《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》指出，要繼續推進電能替代燃煤和燃油，要全面實施新生產船舶發動機第一階段排放標準。推廣使用電、天然氣等新能源或清潔能源船舶;交通運輸部發布的《船舶排放控制區調整方案》要求，對全國沿海及長江干線通航水域進行排放控制，自2020年1月1日起，船舶在沿海控制區內航行應使用硫含量不大于0.5%的船用燃油，靠岸停泊期間不大于0.1%，內河控制區應按照《大氣污染防治法》要求使用合規燃油，船舶可采用尾氣后處理、清潔能源、岸電等替代措施。節能減排政策正在倒逼長江航運船舶綠色轉型。

作為長江水上安全監管部門，長江海事局應該積極響應長江大保護要求，從海事巡邏船著手，大力發展電動海巡艇，用以替代傳統柴油機海巡艇。

1 純電動船應用現狀分析

新能源純電動船對于環境保護零污染、零排放要求有顯著的效果，但就目前，我國尚處于發展起步階段。近年來，在國家政策扶持引導和新能源汽車產業的帶動下，我國鋰離子動力電池技術水平大幅度提升，成本明顯下降，具備了支撐電動船應用推廣的良好基礎。同時，寧德時代新能源科技股份有限公司、惠州億緯鋰能股份有限公司等磷酸鐵鋰電池巨頭企業也紛紛涌入電動船市場，為我國電動船產業發展注入新鮮活力。首批新能源純電動船在2013年投入使用，經過多年研究和試點應用，純電動船舶技術逐步成熟，呈現快速發展的趨勢，應用場景不斷擴大。

根據克拉克松研究的統計數據，全球營運中和擬建造電動船舶數量為155艘，包括營運中船舶75艘，擬建造船舶80艘。

我國當前純電動船舶在船型方面已有旅游船、渡船、公務船、工程船、普通客船、干散貨船、集裝箱船等多種船型，噸級方面，有些特定情景下船舶噸級已超過2 000載重噸。目前配置的鋰電池容量不斷提高，有新能源純電動船舶的電池容量達到2.4 MWh（2 400 kWh），長江新能源純電動游覽船“君旅號”電池容量更是達到7.5 MWh（7 500 kWh）。

以中國船舶工業集團有限公司所屬廣船國際有限公司建造的2 000噸級純電動自卸船“河豚號”為例，該船是全球首艘完工交付的千噸級純電動船，船上安裝有重達26噸的超級電容+超大功率鋰電池，整船電池容量約為2 400 kWh，約2.5小時即可完成充電，在滿足條件下，航速最高可達12.8公里/小時，續航可達80公里，可以滿足短途內河運輸。

高速電動船也已投入使用，湖南海荃游艇有限公司自主研發的“HQ1850”純電動鋁合金高速船“八百里123”號，由磷酸鐵鋰儲能系統提供推進原動力，電動機進行驅動。經實船測算，相同主機功率條件下，該船運行成本只有普通柴油機船的三分之一左右，噪音只有65分貝，且平均每年可減少CO2排放1.5噸左右，充分體現該船低噪音、低震動、零污染、零排放等特點。同時，該船為雙體船，抗風浪性能優越，興波與尾浪小，最高時速可達25公里/時，突破了一般電動船舶速度慢的瓶頸。

盡管我國在鋰離子電池儲能系統的關鍵技術上已經取得了重大突破，但基于岸電設施不齊全，電動船舶的建造成本較高，岸電電價較高，動力電池的成本高，船舶動力電池營運管理和回收利用難以及鋰離子電池安全性考慮，我國的純電動船舶發展仍然不足。以我國內河的純電動船舶應用為例，我國內河船舶約有13萬艘，僅長江和京杭運河的船舶總數超過6萬艘，但目前已建造的內河電動船舶僅30余艘。

2 純電動船的基本原理

2.1 純電動船推進方式

純電動船舶的推進方式是采用蓄電池驅動電動機帶動螺旋槳從而推動船舶運行。純電動船舶采用的電力推進系統有可控硅整流器+直流電動機、可調螺距螺旋槳+交流異步電動機、電流型變頻器+交流同步電動機、交——交變頻器+交流同步電動機、電壓型變頻器+交流異步電動機等方式。

電動海巡艇可采用交——交變頻器+交流同步電動機的方式進行推進。其驅動方式是采用CYCLO變頻器，通過控制可控的橋式反并聯晶閘管，選擇交流電源的不同相位區間向交流同步電機提供交流電。其特點是：起動平穩，起動電流可從零起逐漸加大，轉矩脈動平滑;功率及轉矩動態響應快，一般小于100毫秒;系統功率因數由電機電壓決定，通常可達0.76;滿負荷時效率高;變頻器輸出頻率低，可以不需要齒輪減速直接驅動螺旋槳。

2.2 純電動船鋰離子電池的工作原理

電池是純電動船舶的核心部件，很顯然，鋰離子電池將是電動船舶的主要動力電池，鋰離子電池是世界上最新一代的充電電池，它的負極是碳素材料，正極是含鋰的過渡金屬化合物，電解質是鋰鹽的有機溶液或者是聚合物。充電時，正極中的鋰離子脫離 LiCoO2、 LiFePO4晶格，經過電解質運嵌入電池的碳材料負極，放電時則相反。

鋰離子電池是以鋰離子嵌入化合物為正極材料的電池的總稱。鋰離子電池充放電過程的基本電化學反應式為：

正極 LiCoO2→Li1-xCoO2+xLi++xe-

負極6C+xLi++xe-→LixC6

總反應LiCoO2+6C→Li1-xCoO2+LixC6

電池充電時，鋰離子電池從正極材料的晶格中脫出，通過電解質溶液及隔膜進入到負極中;放電時，鋰離子從負極脫出，通過電解質溶液及隔膜，進入到正極材料晶格中。在整個充放電過程中，鋰離子往返于正負極之間，所以鋰離子電池又叫搖椅電池。

3 純電動海巡艇在海事監管中的應用

3.1 純電動海巡艇的應用

2021年1月，新能源海巡艇“川海巡587”在眉山市洪雅縣雅女湖庫區順利下水投入使用，該艇總長9.8 m、型寬2.8 m、型深1.19 m，配備2臺6 kW電動舷外掛機，巡航航速12 km，續航力4～6小時。

2020年1月，長江上首艘通過CCS系統認證的18 m級純電力推進航道維護艇 “長江航道電001”正式下水服役。該船船體總長18.9 m，蓄電池總容量1 300 kWh，最高航速21.5公里，全速續航5小時，快只需4小時，續航130公里，除此之外，該船采用磷酸鐵鋰電池電源驅動、雙全回轉舵槳推進，配置了多種防污染措施。

深圳海事局首艘可用純電力推進，在海上危險氣體區域安全航行并實施人員撤離救助的船舶，正在廣州黃埔文沖船廠建造，該船總長78 m、型寬12.8 m、型深5.5 m，滿載吃水3.5 m，采用柴油發電機組加鋰電池的混合電力推進模式，設計航速不小于18節，續航力1 000海里，可搭載直升飛機，具備較強的綜合信息處理能力，配備艙室正壓維持系統、防爆雷達和DP1定位等先進技術與設備。

3.2 純電動海巡艇優勢分析

純電動海巡艇主要由鋰電池、電容、配電板、變壓器、變頻器、電動機、螺旋槳、控制系統等組成，電力推進方式以其環保、節能的技術優勢提供了高品質船舶的應用途徑。

（1）環境優勢： 純電動海巡艇相比于柴油機海巡艇將無需消耗柴油，潤滑油需求也大幅降低，不會產生船舶尾氣，節能環保優勢明顯。

（2）經濟優勢：柴油機海巡艇柴油消耗量大，以17 m玻璃鋼海巡艇為例，每天開展2小時現場巡航，每月所需柴油為3噸，以柴油單價6 500元計算則每月所需費用為1.9萬元;純電動海巡艇運行費用將大幅降低，以蓄電池總容量為1 290 kWh的17 m玻璃鋼海巡艇為例，其續航為6小時，目前各執法大隊躉船均配有岸電設施，純電動海巡艇可直接在躉船上進行充電，充滿一次電約耗電1 200度，電費以1元/度計算，如每天開展2小時現場巡航，每月運行費用只需1.2萬元。此外，純電力推動還增強了系統對單一故障的抵抗性，有效降低了維修保養成本。

（3）性能優勢：電力推進裝置的操縱由駕駛臺直接控制，啟動加速性好，制動快，機械推進從全速到停止所需時間是電力推進的2.8倍，從零航速至全速所需時間是電力推進的2.1倍，大大提高了船舶的可操縱性，安全可靠性得到提高。省去了主機與螺旋槳之間的部分軸系，機械振動和噪聲減小，環境更加舒適。原動機和螺旋槳系柔性連接，使得螺旋槳的轉速不受原動機轉速的限制，彼此都可以工作在最佳狀態，從而推進系統有較大的能量效率。

4 結束語

通過以上分析，純電動海巡艇由于性能優越，綠色環保、經濟優勢明顯，已逐步應用在海事、航道等部門，未來隨著電動船舶的進一步發展優化，電動海巡艇將極大提高長江海事的巡航救助能力，在海事監管中將有廣闊的應用前景。

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