行业动态 | 船舶新能源动力技术现状与趋势

【浩博电池资讯】 2024-09-29 1314

全球性的能源危机，新能源的开发和利用，是未来人类社会发展进程中需要面对和解决的重要问题之一。在船舶上如何应用新能源代替老式的能源，同样是未来船舶发展的首要课题和必然趋势。

船舶航运带来的环境污染问题一直受到国际社会的高度关注。为此，国际海事组织出台了各项控制船舶污染的强制性政策、法规，要求在21世纪内尽快消除国际航运的温室气体排放。我国积极制定了深入推进绿色船舶以及绿色航运发展的相关政策，以期支持我国航运业的绿色转型。船舶动力技术革新和清洁燃料开发均是促进绿色船舶发展的有效途径。但清洁燃料仍处于研究阶段，船舶动力系统转型升级是当务之急。

新能源(New Energy )主要是指与传统能源概念相对的非常规能源，需以新技术为依托开发利用，如海洋能、风能、地热能、生物质能、太阳能、核聚变能等，使能源选择种类更多，同时减少石油、煤炭等不可再生资源利用量，继而应用新能源解决能源危机，控制环境污染。

我国船舶产业在上海、武昌、大连、广州等地较为发达，主要从事船舶设计、建造、整修、试验、配套设施生产。为应对我国船舶行业发展风险，缓解国际市场发展压力，在国际产业转移背景下需加大新能源利用力度，使我国船舶产业综合竞争实力更强。基于此，为助推船舶产业良性发展，探析新能源产业在船舶中的应用价值、要点、现况及方略显得尤为重要。

新能源在船舶中的应用价值

推动船舶产业朝着可持续方向发展。以往船舶将柴油、汽油视为动力能源，油污降解速率慢，对生态环境带来消极影响，有悖可持续发展决策。基于此，在船舶中需积极应用新能源，使船舶运行机制更为清洁高效，推动船舶产业科学发展。

“油改电”为代表的新能源方案。目前可实施"油改天然气"方案，将天然气视为驱动能源，降低船舶航运对水体的污染几率。然而，天燃气清洁程度相对较差、成本较高、安全稳定性欠佳，为此"油改电动"成为目前推行较为广泛方案之一，并持续探索新能源在船舶中的应用出路，在总结船舶产业可持续发展经验基础上达到高效利用清洁能源目的。

应用新技术为我国船舶产业赋能。新能源的应用需以新技术为依托，如太阳能光伏发电技术、远程遥感、多相交直流等技术，在高新科技加持下使我国船舶产业竞争力更强，为该产业朝着国际化方向发展奠定基础。例如，液态空气热能动力技术，将液氮、干冰、液态空气视为绿色燃料吸收环境中的热量，在热量作用下持续升温膨胀，得到高压常温气体并驱动船舶，利用清洁能源模拟燃烧动力运行系统，使船舶在航运过程中能够做到零排放、清洁、绿色、环保，继而运用科学技术为我国船舶产业赋能。

新能源在船舶中的应用要点新能源在船舶中的应用现状

充分利用现有新能源。为使我国船舶产业得以朝着可持续方向良性发展需扩宽清洁能源利用思路，将太阳能、风能、潮沙能、核能、燃料电池等资源利用在船舶动力系统、电力系统、生活等系统内，通过充分利用现有新能源探析船舶中新能源应用更多可能性，使船舶可持续发展形式更多，达到优化配置新能源目的。

通过合理设计解决新能源应用难题。设计是新能源应用载体，稳定、高效、安全、合理的设计方案可保障新能源得以充分利用。自石油危机以来新能源在船舶中的应用设计从未停止，加之可持续发展理念贯穿客观事物探究始末，需通过设计将技术、资源、船舶等要素关联在一起，继而解决新能源利用难题。以风能在船舶中的应用为例，需率先设计风力发电驱动结构图，确保风力发电机、变压器、输出端连接设备构成合理，加之数字化控制设计，确保风能驱动系统安全稳定，针对电流、电压、额定风速等参数进行监管，通过自动跟踪、实时调控、数据整合，解决船舶航行过程中风能利用问题，继而通过科学设计提高新能源应用质量问。

新能源在船舶中的应用现状

"油改电"是新能源在船舶中应用走势之一，从投资、设备及技术等角度出发探析"油改电"应用现况，旨在总结新能源应用经验，助推船舶行业朝着绿色环保、节能高效方向发展。

旧电池回收处理。在新技术加持下钮离子电池组这一在船舶上应用频率较高电池取得突破性研究进展，加之政府补贴推广，为新能源在船舶行业中的应用奠定基础。在应用新型电池基础上铅酸等旧电池需进行回收处理，虽然锂离子电池组使用寿命较长，但通常情况下应用周期为4年-10年，亦需进行回收处理，一旦废旧电池回收处理效果欠佳将直接出现电池泄露污水源等消极现象，为此需做好电池回收处理工作。
使用成本问题。2018年4月挪威康士伯、威尔森集团将携手创办首家无人船航公司，新公司将全电动力视为"无人船"航行能源，预计将节约成本 90%，主要基于全电动力船舶在应用电池基础上，还应用摄像机、传感器、雷达、定位系统等先进科技，使船可以自行停靠，船运效率得以提高，加之人力成本及能源戚本的控制，使全电力驱动船舶成本得以降低。当前全电动力发展处于初期阶段，虽然市场前景良好，但研究经验欠缺，新能源电池投产规模较小，技术支持力度薄弱等问题客观存在，使"油改电"成本仍然较高，影响"油改电"应用成效。

电池占用空间较大。船舶空间有限，应用电池组驱动船舶需占用较大空间，减少船舶载货量，一定程度上影响船舶航运效率，少量多次航运形式客观上增加船舶运输成本，与新能源应用初衷相悖。

船舶吨位与电力功率匹配存在问题。船舶在应用电力系统驱动时需考虑到动力匹配问题，旨在规避船舶动力不足消极影响，然而部分船舶存在全电力推进功率兼容性、匹配度不佳现象，另受船舶电能质量、电气设备、线路敷设等因素影响，电力功率与船舶吨位匹配效果参差不齐，削减"泊改电"实效性。

新能源在船舶中的优势

新能源应用之"油改电"在船舶中的应用具有如下优势:

控制方便，自动化程度高，启动加速快，提高船舶机动性、可操控性、安全稳定性;

应用高速不可反转热力发动机，减轻船舶动力装置重量，增强动力系统功率，机舱布置更为灵活;

应用电力推进降低辅助发电机功率，甚至可将其取消，可深入优化布置机舱;

在故障下断开电机，确保航运安全稳定;

选配电机机械特性，适合不同航运工况，提高船舶经济性。

一

船舶新能源动力系统技术现状

动力系统是船舶的核心设备，我国船舶动力系统的发展具有明显代继特征。现阶段船舶动力系统逐渐向新能源方向转型。船舶新能源动力系统具有环保价值高、节能等优点，但仍处于技术探索和论证阶段，在应用场景、应用对象等方面存在技术限制（表1所示）：

1、针对内河领域，船舶新能源动力技术主要包含以下四种：

（1）油电混合动力：过渡性技术手段；

（2）纯电池推进动力：续航里程在100-300公里，适用于固定航线的船舶；

（3）LNG动力：由于液化天然气（LNG）加气站等配套设施尚不完善，仅在长江沿线、珠江沿线进行试点推广；

（4）燃料电池动力：处于试点阶段，三峡通航管理局已在建500千瓦燃料电池动力船。

2、针对远洋领域，现阶段实船应用较多的LNG动力和混合推进动力技术，均不能帮助船舶实现零污染目标。

表1 内河和远洋领域新能源动力系统技术特点及优点

二

船舶新能源动力系统技术应用场景

并联式混合动力系统主要用于拖轮领域和远洋运输船。主机与轴带电机可并联工作。主机和/或电动机是推进器的直接驱动力，储能系统可单独向电动机供电，从而提高系统灵活性和可靠性。此外，辅助电站和岸电系统也可提供电能。轴带电机充分利用主机的富余功率，具有良好的节能减排效果。此系统主要的工作模式如表2所示。

表2 并联式混合动力系统在不同工作模式下的技术路径及特点

对于串联式混合动力系统，电动机是推进器唯一的直接驱动力。发动机带动发电机发电，电能通过变流器驱动电动机，储能系统也可单独向电动机供电。此外不同工况下，燃料电池、光伏、风机、岸电系统等均能为船舶提供电能（表3）。目前，我国首艘搭载大容量串联式混合动力系统的“智能型无人系统科考船”下水，开启了智能化时代。

表3 串联式混合动力系统与纯电池动力系统在不同工况下的技术路径及特点

纯电池动力系统主要应用于中小型船舶。电池系统是全船唯一能量来源，电动机是推进器唯一直接驱动力。该系统是典型的直流微电网系统，可利用多种能源形式（储能系统、燃料电池、光伏、风机等）。

三

船舶新能源动力系统发展挑战与机遇

未来，研发高效、静音、智能、安全和低碳的船舶动力系统是主要发展方向：

1、高效：推动电力电子技术、控制系统和推进系统的不断更新，推进效率将随之提高，更高效的船舶新能源动力系统得以实现。

2、智能：发展提升新能源动力系统的自动化和智能化程度，为下一步实现主动运维、远程操控、辅助驾驶、自主航行奠定基础。

3、静音：大幅降低未来船舶动力系统带来的船舶噪音，有利于提升乘客舒适度和船员工作幸福感，吸引年轻人加入航运业，推动行业良性发展。

4、安全：加速我国在锂离子电池储能系统、船舶电力系统技术、电力推进技术、大功率电力电子技术等方面关键技术的突破，走在世界前列，具备了实船推广应用的技术条件。

5、低碳：推动不同场景下船舶动力技术的低碳零碳化，短途（<100-300公里）固定航线的纯电模式技术成熟度更高，但受限于续航里程；内河运输行业正积极探索换电模式，由于储能容量较大，其发展仍有很多技术难题亟待攻克；远洋船舶，采用清洁替代燃料则是未来趋势。

船舶新能源动力技术是实现“双碳”目标和促进船舶行业可持续发展的重要手段。目前多种技术路径被广泛研究，如油电混合动力、纯电池推进动力和燃料电池动力等。但新能源动力系统尚处于技术论证阶段，其发展仍受应用场景、应用对象等限制。未来，各研究院所与制造企业应开展合作，进行数据资源共享，借鉴先进经验，共同致力于船舶行业的绿色转型事业。