纯电动力在小型海巡船艇上的应用展望

2022-09-07李华玲杜育军北海航海保障中心青岛航标处山东青岛266011

中国海事 2022年8期

李华玲，杜育军（北海航海保障中心青岛航标处，山东青岛 266011）

一、引言

2020年9月中国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标，交通运输部指出贯彻生态文明建设要求，推进交通运输绿色发展。《交通运输部海事局关于推进海事服务粤港澳大湾区发展的意见》指出稳步推进纯电池动力、液化天然气燃料动力等船舶应用和船舶靠港后应尽可能使用岸电，拓展绿色低碳电能在船舶领域的开发应用，促进船舶行业节能减排。

海事部门巡逻船舶是履行国家赋予职责的主要载体，水上交通的现场监管、突发事件搜寻救助以及航海保障主要依靠船舶来完成。小型海事船艇等港内作业船舶数量众多，而且距离码头和城市较近，对环境影响较大。纯电动动力作为一种清洁新能源动力，可实现零污染、零排放（不考虑岸电来源），与新能源汽车一样有着广阔的应用前景和发展趋势。

二、纯电动船舶的现状和应用

纯电动船舶动力部分基本结构简图如图1所示。

图1 纯电动船舶动力部分主要结构简图

纯电动船舶动力部分主要由：动力电池组模块、配电模块、推进模块和控制模块四大模块组成。纯电动船舶动力部分电流走向框图如图2所示。

图2 纯电动船舶电流走向框图

2021年8月16日，国内首艘纯电动拖轮“云港电拖一号”在连云港市投入使用。该拖轮总长35.5 m，船宽10 m，满载吃水3.5 m，型深 4.5 m，最大航速大于13 kn，充满电后满负荷工作时长超过8 h，正向拖力为48 t。动力电池采用亿纬动力生产的已取得中国船级社型式认证的磷酸铁锂船用LF280电池，7 000次以上循环寿命，设计容量为5 000 kW·h。通过高压岸电系统，该船快充2 h充满，慢充 6～8 h充满。该拖轮每年可节约300 t燃油，减少900 t碳氧化物和12 t硫化物排放，相当于约300辆小汽车的年度总排量，环保效益巨大。

三、纯电动力在小型海事巡逻船艇上的应用

截至 2016 年底，直属海事系统及长江海事局在役海事巡逻船艇（包括海上和内河）共有1 108 艘[1]，各船型分布见表1和表2。

表1 509 艘海上巡逻船艇分布

表2 599 艘内河巡逻船艇分布表

从表1和表2中可以看出，中小型巡逻船是日常工作使用的主力船型。小型海事巡逻船艇航区固定、航程短，很少跨海区跨辖区航行。因海上巡逻艇面临的风浪比内河船舶要大得多，以海上巡逻艇为例分析更具有代表性，下文以海上小型钢质巡逻艇“海巡15027”轮为研究对象进行分析。“海巡15027”轮负责日照海域的航道巡视以及灯浮标的维护、抢修、应急布设灯浮标等工作任务。“海巡15027”轮于2009年12月下水，船长28.98 m，设计吃水1.80 m，排水量177.21 t，动力来自2台康明斯船用柴油机。目前累计航行约1 100个航次5 700余小时，平均每月约8航次。每航次的航行时间统计分布详见表3。

表3 “海巡15027”轮每航次航行时间区间分布统计表

通过表3可以看出以“海巡15027”轮为例的沿海小型海巡船每次出海的时间均不超过12 h，95.3%的航次时间在8 h内，完成任务后停靠码头待命。“海巡15027”轮如采用纯电动力，停靠码头时慢充充电，动力电池保持最佳状态。“海巡15027”轮出海巡检期间也并非全程处于满负荷状态。巡检作业模式是靠近一个灯浮航标后会停留半小时左右，完成后前往下一个进行检修，循环往复。停留作业期间船舶夹靠在航标上几乎不需要动力，推进电动机不消耗电量。纯电动船舶动力模式消除了现有作业模式下柴油机长时间怠速运转，增加油耗和磨损的问题。巡逻艇在靠近待检查船舶或者航标等海上目标时对船舶操纵有极高的要求，而采用纯电动船舶后的电动吊舱或者全回转舵桨后可以极大提高船舶操纵性能，满足巡逻船、航标船以及测量船的特殊需求。

四、纯电动船舶与常规内燃机船舶相比的优势

（一）纯电动船舶更加节能减排

纯电动力的船舶具有零排放、零污染、经济节能的特点，环保效果更好。如果“海巡15027”轮改用纯电动力船舶，则每年少消耗柴油约45 t，减少碳氧化物排放约150 t，减少硫化物排放约2 t。从经济性角度来看，据估算除去充电费用，纯电力驱动船舶能节省50%～80%的燃料费用[2]。动力电池充足的循环寿命使船舶使用周期内无需更换动力电池。据此综合估算“海巡15027”轮每年节约经费约20万元。从整个生命周期进行效益分析，小型钢质海巡船艇使用寿命为 30 年，基本可节省燃油1 350 t，节约经费600万元，经济效益较高。纯电动力船舶相比传统内燃机动力船舶有着更高的环保生态效益、经济效益和社会效益，在海事系统内推行纯电动船舶具有现实意义。

（二）纯电动船舶设备布置灵活

由于纯电动船舶各个模块是由电缆连接，故可有效简化船舶系统，优化船舶布局。传统内燃机船舶轴系的总长度占到船长大约40%，而纯电动船舶只需动力电池舱、控制舱和动力舱等由电缆连接。电缆代替轴系，可有效提升船舶空间利用率，扩大船舶甲板作业面积，使船舶工作区与生活区分配更合理，进而优化船舶内部空间布局。

（三）纯电动船舶安全性更好

对于内燃机动力船舶来说，一旦主机、轴系或舵机出现重大故障就会使船舶失去动力。而纯电动力船舶由多组电池组并联，相当于安装多台发动机，即使个别动力电池组出现故障也不至于使整船失去动力。推进电机的定子多个绕组相互独立运行，其中一组出了故障仍能减载降速运行。

（四）纯电动船舶操纵性更好

船舶对电动推进电机的要求决定了推进电机的多工况特点：容量大、可靠性强、效率高、噪声振动小、转速低、转矩高。变流器的输出频率可以无级调整，从而保证了转矩在整个转速范围内平顺控制。船舶采用纯电动力可以提高在复杂海况下连续工作的能力。

（五）纯电动船舶舒适性更佳

传统的内燃机推进时发动机的轰鸣声与震动都会直接影响船员身体健康，而小型海事船艇的机舱自动化程度低，绝大多数机舱都需有人值班（BRC）。机舱值班人员长时间处于嘈杂环境中听力会受到不同程度的影响。如采用纯电动力推进，没有了发动机的轰鸣和震动，船舶静音效果更好，工作区环境也更加整洁美观，可以大大提高船员工作环境的舒适性。

五、面临的问题

海事船艇采用纯电动力可以极大地改进其作业模式，但仍然面临一些问题。

（一）动力电池续航及安全性不足

制约纯电动船舶规模应用的瓶颈仍是动力电池的容量、安全性以及控制性等。目前在船舶上使用的磷酸铁锂电池、超级电容+磷酸铁锂电池、氢燃料电池等普遍存在能量密度小等问题。而针对电动汽车普遍使用的锂电池，一些船检专家对其并不支持，认为其发生火灾时更难扑灭[2]。为提升船舶续航里程，需要在安全前提下提高电池能量密度，纯电动船实际应用的主要困难和瓶颈体现在动力电池的能量管理控制策略上[3]。近年来对提高电池管理系统性能的研究已经取得较大的进步。近日，宁德时代制造出能量密度达到160 Wh/kg的“钠”离子动力电池，具备充电速度快、能量密度大、耐低温等优点。

（二）纯电动船舶造价高

由于纯电动船舶属于新能源船舶，尚未普及，动力电池和控制系统等研发费用不能摊平，导致初次造船投入成本较高。如上文所述，后期使用维护成本会下降，全生命周期效益分析，经济性还是可观的。

（三）最低安全配员无相关规定

纯电动船舶直接套用现有的配员标准既不符合最低安全配员的要求，也无法切实保障船舶安全。纯电动船舶作为一种新型船舶，国际和国内都尚未出台相关的最低安全配员标准或规定，现有配员标准不能满足监管要求[4]。建议尽快出台内河和沿海纯电动船舶适用的最低安全配员标准，如增设电机员岗位等。

六、应用前景

纯电动力拖轮投入使用预示着纯电动船舶进入大推力长航时的新局面，也预示着纯电动力代替内燃机动力技术正在从汽车行业推广到船舶业。随着国家逐步加大对动力电池领域的科研投入，相关的电池厂商和科研院所增强技术攻关，容量更大、价格更低、体积更小、可靠性更强的船用动力电池将逐渐面世，可以有效降低纯电动船的初期投入，增强安全性，提高续航里程。国家标准和相应规范性文件的修订工作已经启动，主要修订内容为补充电力推进船舶法定文件记录的新要求以及锂离子蓄电池纯电池电力推进等附加要求。《纯电池动力船舶检验指南》《交通强国建设纲要》《推进交通运输生态文明建设实施方案》等文件陆续发布，为纯电动船舶发展提供了大力支持[5]。纯电动船舶认可度不断提高，建造数量不断增加，单艘船的设备成本和研发成本会逐年下降。在我国政府、船检机构、造船及配套企业、设计院所及高校等的共同努力下，纯电动船舶的大规模推广应用指日可待。随着充电技术的发展和充电设施的完善，纯电动船推广应用的障碍将进一步减少。