電池推進(jìn)船最新研發(fā)動向

沈蘇雯

國際海運(yùn)是造成全球溫室效應(yīng)的主要因素之一。為此，IMO在2011年7月對新造船舶的單位運(yùn)輸能力對應(yīng)的溫室氣體排放量進(jìn)行了規(guī)定，通過了MARPOL公約附則VI的修改案并在2013年開始實(shí)行。MARPOL公約本身是以大型船舶為對象，但是對小型船舶的溫室氣體排放量的控制也是必須的。歐美國家湖泊區(qū)域較多，它們禁止采用內(nèi)燃主機(jī)的船舶，而推行電池推進(jìn)船的使用。

同時，船舶主機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時所排放的NOX、SOX等物質(zhì)對包含停靠港口區(qū)域在內(nèi)的沿岸海域大氣造成污染。為了減少NOX等的排放，對船舶主機(jī)必須要有相應(yīng)的解決辦法。MARPOL公約附則VI制定了一個階梯式的規(guī)則，在2000年1月以后建造船舶所搭載的功率在130kW以上的主機(jī)適用第一層級的要求（公約在2005年5月生效），2011年1月之后建造的船舶適用第二層級的要求（比第一層級標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格15%～22%）。并且，IMO原本預(yù)計將從2016年開始導(dǎo)入針對ECA海域的第三層級的要求，將比第一層級嚴(yán)格70%，實(shí)施的時間將與全球技術(shù)開發(fā)進(jìn)展情況掛鉤，不過在2013年5月13～17日召開的IMO第65次海上環(huán)境保護(hù)委員會會議上通過了推遲5年實(shí)施的決議。

減少船舶溫室氣體和NOX排放，解決方案之一就是采用電力推進(jìn)系統(tǒng)。

電力推進(jìn)系統(tǒng)本身如果只看推進(jìn)發(fā)動機(jī)的效率和變流器變換效率的話，與現(xiàn)有推進(jìn)系統(tǒng)相比效率偏低，但是采用電力推進(jìn)系統(tǒng)后，主機(jī)室的配置自由度將變得很高，還可采用多樣的能源，船舶總體的推進(jìn)效率是提升的，能效的提高會減少溫室氣體排放量。

根據(jù)以上這種觀點(diǎn)，日本國土交通省聯(lián)合鐵道運(yùn)輸機(jī)構(gòu)、海上技術(shù)安全研究所等團(tuán)體共同成立了超級環(huán)保船（SES）實(shí)用化和普及推廣計劃。針對內(nèi)河油船、貨船以及渡船等，它們船體較小，大型的設(shè)備都要設(shè)置在船尾，對船型優(yōu)化設(shè)計有較大的妨礙。為此SES通過海上試運(yùn)轉(zhuǎn)驗(yàn)證結(jié)果表明，如果采用電力推進(jìn)來改良船型，并且通過安裝對轉(zhuǎn)螺旋槳等提高推進(jìn)效率的設(shè)備，與現(xiàn)有同尺度的船型相比，溫室氣體排放量可以減少約兩成，NOX排放量可以減少四成。

對于大型的遠(yuǎn)洋船舶，主機(jī)室與船體相比占地容積較小，導(dǎo)入電力推進(jìn)系統(tǒng)對改善船型效果不大。為此較為合適的方案是以船內(nèi)微型電網(wǎng)系統(tǒng)（可將陸地供電和太陽能發(fā)電綜合加以最佳利用的系統(tǒng)）為核心，開發(fā)混合電力推進(jìn)系統(tǒng)。這是國土交通省旗下的技術(shù)開發(fā)支援項(xiàng)目“海洋環(huán)境倡議”的一部分，該項(xiàng)計劃聯(lián)合日本郵船、川崎重工和日本海事協(xié)會共同實(shí)施，旨在減少30%的溫室氣體排放量。具體措施是通過新型蓄電池和電力轉(zhuǎn)換裝置，與船用柴油發(fā)電機(jī)組合成為新的混合推進(jìn)系統(tǒng)，將陸地發(fā)電以及太陽能發(fā)電所得的電力儲存在蓄電池中，將它們作為船內(nèi)電力使用，優(yōu)化船用柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。這套系統(tǒng)在日美航線的汽車運(yùn)輸船上可以節(jié)省2%的燃油耗量。

當(dāng)然這樣的系統(tǒng)要投入實(shí)用，價格低廉且高效的大容量蓄電池以及控制系統(tǒng)的開發(fā)是必不可少的。

常用來作為電力推進(jìn)系統(tǒng)的電池主要有燃料電池、超級電容器、動力電池三種。燃料電池能量轉(zhuǎn)化效率高，不污染環(huán)境，壽命長。但是受技術(shù)條件限制，單體功率比較小，造價昂貴，并且氫的制造、運(yùn)輸及儲存等配套技術(shù)尚未成熟，其應(yīng)用以軍用艦艇為主，民用船舶尚停留在嘗試階段，難以推廣應(yīng)用。超級電容器有充電時間短、循環(huán)使用壽命長、使用溫度范圍大、能量回收效率高等特點(diǎn)，但由于其本身比能量低的特性，極大地制約了其續(xù)航能力的提高。動力電池技術(shù)日趨成熟，常用的種類有鎳鎘、鎳氫、密封鉛酸和鋰離子。當(dāng)前第三代鋰離子電池具有能量密度高，安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)，是小型電力推進(jìn)船較為適合的動力源。雖然目前鋰離子動力電池價格較貴，但隨著制造技術(shù)的提高和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，其應(yīng)用成本將會快速下降。

上述合作單位中，川崎重工開發(fā)了一款名為“Gigacell”的大容量密閉型鎳氫電池，1節(jié)可提供7.2 kWh的電力。并且隨著技術(shù)的進(jìn)步，每層電池組的性能將更高，成本將更低，預(yù)計將來它會成為陸電、軸發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)以及利用主機(jī)廢熱的小規(guī)模發(fā)電機(jī)組最適合的蓄電池選擇，實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能減排效果。

在船舶領(lǐng)域，如果蓄電池及其控制系統(tǒng)的性能提高，成本降低，是否可以直接進(jìn)化為純粹的電池推進(jìn)船呢？但從電力汽車的發(fā)展可以看出，為了確保安全性和穩(wěn)定性，要實(shí)現(xiàn)純電力推進(jìn)船尚有很高的難度。在這樣的現(xiàn)狀下，選用合適的材料在合適的場合有效利用電力以兼顧經(jīng)濟(jì)性和性能將是較為實(shí)際的目標(biāo)。

純電池推進(jìn)船：過去的電池推進(jìn)船多用鉛酸電池作為電力供應(yīng)源，然而其較低的能量密度和較長的充電時間，與內(nèi)燃機(jī)船的性能相比較差，實(shí)用性很受限制。受到這些缺陷的制約，在歐洲各國鉛酸電池推進(jìn)船都只用于河川湖泊等靜水區(qū)域進(jìn)行短時航行。

圖4 混合動力電池推進(jìn)船的試驗(yàn)船

然而東京海洋大學(xué)在2010年5月開發(fā)的電池推進(jìn)船“雷鳥I”號采用了目前世界最先進(jìn)的極速充電鋰電池，該技術(shù)首次用于船舶領(lǐng)域，具備較好的適應(yīng)性、安全性和便利性，很符合當(dāng)前及未來對環(huán)境保護(hù)的要求。

據(jù)了解，常規(guī)的鉛酸電池推進(jìn)船充電時間需要10小時，而“雷鳥I”號充至80%電量只需30分鐘，克服了電池推進(jìn)船充電時間過長這一缺點(diǎn)，這是過去鉛酸電池推進(jìn)船無法做到的。由于使用了大功率鋰電池，從根本上大幅度提升了發(fā)電功率和電池容量，使其可在氣象、海況條件較為復(fù)雜的海域中航行。同時，該船的噪音和振動大幅減少，且沒有廢氣排放。另外，船上無需搭載燃油，一旦發(fā)生事故也不用擔(dān)心會造成燃油泄漏污染海洋。

截至2013年5月，除“雷鳥I”號外，日本還建造了3艘鋰電池推進(jìn)船。其中2艘采用了民用鋰電池，屬于低壓型，無法進(jìn)行高速充電。第三艘則是試驗(yàn)性地導(dǎo)入了獨(dú)立開發(fā)的高速充電系統(tǒng)，于2011年4月首航后，目前尚在進(jìn)行各類船上實(shí)驗(yàn)。

繼成功開發(fā)“雷鳥I”號之后，東京海洋大學(xué)在又開發(fā)建成了第二艘高速充電型鋰電池推進(jìn)船“雷鳥S”號，該船是世界首艘“電動機(jī)驅(qū)動的噴水推進(jìn)船”。該船與“雷鳥I”號一樣，具有低噪音、低振動、無排氣、高功率，充電時間短等優(yōu)點(diǎn)，并且由于采用了噴水推進(jìn)器，可在淺水域航行。

混合電力推進(jìn)船：與上述相對的，那些需要大容量蓄電池的船舶，比如需要長距離運(yùn)行的渡船、需要短時大功率運(yùn)轉(zhuǎn)的港口拖船等，采用原動機(jī)和蓄電池組合的混合動力型電池推進(jìn)船將是一個可以實(shí)現(xiàn)的方案。

圖4為關(guān)西電力與大阪市立大學(xué)共同開發(fā)的一型混合動力電池推進(jìn)船的試驗(yàn)船。該船從陸地向船上的蓄電池充電，隨后采用這些蓄電池中的電力配合船上的發(fā)電機(jī)所發(fā)的電量，一同提供主機(jī)的動力源，使船舶運(yùn)行。

常規(guī)柴油原動機(jī)在額定功率下所發(fā)揮的能效最高，而在低負(fù)荷狀態(tài)時的能效較低，因此港口拖船可以采用其他的方案。即在常規(guī)航行狀態(tài)下采用功率最適合的原動機(jī)作為主機(jī)，在需要大功率的拖船狀態(tài)下，除了原本的主機(jī)外再加上以蓄電池為動力源的大轉(zhuǎn)矩電動機(jī)配合使用，達(dá)到提高總能效的目的，成為一艘混合動力船。MARPOL公約附則VI第三層級標(biāo)準(zhǔn)也許會導(dǎo)入十分嚴(yán)苛的NOX限制，對于擁有大規(guī)模港灣的海域，也許會為了減少NOX的排放，對船舶要求追加處理裝置的可能性。采用大功率原動機(jī)會較方便安裝大容量的處理裝置。

圖5是香港Hong Kong Jockey Club公司為了運(yùn)輸高爾夫球客而從2010年開始使用的太陽能發(fā)電混合電池推進(jìn)船。該船為澳大利亞Sloar Sailor公司所開發(fā)，與常規(guī)的只使用柴油機(jī)的同類船舶相比，可以減少50%的二氧化碳排放量。

同公司的太陽能渡船曾經(jīng)擔(dān)任上海世博會的客渡工作，具有串聯(lián)式油電混合動力、并聯(lián)式油電混合動力等各種方式，將具有足夠容量的蓄電池、太陽能發(fā)電板和柴油發(fā)動機(jī)組合，能夠很好地執(zhí)行通勤渡船的功能。

圖6為德國建造的世界最大的太陽能游艇“Turanor”號（31米×15米×1.55米，可供6人乘坐）。該船也是利用太陽能發(fā)電來給蓄電池充電，自2010年開始航行，目標(biāo)是繞世界一周，2011年10月該船到達(dá)東南亞地區(qū)。“Turanor”號很好地展現(xiàn)了恰當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)結(jié)合大容量蓄電池，僅靠太陽能實(shí)現(xiàn)航行的可能性。

從全球發(fā)展來看，電池推進(jìn)船的研發(fā)只能說才開始起步。電池推進(jìn)船的開發(fā)，可以說是為了解決溫室氣體和沿岸海域由于船舶排放帶來的環(huán)境破壞問題的有力手段之一，但是船舶航行本身還要考慮經(jīng)濟(jì)性，不能僅考慮減小環(huán)境負(fù)荷方面的效果，應(yīng)結(jié)合經(jīng)濟(jì)性，更積極的發(fā)揮電池推進(jìn)船的優(yōu)點(diǎn)。如果能夠普及極速充電站的設(shè)置，作為短距離水上交通工具的電池推進(jìn)船將具有實(shí)用性。