船舶混合動(dòng)力技術(shù)發(fā)展趨勢分析

郭 濤， 汪 璇， 吳 韓， 王天義

(1.上海船舶工藝研究所， 上海 200032； 2.中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司， 上海200135)

0 引 言

國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)海上環(huán)境保護(hù)委員會于2018年4月第72屆會議上形成的IMO海運(yùn)溫室氣體(Greenhouse Gas， GHG)減排初步戰(zhàn)略[1]，包括愿景、目標(biāo)、減排力度、指導(dǎo)原則、短中長期減排措施等一系列內(nèi)容，明確國際海運(yùn)業(yè)未來的綠色發(fā)展方向，促使船舶低碳技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對海洋環(huán)境保護(hù)提出更高要求。可以預(yù)測，未來海運(yùn)行業(yè)GHG減排相關(guān)措施將會出臺，并將越來越嚴(yán)格。

作為世界造船大國和航運(yùn)大國，我國積極響應(yīng)IMO的相關(guān)決議，通過一系列政策實(shí)施及專項(xiàng)行動(dòng)，推動(dòng)船舶工業(yè)的持續(xù)低碳發(fā)展。在節(jié)能減排和綠色發(fā)展的背景下，純電力推進(jìn)系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)性佳、零排放等優(yōu)點(diǎn)，成為目前船舶行業(yè)研究的熱門技術(shù)。但目前純電動(dòng)船舶受發(fā)電方式、功率密度、蓄能技術(shù)和電池容量的限制，動(dòng)力和續(xù)航能力不足，無法滿足高速遠(yuǎn)程航行的要求。而船舶混合動(dòng)力技術(shù)則能夠成為經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、安全性的最佳折中方式，緩解越來越嚴(yán)格的法規(guī)與技術(shù)發(fā)展不成熟之間的矛盾，成為船舶從傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)推進(jìn)向綠色推進(jìn)的可行性方法。

1 船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)定義與架構(gòu)

1.1 船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)的定義

混合動(dòng)力系統(tǒng)是指配備2種或2種以上動(dòng)力源作為推進(jìn)動(dòng)力的系統(tǒng)。目前，船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)主要是指通過發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)螺旋槳的動(dòng)力系統(tǒng)，且電動(dòng)機(jī)一般由發(fā)電機(jī)組、燃料電池或儲能裝置等驅(qū)動(dòng)，而儲能裝置由蓄電池和超級電容器組成。

1.2 船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)的架構(gòu)

船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)一般包括主發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)組、齒輪箱、軸帶電機(jī)、配電柜、變頻器及其控制系統(tǒng)等，其具體架構(gòu)和工作模式視實(shí)船具體情況而定，有的混合動(dòng)力系統(tǒng)還在上述基礎(chǔ)上加入儲能系統(tǒng)(電池組或超級電容組及其控制系統(tǒng))。

混合動(dòng)力船舶的運(yùn)行工作模式一般情況下有3種：動(dòng)力輸出(Power Take-off, PTO)、動(dòng)力輸入(Power Take-in, PTI)和動(dòng)力返回(Power Take-home, PTH)。PTO是指通過軸發(fā)自主獲取動(dòng)力向船舶電網(wǎng)輸出的模式，即發(fā)電機(jī)模式，這是軸發(fā)的基本工作模式。PTI是指軸發(fā)由船舶電網(wǎng)獲取動(dòng)力向主機(jī)軸輸入的模式，即電動(dòng)機(jī)模式，該模式下自電網(wǎng)獲取的動(dòng)力將用于船舶推進(jìn)。PTH是PTI的一種特殊形式，該模式下主機(jī)處于故障或失效狀態(tài)，軸發(fā)代替主機(jī)推進(jìn)，由于軸發(fā)通常功率較小，因此該模式下推進(jìn)動(dòng)力不足以保證船舶按正常速度航行，只能維持船舶緩慢回岸[2]。

加入儲能系統(tǒng)的混合動(dòng)力船舶，可以通過電能管理系統(tǒng)，在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，利用儲能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)吸收船舶運(yùn)行過程中突變的能量，以保證主機(jī)和發(fā)電機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行；還可以通過電能管理系統(tǒng)的控制，由儲能系統(tǒng)向軸發(fā)電機(jī)提供能量，以協(xié)助主機(jī)推進(jìn)。

2 船舶混合動(dòng)力技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國外船舶混合動(dòng)力技術(shù)應(yīng)用情況

目前，全球有數(shù)十艘已運(yùn)營及在建的混合動(dòng)力船舶，其中最為成熟的是油電混合動(dòng)力系統(tǒng)，已成功投入運(yùn)營的混合動(dòng)力船舶主要有拖船、渡船、游艇等類型。

2.1.1 混合動(dòng)力豪華游艇薩凡納號

2015年2月，薩凡納號在荷蘭Feadship造船廠交付，這是當(dāng)年世界上著名的混合動(dòng)力豪華游艇，其采用單柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、3臺發(fā)電機(jī)組、儲能電池組和先進(jìn)的機(jī)電式推進(jìn)平臺。該艇全長83.50 m，艇寬12.50 m，滿載吃水3.95 m。

薩凡納號的動(dòng)力系統(tǒng)安裝有1臺瓦錫蘭9L20柴油機(jī)、1套卡特彼勒C32型柴油發(fā)電機(jī)組和2套卡特彼勒C18型柴油發(fā)電機(jī)組，并配有1 MW·h鋰離子電池組[3]。該艇的動(dòng)力系統(tǒng)可以任意切換3種運(yùn)行模式，即全柴油動(dòng)力、柴油電力混合動(dòng)力和全電力動(dòng)力；電池組的靈活運(yùn)用，不僅在急速時(shí)能夠提供額外的動(dòng)力支持，而且在任何速度下可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的準(zhǔn)確加載及在游艇低速游弋時(shí)的超靜音。該艇的動(dòng)力系統(tǒng)具有靈活的操控性能，通過適時(shí)的模式切換，其燃油經(jīng)濟(jì)性可提升約30%。

2.1.2 混合電力渡船特勒斯號

2019年7月，由愛沙尼亞Baltic Workboats船廠承建的瑞典著名的混合電力推進(jìn)汽車渡船特勒斯號交付瑞典運(yùn)輸管理局。該船長100.00 m，能夠搭載約297名乘客和80輛汽車，服務(wù)于連接鳥德瓦拉港和呂瑟希爾港的1.80 km航線上。

特勒斯號配有2臺電力驅(qū)動(dòng)的吊艙推進(jìn)裝置，分別位于該船的艏艉。其推進(jìn)主要采用全電動(dòng)模式，電力推進(jìn)系統(tǒng)配置有4臺Volvo Penta D16 MH發(fā)動(dòng)機(jī)、2套帶永磁電機(jī)和發(fā)電機(jī)組的混合電力傳動(dòng)裝置及1套Corvus Energy公司電池組(總?cè)萘繛?49 kW·h)。

特勒斯號推進(jìn)裝置的動(dòng)力可以來自電池組，也可以來自船上的4臺Volvo Penta D16 MH發(fā)動(dòng)機(jī)，這些發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)永磁輔助式同步磁阻電機(jī)，可以單獨(dú)或全部并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，以優(yōu)化燃料消耗和污染排放。特勒斯號雖然配備4臺發(fā)動(dòng)機(jī)，但常常只需要1臺發(fā)動(dòng)機(jī)為航行提供動(dòng)力，其他3臺發(fā)動(dòng)機(jī)是備用的，只在惡劣天氣和冰環(huán)境下才會使用。船上的電池組通常在夜間通過岸上充電站進(jìn)行充電，也可以在渡船運(yùn)行時(shí)通過船上的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行充電，并且Volvo Penta發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)可使用氫化植物油(Hydrogenated Vegetable Oil, HVO)燃料，這意味著可以將污染排放量減少到幾乎為零的狀態(tài)。

2.2 國內(nèi)船舶混合動(dòng)力技術(shù)應(yīng)用情況

同國外相比，國內(nèi)船舶混合動(dòng)力技術(shù)發(fā)展還處于起步階段，研究成果主要應(yīng)用于內(nèi)河或近海小型船舶。

2.2.1 5 000 噸級混合動(dòng)力公務(wù)船

5 000 噸級混合動(dòng)力公務(wù)船是國內(nèi)較早率先采用油電混合動(dòng)力系統(tǒng)推進(jìn)的公務(wù)船。該類船的推進(jìn)系統(tǒng)為雙機(jī)雙槳形式，配置2臺主機(jī)、2臺齒輪箱、2套軸帶電機(jī)PTO/PTI系統(tǒng)、2套軸系、2只可調(diào)槳及1套主推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)等，如圖1所示。

圖1 5 000 噸級混合動(dòng)力公務(wù)船推進(jìn)系統(tǒng)示例

該類船在工作中會有追趕違法船只等工況，該狀況下對船速要求較高，所以其裝機(jī)功率要求也較大，但在常規(guī)巡航情況下又往往保持在低速狀態(tài)，此時(shí)若雙主機(jī)同時(shí)運(yùn)行則負(fù)荷處于較低狀態(tài)，油耗較高并且排放較差。

2.2.2 混合動(dòng)力游船寰島云帆號

2018年7月，入級中國船級社的混合動(dòng)力游船寰島云帆號在太湖通過試航。該船為鋼質(zhì)雙體結(jié)構(gòu)，總長22.51 m，型寬9.00 m，型深2.45 m，最大航速9.30 kn，載客80人。

為滿足抗臺風(fēng)時(shí)需要足夠的自持力持續(xù)航行至避風(fēng)港、在異地避風(fēng)期間不能停靠碼頭充電等特殊需求，寰島云帆號采用柴油發(fā)電機(jī)組+電池組供電的混合動(dòng)力形式，具有純電池動(dòng)力、油電動(dòng)力和純電池/油電混合動(dòng)力等3種運(yùn)行模式，可滿足全年所有工況的使用要求。同時(shí)，在混合動(dòng)力模式下，系統(tǒng)根據(jù)全船實(shí)時(shí)負(fù)載大小調(diào)整供電方式，通過優(yōu)化的動(dòng)力管理策略，使整船動(dòng)力系統(tǒng)理論綜合節(jié)油效果達(dá)20%以上。

3 混合動(dòng)力技術(shù)發(fā)展展望

廣義上的船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)是指由太陽能、風(fēng)能、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、氣體發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、儲能裝置等多種動(dòng)力源形式相互合理組合提供推進(jìn)動(dòng)力的船舶動(dòng)力系統(tǒng)。

太陽能屬于清潔能源，然而太陽能光電轉(zhuǎn)化率只有10%左右，并且需要很大的光照面積，加上光照情況不穩(wěn)定及初期投資成本高等因素限制，太陽能在船上只能用于輔助動(dòng)力。風(fēng)能也屬于清潔能源，但風(fēng)帆船穩(wěn)性較差，安全不能完全保障，并且對于中大型船來說風(fēng)能動(dòng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，所以風(fēng)能也只能用于輔助動(dòng)力，并且目前市場上也較少看到。

柴油機(jī)作為傳統(tǒng)的船舶動(dòng)力推進(jìn)形式，已發(fā)展得非常成熟。與柴油機(jī)相比，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在排放性能上更具優(yōu)勢，近年也得到快速的發(fā)展。燃油與天然氣作為目前船舶動(dòng)力的主要來源，在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)不會改變。

目前，船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)中受到廣泛關(guān)注的組合方式有油電混合動(dòng)力系統(tǒng)、氣電混合動(dòng)力系統(tǒng)及油電混合+儲能裝置混合動(dòng)力系統(tǒng)等。

3.1 油電混合動(dòng)力系統(tǒng)

油電混合動(dòng)力系統(tǒng)是指將燃油與電力進(jìn)行有效結(jié)合，根據(jù)不同工況、不同需求切換驅(qū)動(dòng)模式的動(dòng)力系統(tǒng)，通過兩種動(dòng)力的適時(shí)調(diào)節(jié)，完成船舶驅(qū)動(dòng)的目的。油電混合動(dòng)力技術(shù)是目前船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)中運(yùn)用最為廣泛的一種組合方式。

油電混合動(dòng)力系統(tǒng)推進(jìn)工作模式與純柴油機(jī)推進(jìn)相比，具有下列技術(shù)特點(diǎn)：

(1) 經(jīng)濟(jì)性。在船舶的實(shí)際運(yùn)行中，可以根據(jù)船舶工況適時(shí)調(diào)整運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)船舶多工況優(yōu)化匹配，提升動(dòng)力系統(tǒng)綜合能效。

(2) 機(jī)動(dòng)性。根據(jù)船舶航速需求，柴油機(jī)可單獨(dú)推進(jìn)，也可并入電機(jī)實(shí)現(xiàn)并車推進(jìn)，有效提升船舶動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性能。

(3) 安全性。常規(guī)推進(jìn)與電力推進(jìn)可單獨(dú)運(yùn)行，也可獨(dú)立運(yùn)行，在主機(jī)故障時(shí)可采用PTH模式，有效提高動(dòng)力系統(tǒng)的冗余性和安全性。

(4) 環(huán)保性。在低速狀態(tài)下電機(jī)推進(jìn)，可減少主機(jī)在低效率區(qū)工作時(shí)間，有效減少污染物排放。

油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)勢突顯，其適用的船型不斷增多，包括工程船、拖船、化學(xué)品船、公務(wù)船等均可采用油電混合動(dòng)力系統(tǒng)。

3.2 氣電混合動(dòng)力系統(tǒng)

氣電混合動(dòng)力系統(tǒng)是指將氣體燃料(如天然氣等)與電力進(jìn)行有效結(jié)合，根據(jù)不同工況、不同需求切換驅(qū)動(dòng)模式的動(dòng)力系統(tǒng)，通過兩種動(dòng)力的適時(shí)調(diào)節(jié)，完成船舶驅(qū)動(dòng)的目的。

氣電混合動(dòng)力系統(tǒng)具有下列技術(shù)特點(diǎn)：

(1) 經(jīng)濟(jì)性。配備氣電混合推進(jìn)系統(tǒng)的船舶，發(fā)動(dòng)機(jī)能長期在最低燃?xì)夂穆蕰r(shí)的額定工況下穩(wěn)定運(yùn)行。船舶靠岸時(shí)可接岸電給蓄電池充電，蓄電池的電量可提供一定續(xù)航力，減少一定的運(yùn)營成本[4]。

(2) 機(jī)動(dòng)性。根據(jù)船舶航速需求，天然氣發(fā)電機(jī)組可單獨(dú)推進(jìn)，也可并入電池組實(shí)現(xiàn)并車推進(jìn)，有效提升船舶動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性能。

(3) 安全性。2臺天然氣發(fā)電機(jī)組可同時(shí)或單獨(dú)運(yùn)行，并且電池組也可單獨(dú)滿足船舶短距離航行，有效提高動(dòng)力系統(tǒng)的冗余性和安全性。

(4) 環(huán)保性。天然氣與燃油相比，污染物的排放已經(jīng)大量減少。船舶過閘或短期航行時(shí)，可由電池組提供動(dòng)力，減少大氣污染物排放。

隨著液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)在船舶航行中的大量應(yīng)用，氣電混合動(dòng)力技術(shù)具有更明顯的優(yōu)勢。采用氣電混合動(dòng)力系統(tǒng)不僅可以解決發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放帶來的污染問題及純氣體動(dòng)力系統(tǒng)的一些問題，而且可以解決以蓄電池作為動(dòng)力的純電動(dòng)船舶續(xù)航力短的問題。氣電混合動(dòng)力系統(tǒng)必將應(yīng)用到更多船型中，進(jìn)一步由內(nèi)河船舶向海洋船舶發(fā)展。

3.3 油電混合+儲能裝置混合動(dòng)力系統(tǒng)

油電混合+儲能裝置混合動(dòng)力系統(tǒng)是指在油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入儲能裝置，有效平衡各推進(jìn)狀態(tài)的能量流動(dòng)，通過多動(dòng)力的適時(shí)調(diào)節(jié)，完成船舶驅(qū)動(dòng)的目的。

油電混合+儲能裝置混合動(dòng)力系統(tǒng)具備油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，同時(shí)引入的儲能裝置可在主機(jī)動(dòng)力富余時(shí)有效吸收能量，并在需要PTO時(shí)與主機(jī)并車推進(jìn)或單獨(dú)推進(jìn)，進(jìn)一步優(yōu)化能量管理，在機(jī)動(dòng)性與安全性方面更具優(yōu)勢。

隨著儲能技術(shù)的日趨成熟，生產(chǎn)成本降低，能量密度增大，儲能技術(shù)將會越來越多地應(yīng)用到船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)中[5]。同時(shí)，與儲能技術(shù)相匹配的充電技術(shù)將得到進(jìn)一步的研究和發(fā)展，船舶智能化和自動(dòng)化程度將進(jìn)一步提高。并且，儲能系統(tǒng)的發(fā)展將會使混合動(dòng)力技術(shù)由小型船舶應(yīng)用向中大型船舶應(yīng)用邁進(jìn)，進(jìn)一步擴(kuò)大混合動(dòng)力技術(shù)的船型覆蓋應(yīng)用范圍。

4 結(jié) 論

隨著全球經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，船舶GHG排放對環(huán)境的影響日益嚴(yán)重，IMO加大海運(yùn)GHG減排管控力度。在這樣的大背景下，與傳統(tǒng)動(dòng)力推進(jìn)船舶相比，混合動(dòng)力技術(shù)節(jié)能減排的優(yōu)勢將越來越顯著。隨著國內(nèi)外對船舶排放要求的日益嚴(yán)格，LNG燃料作為排放優(yōu)質(zhì)能源會越來越多地應(yīng)用到船舶動(dòng)力系統(tǒng)中，伴隨著相關(guān)配套設(shè)施的日益完善，氣電混合動(dòng)力系統(tǒng)將會是今后的主要發(fā)展方向。并且，儲能技術(shù)將會越來越多地應(yīng)用到船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)中，油電混合+儲能裝置混合動(dòng)力系統(tǒng)將會在更多的船型中得到應(yīng)用，這也是未來船舶技術(shù)革新的突破方向。