淺析純電動海巡艇的應(yīng)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(yōu)點，在石油資源不斷消耗、環(huán)境問題日益突出的大背景下，大力發(fā)展純電動船勢在必行。隨著電池技術(shù)的不斷突破發(fā)展，作為綠色新能源船舶，純電動海巡艇在海事監(jiān)管中將有著廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：電動船舶;鋰電池;環(huán)保;節(jié)能;海巡艇;公務(wù)船

中圖分類號：F426.474 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

2020年長江干線船舶平均噸位已達(dá)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(nèi)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(fā)動機驅(qū)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(tài)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(zhì)。氮氧化物和VOC（VOC物質(zhì)是指易揮發(fā)的有機物質(zhì)）會產(chǎn)生臭氧，氮氧化物和硫氧化物會產(chǎn)生二次顆粒物，導(dǎo)致灰霾天、酸雨以及水體富營養(yǎng)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(wù)院發(fā)布的《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》指出，要繼續(xù)推進(jìn)電能替代燃煤和燃油，要全面實施新生產(chǎn)船舶發(fā)動機第一階段排放標(biāo)準(zhǔn)。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(fā)布的《船舶排放控制區(qū)調(diào)整方案》要求，對全國沿海及長江干線通航水域進(jìn)行排放控制，自2020年1月1日起，船舶在沿?？刂茀^(qū)內(nèi)航行應(yīng)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(nèi)河控制區(qū)應(yīng)按照《大氣污染防治法》要求使用合規(guī)燃油，船舶可采用尾氣后處理、清潔能源、岸電等替代措施。節(jié)能減排政策正在倒逼長江航運船舶綠色轉(zhuǎn)型。

作為長江水上安全監(jiān)管部門，長江海事局應(yīng)該積極響應(yīng)長江大保護(hù)要求，從海事巡邏船著手，大力發(fā)展電動海巡艇，用以替代傳統(tǒng)柴油機海巡艇。

1 純電動船應(yīng)用現(xiàn)狀分析

新能源純電動船對于環(huán)境保護(hù)零污染、零排放要求有顯著的效果，但就目前，我國尚處于發(fā)展起步階段。近年來，在國家政策扶持引導(dǎo)和新能源汽車產(chǎn)業(yè)的帶動下，我國鋰離子動力電池技術(shù)水平大幅度提升，成本明顯下降，具備了支撐電動船應(yīng)用推廣的良好基礎(chǔ)。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(yè)也紛紛涌入電動船市場，為我國電動船產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新鮮活力。首批新能源純電動船在2013年投入使用，經(jīng)過多年研究和試點應(yīng)用，純電動船舶技術(shù)逐步成熟，呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢，應(yīng)用場景不斷擴大。

根據(jù)克拉克松研究的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全球營運中和擬建造電動船舶數(shù)量為155艘，包括營運中船舶75艘，擬建造船舶80艘。

我國當(dāng)前純電動船舶在船型方面已有旅游船、渡船、公務(wù)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(dá)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(dá)到7.5 MWh（7 500 kWh）。

以中國船舶工業(yè)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(dá)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(dá)12.8公里/小時，續(xù)航可達(dá)80公里，可以滿足短途內(nèi)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(fā)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(tǒng)提供推進(jìn)原動力，電動機進(jìn)行驅(qū)動。經(jīng)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(xiàn)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(fēng)浪性能優(yōu)越，興波與尾浪小，最高時速可達(dá)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(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)上已經(jīng)取得了重大突破，但基于岸電設(shè)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(fā)展仍然不足。以我國內(nèi)河的純電動船舶應(yīng)用為例，我國內(nèi)河船舶約有13萬艘，僅長江和京杭運河的船舶總數(shù)超過6萬艘，但目前已建造的內(nèi)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(jìn)方式

純電動船舶的推進(jìn)方式是采用蓄電池驅(qū)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(jìn)系統(tǒng)有可控硅整流器+直流電動機、可調(diào)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(jìn)行推進(jìn)。其驅(qū)動方式是采用CYCLO變頻器，通過控制可控的橋式反并聯(lián)晶閘管，選擇交流電源的不同相位區(qū)間向交流同步電機提供交流電。其特點是：起動平穩(wěn)，起動電流可從零起逐漸加大，轉(zhuǎn)矩脈動平滑;功率及轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快，一般小于100毫秒;系統(tǒng)功率因數(shù)由電機電壓決定，通?？蛇_(dá)0.76;滿負(fù)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(qū)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(fù)極是碳素材料，正極是含鋰的過渡金屬化合物，電解質(zhì)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(jīng)過電解質(zhì)運嵌入電池的碳材料負(fù)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(xué)反應(yīng)式為：

正極 LiCoO2→Li1-xCoO2+xLi++xe-

負(fù)極6C+xLi++xe-→LixC6

總反應(yīng)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(zhì)溶液及隔膜進(jìn)入到負(fù)極中;放電時，鋰離子從負(fù)極脫出，通過電解質(zhì)溶液及隔膜，進(jìn)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(fù)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(jiān)管中的應(yīng)用

3.1 純電動海巡艇的應(yīng)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(qū)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(xù)航力4～6小時。

2020年1月，長江上首艘通過CCS系統(tǒng)認(rèn)證的18 m級純電力推進(jìn)航道維護(hù)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?cè)萘? 300 kWh，最高航速21.5公里，全速續(xù)航5小時，快只需4小時，續(xù)航130公里，除此之外，該船采用磷酸鐵鋰電池電源驅(qū)動、雙全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)，配置了多種防污染措施。

深圳海事局首艘可用純電力推進(jìn)，在海上危險氣體區(qū)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(fā)電機組加鋰電池的混合電力推進(jìn)模式，設(shè)計航速不小于18節(jié)，續(xù)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(tǒng)、防爆雷達(dá)和DP1定位等先進(jìn)技術(shù)與設(shè)備。

3.2 純電動海巡艇優(yōu)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(tǒng)等組成，電力推進(jìn)方式以其環(huán)保、節(jié)能的技術(shù)優(yōu)勢提供了高品質(zhì)船舶的應(yīng)用途徑。

（1）環(huán)境優(yōu)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(chǎn)生船舶尾氣，節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢明顯。

（2）經(jīng)濟優(yōu)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(xiàn)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?cè)萘繛? 290 kWh的17 m玻璃鋼海巡艇為例，其續(xù)航為6小時，目前各執(zhí)法大隊躉船均配有岸電設(shè)施，純電動海巡艇可直接在躉船上進(jìn)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(xiàn)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(tǒng)對單一故障的抵抗性，有效降低了維修保養(yǎng)成本。

（3）性能優(yōu)勢：電力推進(jìn)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(jìn)從全速到停止所需時間是電力推進(jìn)的2.8倍，從零航速至全速所需時間是電力推進(jìn)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(huán)境更加舒適。原動機和螺旋槳系柔性連接，使得螺旋槳的轉(zhuǎn)速不受原動機轉(zhuǎn)速的限制，彼此都可以工作在最佳狀態(tài)，從而推進(jìn)系統(tǒng)有較大的能量效率。

4 結(jié)束語

通過以上分析，純電動海巡艇由于性能優(yōu)越，綠色環(huán)保、經(jīng)濟優(yōu)勢明顯，已逐步應(yīng)用在海事、航道等部門，未來隨著電動船舶的進(jìn)一步發(fā)展優(yōu)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(jiān)管中將有廣闊的應(yīng)用前景。

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