新能源電力推進(jìn)對比分析

付文秀

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

從交通領(lǐng)域的能源發(fā)展趨勢來看，全球有 3個主要趨勢：電動化、低碳化以及智能化。從電動化的角度，有油電混合、蓄電池、氫能燃料電池，這3種都屬于電動化。在低碳化方面，中國選擇低碳發(fā)展、綠色節(jié)能的道路。國際航運(yùn)業(yè)是在環(huán)保方面受到嚴(yán)格監(jiān)管的行業(yè)，為了滿足環(huán)境保護(hù)的需要，各國船級社、國際化組織（如國際海事組織）及地區(qū)（如歐洲、美國）均對船舶的節(jié)能減排和能源的高效利用提出了更高的要求。鋰離子電池、燃料電池等新能源的優(yōu)勢日益凸顯。智能化其實(shí)是一個更大、更廣泛的革命，例如自動駕駛、工業(yè)4.0、智慧能源等?；诖?，各個造船大國目前都在能源的高效利用、有害氣體及污染物排放的降低、新型清潔能源的開發(fā)等方面加大了研發(fā)力度，并在一些重點(diǎn)領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，新技術(shù)的應(yīng)用取得了令人矚目的效果[1-8]。

本文探討了新能源電力推進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)，并從節(jié)能效率、安全可靠性、應(yīng)用場合、市場前景等方面，對以太陽能、蓄電池/超級電容、燃料電池等新能源為動力的電力推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了對比。本文可為業(yè)內(nèi)新能源電力推進(jìn)應(yīng)用提供參考，具有一定實(shí)用價(jià)值。

1 不同新能源形式介紹

1.1 燃料電池

20世紀(jì)40年代，英國工程師弗朗西斯·托馬斯·培根改用液體氫氧化鉀為電解液、多孔鎳作為電極，擴(kuò)大了適用催化劑種類，這種設(shè)計(jì)給燃料電池的實(shí)用化帶來了曙光。在船舶新能源應(yīng)用方面，國內(nèi)外對燃料電池電力推進(jìn)船舶的研究均進(jìn)入了疾速發(fā)展階段，但國內(nèi)還未將其應(yīng)用于商業(yè)實(shí)船，進(jìn)程落差較大。

德國于2008年制造的Alsterwasser是世界上第一艘采用燃料電池的電力推進(jìn)船舶，其儲氫方式為壓縮氫氣，是第一艘投運(yùn)的燃料電池客船。第一艘采用燃料電池并通過發(fā)電試驗(yàn)的船舶是2011年挪威建造的海洋工程供應(yīng)船—“Viking Lady”號。我國在燃料電池船舶的研究及應(yīng)用相對滯后，第一艘燃料電池船舶是2002年北京富原燃料電池公司設(shè)計(jì)開發(fā)的游艇“富原 1”號，該游艇額定功率設(shè)計(jì)為400 W，額定電壓DC 24 V，全航速約7 km/h。

燃料電池的研究難點(diǎn)主要集中在電堆電極催化劑壽命、儲氫材料的儲氫質(zhì)量密度以及電堆動力輸出特性等方面。

1.2 太陽能光伏發(fā)電

作為世界光伏第一大國，70%的產(chǎn)能都在中國，這是我國的優(yōu)勢。光伏發(fā)電系統(tǒng)是把太陽能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)[9-10]。船舶上的光伏發(fā)電系統(tǒng)是由電池板、控制器、蓄電池（組）和逆變器構(gòu)成。太陽能光伏陣列具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，這是由于其發(fā)出的電能受氣候條件和環(huán)境因素的影響。因此，當(dāng)其系統(tǒng)功率等級較高或太陽能發(fā)電和其他能源形式并網(wǎng)連接時，需設(shè)計(jì)合適的能量管理及控制策略，以優(yōu)化整個推進(jìn)系統(tǒng)的能量流，包括不同的發(fā)電及儲能系統(tǒng)。由此，在新能源利用的場合，多數(shù)涉及多能量源能量分配管理的控制過程。在充分發(fā)揮新能源優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，也要盡能兼顧降低功率損耗、保證續(xù)航等問題。

1.3 蓄電池/超級電容

蓄電池電力推進(jìn)技術(shù)在軍用領(lǐng)域較為成熟，例如常規(guī)潛艇在水面航行時，利用常規(guī)柴油機(jī)推進(jìn)；在水下作業(yè)時，則采用蓄電池電力推進(jìn)。近年來，電動船逐漸向內(nèi)河船舶進(jìn)軍，其中應(yīng)用較多的是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。在實(shí)際運(yùn)行工作中，蓄電池與電網(wǎng)之間通過雙向 DC/DC變換器裝置交換能量，雙向 DC/DC變換器的控制策略對于蓄電池的運(yùn)行性能和使用壽命至關(guān)重要，其不僅要求充放電穩(wěn)定，還需滿足快速響應(yīng)、瞬時高功率輸出、寬范圍運(yùn)行等船用要求。

不同于電解質(zhì)電容器和電池，超級電容能儲存巨大的能量。這種新型儲能元件兼具其他儲能元件的優(yōu)點(diǎn)，能在短時間內(nèi)以較大功率充/放電，其發(fā)展前景備受關(guān)注。超級電容不僅能瞬時以大電流充/放電，還可以重復(fù)使用達(dá)數(shù)十萬次，模塊化的超級電容組維護(hù)起來也更加方便。船舶制動在短時間內(nèi)回饋巨大的能量，這部分能量需要被快速轉(zhuǎn)移，因此要求儲能系統(tǒng)具有承受瞬時大功率和大電流的能力，且超級電容的特點(diǎn)滿足船舶制動要求，可配合蓄電池組吸收瞬態(tài)負(fù)載能量。

2 新能源純電力推進(jìn)及關(guān)鍵技術(shù)

典型新能源電力推進(jìn)系統(tǒng)圖如圖1所示。新能源電力推進(jìn)主要由新能源發(fā)電系統(tǒng)、DC/DC變換裝置、DC/AC逆變器、保護(hù)裝置、綜合控制系統(tǒng)（能量管理、監(jiān)測報(bào)警及控制裝置）、負(fù)載（推進(jìn)負(fù)載、直流負(fù)載等）等組成，其中較低功率的保護(hù)裝置一般由滿足選擇性的熔斷器及變頻模塊的保護(hù)裝置組成，大容量船舶直流組網(wǎng)一般采用固態(tài)開關(guān)。

圖1 新能源電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

太陽能光伏發(fā)電一般還包括蓄電池儲能。陽光充足時，由太陽能向系統(tǒng)供電，同時向作為蓄電池充一部分電；陽光不足時，由蓄電池提供整個系統(tǒng)的電源。燃料電池發(fā)電裝置需要像太陽能發(fā)電一樣，配備儲能裝置（如鋰電池），以解決整個燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與船舶運(yùn)行工況相適配的問題。蓄電池電力推進(jìn)一般包括由岸電機(jī)或充電樁組成的充電裝置以及電池能量管理系統(tǒng)。

新能源電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個方面。

1）DC/DC變換控制策略，高可靠性、模塊化、智能化變流器技術(shù)。

2）更快的開斷速度、更高的開斷容量和更高效可靠的直流斷路器以及基于故障限流的新型直流配電用保護(hù)設(shè)備。

3）能量管理及綜合控制技術(shù)。

4）智能保護(hù)技術(shù)。

5）集成設(shè)計(jì)技術(shù)。

3 不同新能源純電力推進(jìn)對比分析

3.1 效率對比（節(jié)能性）

電力推進(jìn)系統(tǒng)的效率決定于整個動力鏈路上每個設(shè)備的效率。對于直流電推而言，從發(fā)電系統(tǒng)輸出后，要經(jīng)過直流配電板、異步電動機(jī)這些環(huán)節(jié)，其中配電板的預(yù)估效率約96%，推進(jìn)電機(jī)預(yù)估效率95%，總體效率受不同能源形式效率的影響較大。

目前，主流的太陽電池是硅太陽電池，其平均效率不超過15%。新的光電技術(shù)如采用納米晶和晶體硅薄膜，則產(chǎn)能比一般光電技術(shù)高出約10%，光伏效率基本上均突破20%，下一代技術(shù)則是向突破30%進(jìn)軍。然而，太陽能電池在沒有日光時無法供電，需要與蓄電池配合，且其能量轉(zhuǎn)換效率較低。

鉛酸蓄電池的技術(shù)成熟，能量效率為70%～75%，磷酸鐵電池是最近幾年發(fā)展起來的新型電池，與傳統(tǒng)鉛酸電池相比效率高達(dá)90%。采用電池船舶電力推進(jìn)時，燃油節(jié)省率達(dá)30%。

相比之下，燃料電池的價(jià)格比蓄電池便宜，結(jié)合整個裝置系統(tǒng)的耗能等因素，燃料電池系統(tǒng)的總效率約為45%～60%。此外，燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)動部件較少，甚至可取消運(yùn)動部件，維修量小，且噪聲水平相對傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)組具有明顯優(yōu)勢。然而，從全生命周期效率來講，混合動力推進(jìn)、燃料電池推進(jìn)和蓄電池純電推進(jìn)的效率不相伯仲。

3.2 可靠性（安全性）

太陽能發(fā)電不產(chǎn)生廢棄物，是理想的綠色能源，其安全性主要體現(xiàn)在載體建筑、光伏電池、逆變設(shè)備、應(yīng)對強(qiáng)風(fēng)、防火等方面。但從運(yùn)行維護(hù)的角度而言，太陽能發(fā)電并非完全無隱患。光伏發(fā)電系統(tǒng)要嚴(yán)格按照船舶電氣的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行安裝，須有良好的接地保護(hù)等裝置，同時設(shè)計(jì)安裝時要充分考慮是否會對裝卸貨物產(chǎn)生影響等問題。

氫源是影響燃料電池發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量的主要因素。氫氣雖易燃易爆，但風(fēng)險(xiǎn)可控。高壓儲氫瓶組也是燃料電池推進(jìn)的主要安全隱患。目前，國外70 MPa儲氫瓶技術(shù)較為成熟，除了氫瓶的研發(fā)外，氫瓶的固定程度也會對氫燃料電池的安全產(chǎn)生重大影響。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，為燃料電池的安全運(yùn)行提供了有力支撐，也規(guī)范了燃料電池行業(yè)的發(fā)展。

一般條件下，磷酸鐵鋰電池在使用8年后仍然可以維持80%的存儲能力，其理論壽命大于14年。只要配以高端電池管理控制系統(tǒng)（BMS），維持正常、安全、穩(wěn)定的使用方式，杜絕過充電和過放電，并使用合格的熱管理，便可使其在電動航船生命周期里降低更換電池的幾率。經(jīng)第三方試驗(yàn)證明，磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池在規(guī)定的極端環(huán)境條件下，不會發(fā)生爆炸，且滿足船舶安全性能使用要求。

3.3 市場可行性及前景

3.3.1 光伏發(fā)電

光伏發(fā)電系統(tǒng)一次性投入大，但在實(shí)際系統(tǒng)的使用過程中可穩(wěn)定運(yùn)行，很少需要維護(hù)，且無需消耗額外燃料，符合低碳化方向，但受船舶安裝空間限制以及實(shí)際負(fù)荷計(jì)算需求，不宜在船舶上安裝過大面積的電池板。

3.3.2 蓄電池

目前，國內(nèi)外已在鋰離子電池儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)上取得了重大突破，船舶電力推進(jìn)、大功率電力并網(wǎng)等技術(shù)也相繼獲得大量研究成果。由上海船舶設(shè)備研究所總成、武漢長江船舶設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)、長航集團(tuán)綠色航運(yùn)公司提供技術(shù)支持的長江三峽通航管理局“海巡 12909”號新能源動力改造項(xiàng)目已順利完成了全部測試，為推進(jìn)我國內(nèi)河船舶綠色發(fā)展提供了樣板。第三方市場調(diào)研機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，到2024年，全球電動船舶市場的規(guī)模將達(dá)到73億美元（約合人民幣453.1億元），2016年國內(nèi)電動船的市場規(guī)模已達(dá)到56.3億，預(yù)計(jì)到2021年這個規(guī)模將擴(kuò)展到96.3億，市場前景可期。

3.3.3 燃料電池

氫能是未來在可再生能源背景下的2個主要能源載體之一，目前經(jīng)濟(jì)可行的氫源來自 1 000億度的棄風(fēng)棄光棄水，還有800萬噸的副產(chǎn)氫。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟的預(yù)計(jì)，到2030年，中國氫氣需求量將達(dá)到3 500萬噸，在中國能源體系中占比 5%。預(yù)計(jì)到 2050年，國內(nèi)氫能需求量接近6 000萬噸，可減排約7億噸二氧化碳，產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值約12萬億元。燃料電池技術(shù)也將取得革命性的突破和進(jìn)展。其中，氫能制儲、加氫基礎(chǔ)設(shè)施、燃料電池及應(yīng)用3個環(huán)節(jié)的企業(yè)占比分別為48.5%、9.7%、41.8%，尤其是在加氫站的布局上，截至2018年年底，中國已建成加氫站23座。而隨著相關(guān)政策的逐漸完善、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的逐步規(guī)范、裝備技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國將進(jìn)一步完善加氫站的建設(shè)。

目前，在各類新能源推進(jìn)方式中，燃料電池的成本較高，但未來燃料電池與混合動力、純電動相比，不會有任何成本上的劣勢，具有良好的競爭性。

3.4 亟需解決的問題

光伏發(fā)電的主要關(guān)注點(diǎn)是太陽能電池板光伏轉(zhuǎn)換效率問題以及最大功率點(diǎn)跟蹤MTTP技術(shù)。

電動船動力蓄電池存在的技術(shù)難題主要體現(xiàn)在電池能量密度、電池pack技術(shù)、循環(huán)壽命以及快速充放電等方面。同時，充電方式對蓄電池壽命的影響、深度充放電循環(huán)次數(shù)對蓄電池壽命的影響、安全的充放電控制、對蓄電池余存電量SOC的估算誤差、對蓄電池健康狀態(tài)的估值、蓄電池安全維護(hù)等問題也亟待解決。

我國氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的瓶頸如下：

1）在政策上，氫目前未作為我國能源體系的組成部分，國家層面缺乏頂層設(shè)計(jì)與戰(zhàn)略規(guī)劃；氫未作為能源被規(guī)劃布局，且國家未明確氫能歸口管理部門。

2）在標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)上，制氫、運(yùn)氫、加氫站、儲氫系統(tǒng)均有障礙與不足。氣態(tài)儲氫的密度偏低，現(xiàn)如今我國采用的是20 MPa的儲氫瓶，而國外已經(jīng)發(fā)展了 50 MPa、100 MPa的儲氫瓶，且100 MPa的儲氫瓶到加氫站直接可以對700 MPa的氫瓶進(jìn)行加注。但目前國內(nèi)還不具備該項(xiàng)技術(shù)，因此，我們需在這一方面開放創(chuàng)新、整合全球資源，建立中國相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈，這樣才有可能解決我們氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的中間瓶頸。

3.5 總體對比

總體而言，現(xiàn)階段新能源電力推進(jìn)性能對比如表1所示。

表1 3種新能源電力推進(jìn)對比

4 結(jié)論

對船東而言，燃油消耗和成本是至關(guān)重要的。新能源電力推進(jìn)能夠減少船舶排放并降低總體運(yùn)營成本。而電池船已突破關(guān)鍵技術(shù)，市場前景廣闊，在發(fā)展電池技術(shù)的同時，我們也不應(yīng)停止對其他燃料類型的研究。隨著太陽能電池、儲能電池等技術(shù)的快速發(fā)展，燃料電池已逐步退出航天和部分軍事應(yīng)用鄰域，但在民用船舶領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛開始步入巔峰，應(yīng)加大對氫燃料電池關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和投入，搶占新的市場先機(jī)。由此，本文對太陽能、蓄電池、燃料電池3種新能源電力推進(jìn)進(jìn)行對比分析，包括系統(tǒng)組成、關(guān)鍵技術(shù)、效率、安全可靠性、市場前景等，并對新能源應(yīng)用中亟需解決的問題進(jìn)行了概括，為業(yè)內(nèi)相關(guān)技術(shù)人員提供借鑒，具有一定的實(shí)用價(jià)值。