为什么未来船舶将采用电力驱动

一艘邮轮静静地漂浮在深蓝色的水面上,四周环绕着巨大的悬崖和瀑布。这是挪威的峡湾,在这里世界似乎是静止不动的。但宁静不过是一种幻觉而已:当柴油引擎启动,邮轮开始移动,发出巨大的声音。船舶产生的噪音破坏了田园诗般的宁静,并且船舶还将产生同时排出大量废气被船舶排出。

接连数日,废气都会郁积在高山之间,影响着当地居民的身体健康。因此,挪威政府希望尽快将来自峡湾的排污船全部替换为环保型号,如使用电驱系统的型号等。很快,电动船舶将安静且无排放地驶过白雪皑皑的群山。

除了挪威,更多地方开始反对使用传统船舶驱动系统。据国际海事组织统计,海运产生的温室气体排放量占全球总量的近2.5%,达到每年10亿吨二氧化碳排放。这将对在汉堡和鹿特丹等海港的居住者造成极大影响,配备电动或混合动力驱动系统的船舶或许可以解决这个问题。但这场革命真的能成功吗?

为什么船舶将变为电力驱动?

据联合国贸易和发展会议报道,世界上约80%的商品采用船舶运输。到2022年,跨洋运输将继续以每年3.8%的速度增长。然而,船舶会产生大量废气,如硫氧化物、氮氧化物、烟尘颗粒和细尘,以及二氧化碳(CO2)等。IDTechEx One的市场调研员计算出,一艘大船的二氧化碳排放量相当于7万辆汽车的排放量,氮氧化物排放量相当于200万辆汽车的排放量,细尘和致癌颗粒物排放量相当于250万辆汽车的排放量。船舶排放的氮氧化物占全球总排放量的15%。因此,船舶是海港最严重的污染源之一。

大多数货柜船、邮轮、油轮和货轮都以重柴油为燃料,并且消耗量巨大:全球9万艘船舶每年总共消耗3.7亿吨燃料,产生2000万吨氧化硫。在内河航运中,则使用柴油燃料,其燃烧时产生的危害相比重油较小,排放的有害氮氧化物也较少。废气大量排放将对环境造成灾难性后果。世界气候正在发生变化,海洋正在酸化。此外,废气还引发许多健康风险,包括儿童哮喘、夭折等。

若我们像过去那样继续使用传统能源,情况将继续恶化。到2050年,空气污染程度可能比现在严重至少50%,或更糟,达到250%。一项欧盟议会的研究假设显示,到2050年,全球近五分之一的二氧化碳排放量将来自海上交通。这使“巴黎气候协议”的目标摇摇欲坠,该协议规定将全球平均温度的升高控制在远低于工业化前水平2°C以下。

如何减少排放

2018年4月,国际海事组织决定大幅减少排放。联合国组织的173个成员国希望能够在2050年前将船舶的二氧化碳排放量至少降低至2008年的一半。自2018年3月起,所有船舶的燃料消耗量以及由此产生的尾气排放都必须加以记录。从2020年起,只能使用含硫量不超过0.5%的燃料,目前的限值是这个数字的7倍。

若想要实现这一远大目标,就需要改变思维方式。那么究竟可以通过哪些方案来实现减排呢?当下存在许多解决方案:例如,船舶可以通过安装催化转化器将有害的氮氧化物分离成氮和氧,其原理类似于汽车尾气的处理以及通过烟尘过滤器过滤颗粒物。或者,船只可以将污染严重的重油替换为船用柴油。船用柴油含硫量更少但价格高昂。而这两种方案都存在同样的缺点:它们都以消耗化石燃料的内燃机为基础。但照目前的消耗速度,生产柴油的矿物油在50年内就会消耗殆尽。

所以使用液化天然气( LNG)、氢气或电能等其他能源是更高效、更清洁的选择。在陆地和空中交通中,电力驱动系统可持续性更高。在许多情况下,可以将更加环保的石油替代品应用于内河航运以及未来的远洋船舶。电池供电驱动相比石油,尤其是船用柴油而言更加经济,尤其是。因此据IDTechEx预测,全电动和混合动力船舶的全球销量未来将增长。到2027年,这一数字可能达到200亿美元。

船舶已“半电动”驱动已实行多年

几千年来,船舶是靠风力驱动,从19世纪初开始,逐渐被发动机驱动取代。到了20世纪,随着蒸汽机和涡轮机的发明,各种形式的柴油机被投入使用开始消耗柴油、重油、瓦斯油等化石燃料。一般这种类型的驱动系统都是机械式的:柴油机驱动机轴,传动到船舶的螺旋桨。发动机或发电机还要负责为船上的所有电气系统供电。

实际上多年以来,许多船舶已经部分实现了电气化:80%的远洋船舶现在使用柴油电力传动系统,依靠柴油发电机发电驱动电动发动机,同时带动船舶的螺旋桨。这种模式的优势在于:可节省5%到20%的燃料;电机由较少的部件组成,较不容易出现故障,磨损也更少。以此达到减少能源损失和提高效率的目的。但这不是完全的混合驱动系统,混合驱动系统是可供船舶在柴油发动机没有运转的情况下使用船载电池能源,并至少可航行一段时间的系统。在未来,电动发动机也可以通过其他方式供应能量,如通过可充电电池、液化天然气(LNG)或太阳能等。

第一批电动船舶

第一批电动船舶

1839年,第一艘电动船在俄罗斯的圣彼得堡运河上进行了测试。紧随其后的是1886年的“Elektra”,这是一艘来自“Siemens & Halske”公司 的测试船。德国柏林市针对当地公共交通对其进行了测试。这艘船可容纳25名乘客,沿着施普雷河以14公里/小时的速度航行。但这项技术还不够成熟,当时的电池也太重,没有进一步发展。25年后,电动船“Akkumulator”号航行于德国巴伐利亚州的国王湖(Königsee)。这艘船也是“Siemens & Halske”公司 建造的。这艘船最多可载38人,使用充满电的铅蓄电池可行驶100公里。电动游船是可以在湖面上航行的,这个概念得到了肯定。1908年至1945年,电动渡轮“哥德堡·尼德多伦多夫“号在德国莱茵河上航行;在瑞典,“Hamnfärjan”渡轮于1913年投入运营,使用电驱动系统在”Marstrand“岛和”Koön“岛之间航行。

电动船舶是如何工作的?

从内燃机发展到无排放驱动系统涉及多种技术。与乘用车、商用车飞机一样,混合动力技术是一种临时解决方案,适用于那些仍难以实施纯电动驱动系统的型号。

哪些技术已可供使用?

    • 柴油电力驱动:柴油发电机发电,电力驱动电动发动机,从而带动船舶的螺旋桨。
    • 混合动力驱动:除装配内燃机外,船上还装有电池。一方面,当需要功率峰值时,电池可以在短时间内接通。另一方面,它们可以存储多余的能量,如来自柴油发电机的能量。这使得船舶可以在一段时间内只使用电力航行。
    • 全电动驱动:船上不装配内燃机,所有能量都来自电池。

一些内河船只,主要是渡轮和游船已经开始仅使用电力驱动。这类船只它们航行距离较短,因此可以使用较小的电池。多家造船公司也在计划建造混合动力邮轮。但对于航行在远洋上的大型货船来说,实现电力驱动还有很长的路要走。电池仍然不够高效,而且对于远洋长途航行的船舶来说过于沉重。

充电电池的持续发展

为了让船舶搭载电力驱动系统“物有所值”,电池必须变得更加高效。这方面的研究正在进行中,凭借“SAVe Energy”,”Rolls-Royce“公司开发了一种新型电池系统为船舶供电,并计划于2019年投放市场。该公司自2010年以来一直在开发和生产储能系统,但电池一直来自外部供应商。据称其液冷系统SAVe Energy效率且并灵活,可以用于全电动或混合动力船舶,比如渡轮、游轮和货轮。该系统搭载液化气或柴油发动机,为其提供支持、减少排放。作为起点,SAVe Energy将交付给挪威船舶公司”Prestfjord“。”Rolls-Royce“公司预计其销量将会大幅增长,仅2019年一年,船舶公司就会安装比此前8年更多的电池。

替代驱动技术

目前还有其他环保的柴油替代品,如液化天然气(LNG)——燃烧时排放的污染物和二氧化碳更少。但液化天然气也有一些缺点。一方面,必须在港口和船上开发合适的基础设施。另一方面,天然气也是一种化石燃料,因此并非无限可用。此外,天然气有可能在生产和上船使用环节之间逸出,造成甲烷泄漏。德国自然与生物多样性保护联盟(NABU)表示,甲烷对气候的影响是二氧化碳的25倍,对温室效应的影响很大。目前,5万艘远洋船舶中约有200艘使用液化天然气或正准备投入使用。2018年底,爱达邮轮公司(Aida Cruises)的“Aida Nova“号将成为第一艘使用液化天然气航行的游轮。一些其他船舶公司也在计划为邮轮搭载液化天然气驱动系统。总部位于美国的皇家加勒比游轮公司未来计划为两艘游轮配备燃料电池,燃烧液化天然气作为燃料。

技术集团ABB和燃料电池生产商巴拉德(Ballard)也为燃料电池提供支持。它们提供了一种替代方案,即清洁的驱动系统,可将化学能转化为电能,并使用这些能量驱动电动发动机。过程中不发生燃烧,也不排出废气。ABB和巴拉德希望使现有技术也适用于大型船舶。该系统可提供3兆瓦电能和4000马力功率,却比内燃机体积要小。公司表示会先着手于大型客轮,但该项目目前还没有确定的时间表。巴拉德还有更多计划,如自2021年起,使世界上第一艘氢动力海运渡轮“ HySeas III”号搭载加拿大生产商生产的燃料电池航行在两个苏格兰岛屿之间。

太阳能船也在水面上航行:双体船“SolarWave”和“TûranorPlanetSolar”从船上的光伏电池获得能量。2012年,“Tûranor PlanetSolar” 成为是第一艘完成环球航行的太阳能船,该次环球之旅耗时585天。

主要挑战

阻碍更多电动船舶投入使用的一项主要挑战是提高储能电池的效率。储存电能的电池必须更加高效。迄今为止,电池能储存的能量密度仍然太低,这意味着它们无法储存与其大小和重量相关量的足够电能。大型远洋船舶必须在一次充电的情况下行驶很远的距离,所需电池通常太大、太重。

此外,港口还需要合适的充电基础设施。这已经成为岸上电力的一个问题,因为游轮在停靠时需要持续供电以确保其承载的旅宿运营。通常情况下,游轮通过电机和辅助动力装置发电并排放污染物。直接在港口购买电力会更加环保,然而这样的岸电设施仍然太少,港口必须投入大量资金用于充电设备。另外,对许多航运公司来说,这种电池价格过于高昂,据德国海事技术和运输系统开发中心DST称,电池是电动船舶上最昂贵的组件。

尽管如此,渡轮和内河船只却有使用电力驱动系统的可能性。它们停靠频繁,可在此期间更换容器中的电池或在每次停靠时短暂充电,可在夜间完成彻底充电。

正在使用中的电动和混合动力船舶

几艘混合动力和全电动船舶已经投入使用。它们在哪里,已能行驶多远?

渡轮和游轮采用混合动力技术

德国和丹麦之间航行的四艘渡轮已经采用混合动力技术,被称为飞鸟航线,其渡轮驱动系统将内燃机和电驱动系统结合在了一起。据航运公司称,这种系统可以减排的二氧化碳高达15%。挪威纳柔依峡湾的“峡湾愿景”号也是一艘混合动力船,该船驱动系统的电力来自柴油发电机和其容量为600千瓦时的电池。当船舶使用来自柴油发动机的剩余能量行驶时,电池充电,而当船靠岸时则使用清洁的水电。这艘船靠电池的电力可以航行三个小时。

挪威船舶公司“Hurtigruten”的考察船“ MS Roald Amundsen”号将于2019年作为第一艘搭载混合动力驱动装置的考察船下水。锂离子电池将使该船能够用电力航行至少30分钟。对乘客来说,其好处是他们可以在完全安静的情况下沿挪威海岸行驶,然后沿南极洲的冰山穿行,不排放任何废气。

全电动渡轮和集装箱船

到目前为止,全靠电力航行的主要是内河航道上的渡船和小型客轮。它们只航行很短的距离并经常靠岸。因此船上的储能装置可以更早得到充电。在挪威,世界上第一艘汽车渡轮自2015年以来一直在定期运营。这艘80米长的安培号每天往返于拉维克(Lavik)和欧泊戴尔(Oppedal) 之间的索涅峡湾34次,每次航行六公里,无声无息,没有废气排放。该艘渡轮由西门子与挪威船舶制造商Fjellstrand共同开发。船上和两边港岸都装有锂离子电池套件,每个套件都拥有1600块汽车电池的容量。每隔10分钟,渡轮的电池会进行短暂充电,并在夜间完成彻底充电。电力来自水力发电厂。尽管其电池重达11吨,得益于其轻巧的铝制设计,安培号的重量只有传统汽车渡轮的一半,每年可节省100万升柴油,运营成本降低约80%,且二氧化碳排放量仅为传统渡轮排放量的5%。

德国的摩泽尔河上自2018年春季开始运行着一艘全电动渡轮——“Sankta Maria II”号,它可运载45名乘客和6辆汽车。它的一部分电力储存在两个总容量为252千瓦时的电池块中,来自15个太阳能模块发电。,可供渡轮航行6.5小时。电动轮渡在其他河流上也有出没。在德国威滕的鲁尔河上,有两艘电动船在使用中;在柏林,四艘太阳能轮渡法尔巴( FahrBar)1号至4号自2014年以来一直在施普雷河上航行。阿姆斯特丹有意于2025年达成禁止所有来自城市运河的柴油动力客船和渡轮的措施。

中国拥有第一艘全电动集装箱船,最初在中国南方的珠江试航。这艘船单次只能航行80公里,因此计划只在内河航道上使用。船上装配的1000个锂离子电池重26吨,容量达到2400千瓦时。挪威还在研制一种电动集装箱船,自2020年起,“Birkeland”公司将用船把化学品和化肥从制造商“Yara”的工厂运往布里维克(Brevik)的港口。该公司目前使用卡车来完成这项工作,每年需要发送约4万趟车次,而使用船只将一次装配120个集装箱。

荷兰公司Port-Liner也在建造全电动货船并将投放至内河航道航行,其中包括前往鹿特丹港的航程。该船电池充一次电可供续航34个小时。电池装在容器中,只需在港口进行更换,这意味着它们不必即刻进行充电。 Port-Liner公司计划在未来几年为荷兰和比利时生产15艘电动船。

采用电动驱动穿越挪威

采用电动驱动穿越挪威

挪威在陆上、空中和水上都是电动交通的先驱。2015年,挪威的第一艘电动渡轮就开始了定期运营; 2018年年中,挪威政府通过了一项法律,宣布从2026年起只有配备混合动力或电池供电系统的渡轮和船只才能在本国的峡湾航行。这给运营商带来诸多挑战,例如如何安排每年有30万游客搭载邮轮参观著名的盖朗厄尔峡湾。

但挪威有出色的电动航运计划: “Ulstein”造船厂正为“Color Line”航运公司建造世界上最大的混合动力客轮。这艘船可搭载多达2000名乘客,将在挪威南部航行。每当驶近Sandefjord的港口,该船就将关闭柴油发动机。这艘船用电可以航行一小时。 Hurtigruten与Rolls-Royce签署了一项协议:多达9艘邮轮将从柴油动力转为混合动力驱动系统。运输公司Fjord1计划从2020年起运营7艘电动渡轮。

英飞凌如何为电动航运做出贡献?

在未来,有更多商品和乘客将通过电动船舶运送。这会增加对功率半导体器件的需求。在这一点上,英飞凌满足了市场需求,推动了水上电动交通的发展。船只使用电力航行的必需品是动力系统中的功率半导体,许多制造商在其系统和引擎中使用带有英飞凌部件的转换器。它们可将电池的直流电转换为交流电用于发动机。

电动和混合动力船舶需要更高效、更轻巧的电池来实现突破。虽然能量密度在过去30年里已有大幅增加,但尚不足以为大型船舶提供远距离航行所需的足够能源。英飞凌帮助克服了这一障碍:由于系统效率的提高,电池变得更小更轻。通过电池平衡,它们被更充分地利用,使工作效率提高。电池平衡可以将电池的容量和使用时间提高或延长10%以上。

发展充电基础设施和为电池更快速充电的技术至关重要。在这方面,英飞凌产品也能提供帮助,如英飞凌产品中采用的碳化硅( SiC)等创新材料,大幅度缩短了充电时间。碳化硅可以承受比硅更高的负载和电压,而且由于功耗降低,在系统中需要的安装空间更小。

展望

由于气候变化、法规、成本等因素,未来几年,航运将必须改为环保型驱动系统。 这也是我们将看到越来越多的电动渡轮和客船的原因。然而,正在使用的船舶已投入运营数十年。一般而言,货船可运营30年,内河船舶约45年,客船通常运营时间更长。换言之,船运公司更换新船还需要一段时间。仅在欧盟投入使用的就有超过7300艘货船。荷兰电动船制造商Port-Liner认为,按照目前的速度,至少要用50年左右的时间才能全部被电动型号所取代。专家预测,第一艘全电动远洋轮船的出现至少还需要20年,而替代驱动系统越能发挥作用,需要的时间就能越短。如果电池密度能增加,提高电池的工作效率,那么未来许多船只将会以一种环保的方式安静地航行。

换言之,电力的确将在未来驱动船舶的螺旋桨。但发展仍在继续,接下来,船上或许将不再需要船长。这方面的具体计划已经出台:挪威公司“Yara”的集装箱船“Birkeland”号不久将搭载一小队船员启航,而后将尝试无船员航行。到2030年,距离哥伦布发现新大陆不到550年之时,第一艘巨大的钢质船舶可能会采用电动驱动方式自动驶向未来。

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