充电两小时,续航“一整天”如何实现

作为绿色船舶的代表,纯电动船舶相较于传统燃油船只相比,具有高能效、低污染等优点,但在电池及电控技术的壁垒下,电动船舶的发展与推广一度停滞不前。不久前,我国自主建造的首艘纯电动拖轮“云港电拖一号”从连云港港这座百年老港驶出,也让电动船舶这种同样有着百年历史的船型翻开了我国船舶史的新篇章。

充电两小时,续航“一整天”如何实现

电动船舶:从蓝图走向现实

自1859年法国科学家普兰特发明蓄电池以来,人们便试图扩大它的应用范围,其中也包括船舶交通领域。1873年由比利时工程师格拉姆制造出第一台大功率电动机后,使电力驱动船舶成为可能:1886年,德国工程师福里森便研发并主持建造了一条名为“埃雷拉”的以80块铅酸蓄电池为动力源、长11.5m、宽2m、吃水0.8m的小艇。哪怕以当时的眼光看,它比一些救生艇也大不出许多,却由此开启了电动船舶的先声。

把电力运用于交通的设想始于19世纪初,然而直到普兰特发明蓄电池,电动车船才有了真正实用的电源

1897年的一艘早期电动船,由威廉·萨金特设计

然而因电池技术发展相对迟缓,相当一段时期可运用于船舶的电池组仍是能量密度与比能低的铅酸蓄电池,由此带来续航能力短、驱动速度慢等缺点电动船舶的发展沉寂许久:直到上世纪末,纯电动船只主要限于游船等小型船舶。

电池技术的发展突破电动船舶发展

随着全球环保意识不断增强,海运业造成的污染物气体排放愈发引起关注。依靠各类电池等清洁能源作动力的电动船舶能够大幅降低船舶污染物气体排放甚至“零排放”,成为航运行业热点之一。

另一方面,在电池与电控技术的发展下,纯电动船舶的应用领域也愈发广泛:其中挪威是全球大型电动船舶运营最早、最多的国家,主要应用于小型豪华邮轮、客船等对系统的稳定性和舒适度要求较高的船型,以及工程船、海岸救援船等。

世界上第一艘无人驾驶零排放集装箱船将在挪威进行首航 图源:国际海事组织

我国电池近年来动力船舶发展也较为迅猛:2019年全国交通运输工作会议上明确将加快新能源和清洁能源车船推广应用,其中就包括加快推动船舶靠港使用岸电,着力提升岸电设施利用率——截至目前,仅内河已建成使用各种电动船舶近30艘,船型包括客船、渡船、公务船、干散货船等。

此次在全国首个低碳试点港的连云港港投入的“云港电拖一号”,则集结了国内新能源领域与船舶工业的顶尖力量:由中船集团第712研究所研发电力动力推进系统,中船集团第708研究所提供整船设计,中国船级社武汉审图中心进行图纸审核,最终在连云港港轮驳鸿云公司造船基地建造,把我国电动船舶的应用场景扩展到近岸近海,开启了纯电动技术在拖船领域应用的首次探索。

小块头,也有大力量

港口拖船尽管身板小,但因经常需要协助其他体积大多的船只进出港口,因此船只主机常年处于低转速高扭矩状态,此外对于常年在港口狭窄水道中慢工出细活的拖船而言,由于受作业负荷变化、海况、频繁启停等影响,拖船主机负荷变化大、工况较差,因而需要尽可能时时调整输出扭矩,以确保拖船良好的操控性。这些对传统拖轮的柴油机主机而言并不是件轻松活,再加之大船进出港口时间紧迫,拖轮的工作强度大,所以拖轮柴油主机的各个系统也经常会出现故障。

2020年下水的世界上第一艘全电动拖轮ZEETUG

这些对传统拖船颇有压力的要求,对纯电推进的“云港电拖一号”却不再是难题:电动机启动快、低转速、高扭矩、可无极变速的输出特性非常适合作为船舶推进,“云港电拖一号”搭载的两台1500KW立式空心轴永磁电机,配合360°全回转对转桨推进装置可达4000HP出力(相比之下体积不到一半的全电动拖轮ZEETUG仍采用固定双轴推进),实现拖船48吨正向拖力。

除了操作特性好外,“云港电拖一号”的运营成本也更低。而作为港口运营的一部分,拖船还需要能耗低、方便维护来降低港口运行成本。纯电动拖船造价尽管要高于常规柴油拖船,但每年可以节约能源消耗300吨左右

按照当前在港拖船的平均利用率、油耗等数据进行测算,“云港电拖一号”,在执行拖驳任务时,其所消耗电量折算电费(以居民生活用电价格计算,不计算峰谷电与阶梯电价)比同等排水量及马力的柴油拖船所耗燃油费节省约65%;此外由于结构简单,转动部件少,维护与日常使用比燃机动力机械传动推进系统方便的多,轮机舱单班配备3人即可完成相关工作,比过去减少一半人工,对使用者而言没有了油污、废气,船舱环境更为友好。

正在码头拖曳作业的“云港电拖一号”,可以看到其航迹有大角度偏转显示推进器有较好的回转能力,以提高拖船靠泊时操作灵活性 图源:连云港港口集团

从全生命周期效益分析,若“云港电拖一号”持续使用近30年,基本可为港口运营方再节省一艘同等功率常规燃油拖船的费用,经济性十分可观。

船用磷酸铁锂电池组:一节更比多节强

不过,实现上述这些优点,首先需要有充足的电量供应。而传统电动船舶蓄电池原本存在出力不足、续航时间短的问题解决,则得益于“云港电拖一号”首次搭载的一种磷酸铁锂电池组。

目前国内外船舶电池使用的主要有镍氢电池、储能锂离子电池和磷酸铁锂电池等几类。其中,磷酸铁锂电池又称为磷酸铁锂锂离子电池,如此称呼是因其内部有以正交橄榄石结构的磷酸铁锂(LiFePO4)为主要原料构成的正极;以碳(石墨)与粘合剂的混合物再加上有机溶剂调和制成糊状涂覆在铜基体上并呈薄层状分布的负极;用以传导的特殊电解质以及用于能起到关闭或阻断通道的作用隔膜或称隔离膜。

磷酸铁锂电池结构与工作原理

国内包括“云港电拖一号”在内的电动船舶大多选用这类电池组,有基于国内法规与技术上的双重考量:根据2019年国家海事局最新发布的《船舶与海上设施法定检验技术规则-内河小型船舶检验技术规则》,磷酸锂铁电池是国内除酸性铅板型或碱性镍板型蓄电池外唯一被认可的船用能源锂电池。

另一方面,“云港电拖一号”搭载的磷酸铁锂电池在性能方面与性价比方面也有它的独到优势:首先是使用磷酸铁锂作为正极材料,相较于三元锂电池使用锂镍钴锰或者镍钴铝酸锂等含稀缺金属正极材料的锂电池更加便宜;其次它的耐高温性能优于储能锂离子电池,而耐低温性能则优于镍氢电池,并与储能锂电池相当,放电工作温度覆盖-20~55℃,电池的充电工作温度则在0~45℃之间,因此运行使用环境较为广泛。

同时,磷酸铁锂电池使用寿命也更高,其循环寿命高达2000次,理论寿命高达8年,相比之下传统的铅酸电池循环寿命最高也只有500次,理论寿命不超过一年半,这使得搭载船只的全寿命使用成本更低;而就充电性能而言,磷酸铁锂电池比镍氢电池的能量密度与比能高,可以相对小的体积即可实现大电流充放电。

得益于近几年来国内电池技术的发展“云港电拖一号”搭载的磷酸铁锂电池与前辈们也有了长足进步:与4年前同样搭载磷酸铁锂电池的2000吨级纯电动散货船“河豚”号相比,以近乎相当重量与体积的电池组,实现了“一组电量更比两组强”——电池容量达5000千瓦时。

充电两小时,续航“一整天如何实现

当我们买下一台电动车前,总会顾虑日常是否能找到可充电的泊位,而电动船舶也是同理。在相当一段时间,我国缺少专门针对大容量电动船舶的充电设施,一定程度制约了电动船舶的推广。

不过电动船舶与电动汽车的充电也有自己的地利优势——我国大部分港口都已普及岸电设备,在“云港电拖一号”立项的2019年,国内已建成2400余套用于靠泊期间船舶电力供应的大功率岸电设备,这些基础硬件有相当一批可通过后期技术升级、改造或添置充电设施实现为电动船舶充电。

而连云港港对建设大容量电动船舶充电设施也早已布局:早在2010年便启动船舶高压岸电系统构建,并建成了具有1500KVA容量,可进行6.6kV、50Hz/60Hz电力输出的全球首套高压变频数字化船用岸电系统。

连云港供电公司员工检查“云港电拖一号”配套岸电设施 图源:电网头条

为了迎接“云港电拖一号”,连云港港还对高压岸电系统再升级,以适应其更高的电力需求——与国网连云港供电公司合作建设了容量6930KVA的拖轮配套高压岸电系统。该系统配合多个岸电接口,在为“云港电拖一号”充电时,岸电系统的主控制器会读取并获得各个充电机对应的电池的各自容量,依照剩余容量进行升序排列,剩余容量最小的排在首位,满负荷功率充电负荷对其加入。利用这套系统,“云港电拖一号”仅需两小时快充即可充满电池,满足日常运营一天的作业需求或是8小时不间断持续作业。

结语:

据测算,“云港电拖一号”投入使用后,每年可节约燃油消耗300吨左右,减排约835吨碳氧化物,相当于400多辆小汽车的减排量。而目前,我国至少保有700余艘港口拖轮,随着“云港电拖一号”踏上电动化浪潮,未来还将有更多的港口拖轮乃至其他船舶加入到这股浪潮中,共同推动水运行业实现“双碳”目标。