新能源电力推进对比分析

付文秀

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

从交通领域的能源发展趋势来看，全球有 3个主要趋势：电动化、低碳化以及智能化。从电动化的角度，有油电混合、蓄电池、氢能燃料电池，这3种都属于电动化。在低碳化方面，中国选择低碳发展、绿色节能的道路。国际航运业是在环保方面受到严格监管的行业，为了满足环境保护的需要，各国船级社、国际化组织（如国际海事组织）及地区（如欧洲、美国）均对船舶的节能减排和能源的高效利用提出了更高的要求。锂离子电池、燃料电池等新能源的优势日益凸显。智能化其实是一个更大、更广泛的革命，例如自动驾驶、工业4.0、智慧能源等。基于此，各个造船大国目前都在能源的高效利用、有害气体及污染物排放的降低、新型清洁能源的开发等方面加大了研发力度，并在一些重点领域取得了突破性进展，新技术的应用取得了令人瞩目的效果[1-8]。

本文探讨了新能源电力推进的关键技术，并从节能效率、安全可靠性、应用场合、市场前景等方面，对以太阳能、蓄电池/超级电容、燃料电池等新能源为动力的电力推进技术进行了对比。本文可为业内新能源电力推进应用提供参考，具有一定实用价值。

1 不同新能源形式介绍

1.1 燃料电池

20世纪40年代，英国工程师弗朗西斯·托马斯·培根改用液体氢氧化钾为电解液、多孔镍作为电极，扩大了适用催化剂种类，这种设计给燃料电池的实用化带来了曙光。在船舶新能源应用方面，国内外对燃料电池电力推进船舶的研究均进入了疾速发展阶段，但国内还未将其应用于商业实船，进程落差较大。

德国于2008年制造的Alsterwasser是世界上第一艘采用燃料电池的电力推进船舶，其储氢方式为压缩氢气，是第一艘投运的燃料电池客船。第一艘采用燃料电池并通过发电试验的船舶是2011年挪威建造的海洋工程供应船—“Viking Lady”号。我国在燃料电池船舶的研究及应用相对滞后，第一艘燃料电池船舶是2002年北京富原燃料电池公司设计开发的游艇“富原 1”号，该游艇额定功率设计为400 W，额定电压DC 24 V，全航速约7 km/h。

燃料电池的研究难点主要集中在电堆电极催化剂寿命、储氢材料的储氢质量密度以及电堆动力输出特性等方面。

1.2 太阳能光伏发电

作为世界光伏第一大国，70%的产能都在中国，这是我国的优势。光伏发电系统是把太阳能转换为电能的发电系统[9-10]。船舶上的光伏发电系统是由电池板、控制器、蓄电池（组）和逆变器构成。太阳能光伏阵列具有较强的随机性，这是由于其发出的电能受气候条件和环境因素的影响。因此，当其系统功率等级较高或太阳能发电和其他能源形式并网连接时，需设计合适的能量管理及控制策略，以优化整个推进系统的能量流，包括不同的发电及储能系统。由此，在新能源利用的场合，多数涉及多能量源能量分配管理的控制过程。在充分发挥新能源优势的基础上，也要尽能兼顾降低功率损耗、保证续航等问题。

1.3 蓄电池/超级电容

蓄电池电力推进技术在军用领域较为成熟，例如常规潜艇在水面航行时，利用常规柴油机推进；在水下作业时，则采用蓄电池电力推进。近年来，电动船逐渐向内河船舶进军，其中应用较多的是磷酸铁锂电池和三元锂电池。在实际运行工作中，蓄电池与电网之间通过双向 DC/DC变换器装置交换能量，双向 DC/DC变换器的控制策略对于蓄电池的运行性能和使用寿命至关重要，其不仅要求充放电稳定，还需满足快速响应、瞬时高功率输出、宽范围运行等船用要求。

不同于电解质电容器和电池，超级电容能储存巨大的能量。这种新型储能元件兼具其他储能元件的优点，能在短时间内以较大功率充/放电，其发展前景备受关注。超级电容不仅能瞬时以大电流充/放电，还可以重复使用达数十万次，模块化的超级电容组维护起来也更加方便。船舶制动在短时间内回馈巨大的能量，这部分能量需要被快速转移，因此要求储能系统具有承受瞬时大功率和大电流的能力，且超级电容的特点满足船舶制动要求，可配合蓄电池组吸收瞬态负载能量。

2 新能源纯电力推进及关键技术

典型新能源电力推进系统图如图1所示。新能源电力推进主要由新能源发电系统、DC/DC变换装置、DC/AC逆变器、保护装置、综合控制系统（能量管理、监测报警及控制装置）、负载（推进负载、直流负载等）等组成，其中较低功率的保护装置一般由满足选择性的熔断器及变频模块的保护装置组成，大容量船舶直流组网一般采用固态开关。

图1 新能源电力推进系统结构图

太阳能光伏发电一般还包括蓄电池储能。阳光充足时，由太阳能向系统供电，同时向作为蓄电池充一部分电；阳光不足时，由蓄电池提供整个系统的电源。燃料电池发电装置需要像太阳能发电一样，配备储能装置（如锂电池），以解决整个燃料电池发电系统与船舶运行工况相适配的问题。蓄电池电力推进一般包括由岸电机或充电桩组成的充电装置以及电池能量管理系统。

新能源电力系统关键技术包括以下几个方面。

1）DC/DC变换控制策略，高可靠性、模块化、智能化变流器技术。

2）更快的开断速度、更高的开断容量和更高效可靠的直流断路器以及基于故障限流的新型直流配电用保护设备。

3）能量管理及综合控制技术。

4）智能保护技术。

5）集成设计技术。

3 不同新能源纯电力推进对比分析

3.1 效率对比（节能性）

电力推进系统的效率决定于整个动力链路上每个设备的效率。对于直流电推而言，从发电系统输出后，要经过直流配电板、异步电动机这些环节，其中配电板的预估效率约96%，推进电机预估效率95%，总体效率受不同能源形式效率的影响较大。

目前，主流的太阳电池是硅太阳电池，其平均效率不超过15%。新的光电技术如采用纳米晶和晶体硅薄膜，则产能比一般光电技术高出约10%，光伏效率基本上均突破20%，下一代技术则是向突破30%进军。然而，太阳能电池在没有日光时无法供电，需要与蓄电池配合，且其能量转换效率较低。

铅酸蓄电池的技术成熟，能量效率为70%～75%，磷酸铁电池是最近几年发展起来的新型电池，与传统铅酸电池相比效率高达90%。采用电池船舶电力推进时，燃油节省率达30%。

相比之下，燃料电池的价格比蓄电池便宜，结合整个装置系统的耗能等因素，燃料电池系统的总效率约为45%～60%。此外，燃料电池系统的运动部件较少，甚至可取消运动部件，维修量小，且噪声水平相对传统柴油发电机组具有明显优势。然而，从全生命周期效率来讲，混合动力推进、燃料电池推进和蓄电池纯电推进的效率不相伯仲。

3.2 可靠性（安全性）

太阳能发电不产生废弃物，是理想的绿色能源，其安全性主要体现在载体建筑、光伏电池、逆变设备、应对强风、防火等方面。但从运行维护的角度而言，太阳能发电并非完全无隐患。光伏发电系统要严格按照船舶电气的相关规定进行安装，须有良好的接地保护等装置，同时设计安装时要充分考虑是否会对装卸货物产生影响等问题。

氢源是影响燃料电池发电系统发电量的主要因素。氢气虽易燃易爆，但风险可控。高压储氢瓶组也是燃料电池推进的主要安全隐患。目前，国外70 MPa储氢瓶技术较为成熟，除了氢瓶的研发外，氢瓶的固定程度也会对氢燃料电池的安全产生重大影响。相关标准的不断完善，为燃料电池的安全运行提供了有力支撑，也规范了燃料电池行业的发展。

一般条件下，磷酸铁锂电池在使用8年后仍然可以维持80%的存储能力，其理论寿命大于14年。只要配以高端电池管理控制系统（BMS），维持正常、安全、稳定的使用方式，杜绝过充电和过放电，并使用合格的热管理，便可使其在电动航船生命周期里降低更换电池的几率。经第三方试验证明，磷酸铁锂电池、三元锂电池在规定的极端环境条件下，不会发生爆炸，且满足船舶安全性能使用要求。

3.3 市场可行性及前景

3.3.1 光伏发电

光伏发电系统一次性投入大，但在实际系统的使用过程中可稳定运行，很少需要维护，且无需消耗额外燃料，符合低碳化方向，但受船舶安装空间限制以及实际负荷计算需求，不宜在船舶上安装过大面积的电池板。

3.3.2 蓄电池

目前，国内外已在锂离子电池储能系统的关键技术上取得了重大突破，船舶电力推进、大功率电力并网等技术也相继获得大量研究成果。由上海船舶设备研究所总成、武汉长江船舶设计院设计、长航集团绿色航运公司提供技术支持的长江三峡通航管理局“海巡 12909”号新能源动力改造项目已顺利完成了全部测试，为推进我国内河船舶绿色发展提供了样板。第三方市场调研机构数据显示，到2024年，全球电动船舶市场的规模将达到73亿美元（约合人民币453.1亿元），2016年国内电动船的市场规模已达到56.3亿，预计到2021年这个规模将扩展到96.3亿，市场前景可期。

3.3.3 燃料电池

氢能是未来在可再生能源背景下的2个主要能源载体之一，目前经济可行的氢源来自 1 000亿度的弃风弃光弃水，还有800万吨的副产氢。根据中国氢能联盟的预计，到2030年，中国氢气需求量将达到3 500万吨，在中国能源体系中占比 5%。预计到 2050年，国内氢能需求量接近6 000万吨，可减排约7亿吨二氧化碳，产业链年产值约12万亿元。燃料电池技术也将取得革命性的突破和进展。其中，氢能制储、加氢基础设施、燃料电池及应用3个环节的企业占比分别为48.5%、9.7%、41.8%，尤其是在加氢站的布局上，截至2018年年底，中国已建成加氢站23座。而随着相关政策的逐渐完善、技术标准的逐步规范、装备技术的不断进步，我国将进一步完善加氢站的建设。

目前，在各类新能源推进方式中，燃料电池的成本较高，但未来燃料电池与混合动力、纯电动相比，不会有任何成本上的劣势，具有良好的竞争性。

3.4 亟需解决的问题

光伏发电的主要关注点是太阳能电池板光伏转换效率问题以及最大功率点跟踪MTTP技术。

电动船动力蓄电池存在的技术难题主要体现在电池能量密度、电池pack技术、循环寿命以及快速充放电等方面。同时，充电方式对蓄电池寿命的影响、深度充放电循环次数对蓄电池寿命的影响、安全的充放电控制、对蓄电池余存电量SOC的估算误差、对蓄电池健康状态的估值、蓄电池安全维护等问题也亟待解决。

我国氢燃料电池产业的瓶颈如下：

1）在政策上，氢目前未作为我国能源体系的组成部分，国家层面缺乏顶层设计与战略规划；氢未作为能源被规划布局，且国家未明确氢能归口管理部门。

2）在标准与法规上，制氢、运氢、加氢站、储氢系统均有障碍与不足。气态储氢的密度偏低，现如今我国采用的是20 MPa的储氢瓶，而国外已经发展了 50 MPa、100 MPa的储氢瓶，且100 MPa的储氢瓶到加氢站直接可以对700 MPa的氢瓶进行加注。但目前国内还不具备该项技术，因此，我们需在这一方面开放创新、整合全球资源，建立中国相关产业链，这样才有可能解决我们氢能全产业链的中间瓶颈。

3.5 总体对比

总体而言，现阶段新能源电力推进性能对比如表1所示。

表1 3种新能源电力推进对比

4 结论

对船东而言，燃油消耗和成本是至关重要的。新能源电力推进能够减少船舶排放并降低总体运营成本。而电池船已突破关键技术，市场前景广阔，在发展电池技术的同时，我们也不应停止对其他燃料类型的研究。随着太阳能电池、储能电池等技术的快速发展，燃料电池已逐步退出航天和部分军事应用邻域，但在民用船舶领域的应用才刚刚开始步入巅峰，应加大对氢燃料电池关键技术的研发和投入，抢占新的市场先机。由此，本文对太阳能、蓄电池、燃料电池3种新能源电力推进进行对比分析，包括系统组成、关键技术、效率、安全可靠性、市场前景等，并对新能源应用中亟需解决的问题进行了概括，为业内相关技术人员提供借鉴，具有一定的实用价值。