浅析纯电动海巡艇的应用前景

张明

摘 要：纯电动海巡艇具有零排放、噪音小、高能效等优点，在石油资源不断消耗、环境问题日益突出的大背景下，大力发展纯电动船势在必行。随着电池技术的不断突破发展，作为绿色新能源船舶，纯电动海巡艇在海事监管中将有着广阔的应用前景。

关键词：电动船舶;锂电池;环保;节能;海巡艇;公务船

中图分类号：F426.474 文献标识码：A

0 引言

2020年长江干线船舶平均吨位已达到1 960吨，货物通过量突破了30亿吨，全长6 300余公里的长江，是货运量位居全球内河第一的“黄金水道”，是贯穿东、中、西部的水路交通大通道，由于长江航行船舶使用柴油发动机驱动，大量消耗燃油，其尾气排放造成的污染问题不容小觑，船舶排到大气里的污染物有三种形式，固体形式包括各种颗粒物、重金属等;气态方式包括氮氧化物、硫氧化物，还有以气溶胶方式排放的物质。氮氧化物和VOC（VOC物质是指易挥发的有机物质）会产生臭氧，氮氧化物和硫氧化物会产生二次颗粒物，导致灰霾天、酸雨以及水体富营养化伴，随着长江运输需求的不断增加，污染排放物也在逐年上升，船舶污染问题不容忽视。

国务院发布的《打贏蓝天保卫战三年行动计划》指出，要继续推进电能替代燃煤和燃油，要全面实施新生产船舶发动机第一阶段排放标准。推广使用电、天然气等新能源或清洁能源船舶;交通运输部发布的《船舶排放控制区调整方案》要求，对全国沿海及长江干线通航水域进行排放控制，自2020年1月1日起，船舶在沿海控制区内航行应使用硫含量不大于0.5%的船用燃油，靠岸停泊期间不大于0.1%，内河控制区应按照《大气污染防治法》要求使用合规燃油，船舶可采用尾气后处理、清洁能源、岸电等替代措施。节能减排政策正在倒逼长江航运船舶绿色转型。

作为长江水上安全监管部门，长江海事局应该积极响应长江大保护要求，从海事巡逻船着手，大力发展电动海巡艇，用以替代传统柴油机海巡艇。

1 纯电动船应用现状分析

新能源纯电动船对于环境保护零污染、零排放要求有显著的效果，但就目前，我国尚处于发展起步阶段。近年来，在国家政策扶持引导和新能源汽车产业的带动下，我国锂离子动力电池技术水平大幅度提升，成本明显下降，具备了支撑电动船应用推广的良好基础。同时，宁德时代新能源科技股份有限公司、惠州亿纬锂能股份有限公司等磷酸铁锂电池巨头企业也纷纷涌入电动船市场，为我国电动船产业发展注入新鲜活力。首批新能源纯电动船在2013年投入使用，经过多年研究和试点应用，纯电动船舶技术逐步成熟，呈现快速发展的趋势，应用场景不断扩大。

根据克拉克松研究的统计数据，全球营运中和拟建造电动船舶数量为155艘，包括营运中船舶75艘，拟建造船舶80艘。

我国当前纯电动船舶在船型方面已有旅游船、渡船、公务船、工程船、普通客船、干散货船、集装箱船等多种船型，吨级方面，有些特定情景下船舶吨级已超过2 000载重吨。目前配置的锂电池容量不断提高，有新能源纯电动船舶的电池容量达到2.4 MWh（2 400 kWh），长江新能源纯电动游览船“君旅号”电池容量更是达到7.5 MWh（7 500 kWh）。

以中国船舶工业集团有限公司所属广船国际有限公司建造的2 000吨级纯电动自卸船“河豚号”为例，该船是全球首艘完工交付的千吨级纯电动船，船上安装有重达26吨的超级电容+超大功率锂电池，整船电池容量约为2 400 kWh，约2.5小时即可完成充电，在满足条件下，航速最高可达12.8公里/小时，续航可达80公里，可以满足短途内河运输。

高速电动船也已投入使用，湖南海荃游艇有限公司自主研发的“HQ1850”纯电动铝合金高速船“八百里123”号，由磷酸铁锂储能系统提供推进原动力，电动机进行驱动。经实船测算，相同主机功率条件下，该船运行成本只有普通柴油机船的三分之一左右，噪音只有65分贝，且平均每年可减少CO2排放1.5吨左右，充分体现该船低噪音、低震动、零污染、零排放等特点。同时，该船为双体船，抗风浪性能优越，兴波与尾浪小，最高时速可达25公里/时，突破了一般电动船舶速度慢的瓶颈。

尽管我国在锂离子电池储能系统的关键技术上已经取得了重大突破，但基于岸电设施不齐全，电动船舶的建造成本较高，岸电电价较高，动力电池的成本高，船舶动力电池营运管理和回收利用难以及锂离子电池安全性考虑，我国的纯电动船舶发展仍然不足。以我国内河的纯电动船舶应用为例，我国内河船舶约有13万艘，仅长江和京杭运河的船舶总数超过6万艘，但目前已建造的内河电动船舶仅30余艘。

2 纯电动船的基本原理

2.1 纯电动船推进方式

纯电动船舶的推进方式是采用蓄电池驱动电动机带动螺旋桨从而推动船舶运行。纯电动船舶采用的电力推进系统有可控硅整流器+直流电动机、可调螺距螺旋桨+交流异步电动机、电流型变频器+交流同步电动机、交——交变频器+交流同步电动机、电压型变频器+交流异步电动机等方式。

电动海巡艇可采用交——交变频器+交流同步电动机的方式进行推进。其驱动方式是采用CYCLO变频器，通过控制可控的桥式反并联晶闸管，选择交流电源的不同相位区间向交流同步电机提供交流电。其特点是：起动平稳，起动电流可从零起逐渐加大，转矩脉动平滑;功率及转矩动态响应快，一般小于100毫秒;系统功率因数由电机电压决定，通常可达0.76;满负荷时效率高;变频器输出频率低，可以不需要齿轮减速直接驱动螺旋桨。

2.2 纯电动船锂离子电池的工作原理

电池是纯电动船舶的核心部件，很显然，锂离子电池将是电动船舶的主要动力电池，锂离子电池是世界上最新一代的充电电池，它的负极是碳素材料，正极是含锂的过渡金属化合物，电解质是锂盐的有机溶液或者是聚合物。充电时，正极中的锂离子脱离 LiCoO2、 LiFePO4晶格，经过电解质运嵌入电池的碳材料负极，放电时则相反。

锂离子电池是以锂离子嵌入化合物为正极材料的电池的总称。锂离子电池充放电过程的基本电化学反应式为：

正极 LiCoO2→Li1-xCoO2+xLi++xe-

负极6C+xLi++xe-→LixC6

总反应LiCoO2+6C→Li1-xCoO2+LixC6

电池充电时，锂离子电池从正极材料的晶格中脱出，通过电解质溶液及隔膜进入到负极中;放电时，锂离子从负极脱出，通过电解质溶液及隔膜，进入到正极材料晶格中。在整个充放电过程中，锂离子往返于正负极之间，所以锂离子电池又叫摇椅电池。

3 纯电动海巡艇在海事监管中的应用

3.1 纯电动海巡艇的应用

2021年1月，新能源海巡艇“川海巡587”在眉山市洪雅县雅女湖库区顺利下水投入使用，该艇总长9.8 m、型宽2.8 m、型深1.19 m，配备2台6 kW电动舷外挂机，巡航航速12 km，续航力4～6小时。

2020年1月，长江上首艘通过CCS系统认证的18 m级纯电力推进航道维护艇 “长江航道电001”正式下水服役。该船船体总长18.9 m，蓄电池总容量1 300 kWh，最高航速21.5公里，全速续航5小时，快只需4小时，续航130公里，除此之外，该船采用磷酸铁锂电池电源驱动、双全回转舵桨推进，配置了多种防污染措施。

深圳海事局首艘可用纯电力推进，在海上危险气体区域安全航行并实施人员撤离救助的船舶，正在广州黄埔文冲船厂建造，該船总长78 m、型宽12.8 m、型深5.5 m，满载吃水3.5 m，采用柴油发电机组加锂电池的混合电力推进模式，设计航速不小于18节，续航力1 000海里，可搭载直升飞机，具备较强的综合信息处理能力，配备舱室正压维持系统、防爆雷达和DP1定位等先进技术与设备。

3.2 纯电动海巡艇优势分析

纯电动海巡艇主要由锂电池、电容、配电板、变压器、变频器、电动机、螺旋桨、控制系统等组成，电力推进方式以其环保、节能的技术优势提供了高品质船舶的应用途径。

（1）环境优势： 纯电动海巡艇相比于柴油机海巡艇将无需消耗柴油，润滑油需求也大幅降低，不会产生船舶尾气，节能环保优势明显。

（2）经济优势：柴油机海巡艇柴油消耗量大，以17 m玻璃钢海巡艇为例，每天开展2小时现场巡航，每月所需柴油为3吨，以柴油单价6 500元计算则每月所需费用为1.9万元;纯电动海巡艇运行费用将大幅降低，以蓄电池总容量为1 290 kWh的17 m玻璃钢海巡艇为例，其续航为6小时，目前各执法大队趸船均配有岸电设施，纯电动海巡艇可直接在趸船上进行充电，充满一次电约耗电1 200度，电费以1元/度计算，如每天开展2小时现场巡航，每月运行费用只需1.2万元。此外，纯电力推动还增强了系统对单一故障的抵抗性，有效降低了维修保养成本。

（3）性能优势：电力推进装置的操纵由驾驶台直接控制，启动加速性好，制动快，机械推进从全速到停止所需时间是电力推进的2.8倍，从零航速至全速所需时间是电力推进的2.1倍，大大提高了船舶的可操纵性，安全可靠性得到提高。省去了主机与螺旋桨之间的部分轴系，机械振动和噪声减小，环境更加舒适。原动机和螺旋桨系柔性连接，使得螺旋桨的转速不受原动机转速的限制，彼此都可以工作在最佳状态，从而推进系统有较大的能量效率。

4 结束语

通过以上分析，纯电动海巡艇由于性能优越，绿色环保、经济优势明显，已逐步应用在海事、航道等部门，未来随着电动船舶的进一步发展优化，电动海巡艇将极大提高长江海事的巡航救助能力，在海事监管中将有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]苑美丽.纯电动船舶应用前景可期[N].中国水运报，2019-11-01（006）.

[2]李强，李天煜，刘伟.电动船舶标准现状及发展思路研究[J].中国标准化，2019（21）：125-130.

[3]周镇海.浅析纯电动船的应用前景[J].中国水运，2020（11）：109-110.

[4]付军，甘世红.混合动力电动船舶现状及前景分析[J].科技视界，2015（8）：133+249.