船舶混合動力，哪些難題影響了它前行的腳步?

如果執行得當，船舶混合動力可以提高效率，節省燃料和維修費用，同時還能在設計中增添一個備受追捧的“低排放/低噪音/生態友好”標簽。但是別忘了前面仍然有一個大大的“如果”。

從積極的方面來看，儲能系統(ESS)“可以暫時支持負荷，避免不必要地啟動和待機，還可以將各種不同的能源連接在一起，儲存收集到的能量，形成真正意義上的‘綠色’船舶。一般來說，LNG發動機所需的響應時間比柴油機要多，所以利用電池來調峰負荷可以使電力系統更加動態。” Ulstein改造業務部銷售經理Rolf Rovde這樣說道。

然而，電池動力船舶的歷史中曾經發生過一些失敗案例。博納多的Lagoon 420混合動力游艇就是一個悲傷的故事，由于性能表現未能達到預期效果，這個系列中的很多船舶最終都被改裝成了傳統的柴油機。

混合動力的問題也延伸到了渡輪和工作艇上。Hybrid Marine總經理Graeme Hawksley解釋稱：“有時候是工作人員的操作問題，他們在晚上沒有把系統接通電源，導致電池的電量耗干了”。Hawksley還指出，許多混合動力有關的問題——尤其是大型船舶上遇到的麻煩——都是由于那些追逐投資的人“太過執著于回報預期”造成的。

反復轉換導致能量損失

REAP Systems首席技術官Dennis Doerffel稱，更棘手的問題還是物理性的。“眾所周知，在轉速很低的情況下，發動機往往表現不佳，因此，典型的并行混合解決方案要求只在中等或更高轉速下使用，并且同時為電池充電。其理念是，存儲的能量能夠以非常低的速度推動船舶，從而大幅提高發動機利用效率。”

他表示，這種方法的問題在于“能量的來源仍然是普通燃料，必須通過逆變器將其轉換為電能，然后再轉換為電化學能，這又是另一種轉換。當我們想再次使用這種能量時，又得利用電動機甚至是附加變速箱再次將其轉換回去。”其結果是節省燃油獲得的收益難以彌補能量轉換的損失。他補充說：“根據系統的不同，并行混合動力造成的損失可能達到22%，所以必須得確保收益能超過這個數額。”

此外，船舶必須在非常低的負荷條件下花費大量時間才能發揮作用。Doerffel解釋說：“舉個例子，乘威尼斯出租船只需25分鐘即可到達機場，而慢速運行大約需要5個小時。”不過Doerffel又補充說，電池也許能節省柴油發電機設計的費用。

即便如此，高效的安裝和配置對所有相關人員仍然有著很高的要求。Ulstein Design and Solutions創新和開發經理Frode Sollid指出，船舶外部操作對準確性的需求比內部設計更高。Rovde補充說，這不僅關乎船舶執行特定任務時花費時間的百分比，還包括船舶可能遇到的天氣條件及其持續時間。Rovde表示：“這取決于外部條件如何影響預期的操作”。兩人都認為，在創建一個復雜的系統時，很容易失去對整體有效性的跟蹤。

不幸的是，如果規格或操作模式發生重大變化，你還需要準備好推翻那些經過深思熟慮的計算。一旦進行實質性的修改，所有的設計都要回歸原點�？偠�言之，不要指望對現有藍圖做些小的調整就可以擺脫困境。這些系統的交互點太多了。

一不小心就會增加船舶阻力

對于某些船型，這種交互作用還會對船舶本身造成挑戰。英國海軍建筑師Andy Page解釋稱，對于40m以下的快速船，“一切都與重量有關，一不小心就會增加船舶阻力”。最終結果可能會形成一種惡性循環：需要更多動力推動船舶，又需要更多船舶來輸送動力。

解決方案再次落到了船舶運營模式上。Page表示：“我們對混合動力船舶概念的設計很感興趣，但我們意識到從來沒有真正研究過航速在8節以下的船體阻力。這正是當你想要發揮船舶電動運行潛力時會遇到的問題。所以我們立刻拆掉了所有設備，從頭開始。”

這個過程需要創建一系列預期的船形，篩選掉可能性較小的種類，然后對剩余的形式進行嚴格的CFD分析。Page解釋說：“最后，我們發現了如何對船舶尾部進行修改能夠降低船舶在低速航行時的動力需求。”由此得來的并行混合動力巡邏和引航船保留了軸設計，但可以通過最小化阻力來提高效率。

使用期限面臨難題

據Rovde稱，混合動力船舶的使用期限可能是潛在的絆腳石。他表示：“鋰離子電池的預期使用壽命通常是10年。某些操作，例如渡輪航行，需要在岸上進行大量充電，然后大幅放電，然后又要快速充電……日復一日的重復進行。”

“這種挑戰可以通過增加電池容量來應對。我們使用的電池越大，充電率也就越溫和。此外，為了使用期限能達到10年，我們還可以保持船舶電池操作的初始功能。”

然而，說到這個問題就不得不提及高昂的初始投資成本。Rovde解釋稱：“我們從供應商和船東那里了解到，以平臺供應船(PSV)為例，燃料成本節省10％至20％(這就是當前的能效改善現狀)并不足以使投資資本支出(CAPEX)和運營支出(OPEX)線早早形成交叉。”因此，許多混合動力船項目需要激勵與懲罰并行才能順利起步。就目前來看，大概有必要給予監管支持。

使用頻率不容忽視

這一點是PBES首席執行官Brent Perry提出來的。他指出，PBES的CellSwap電池系統概念允許船東保留電纜、電子設備、冷卻設備以及機架和結構組件，同時通過投資一堆使用壽命較短的電池來最大限度地降低成本。他們的想法是，在未來大約五年的時間里，可用技術將取得相當大的進步，具備類似或更優屬性的電池價格也將隨之下降，同時也避免了第二輪調試和重組成本。

盡管如此，Perry的計算結果使他相信，影響商業可行性的最大因素并不是電池容量的大小，而是其使用頻率。他指出，使用儲能系統代替旋轉備用通常需要深度放電——“但要記住，這是一種安全備份”，他解釋道。

當然了，它的使用頻率要比用于支持發動機的加速或最高負荷的調峰電池要少得多：相比之下，此時所需的電池可能要小一些。Perry表示，這些不同因素的要求差異很大，因此需要首先進行單獨評估，然后再一起評估，以確保不會出現需求沖突。

事實上，Rovde強調必須要注意一種元素不會破壞另一種元素。“如果你想讓電池調峰，則需將其保持在正確的充電水平，以便在發生故障時保有旋轉備用能力。”Perry總結稱：“為了使價值最大化，電池解決方案需要盡可能融合多種功能。”

還有一點也需注意，安裝電池不是“一勞永逸”的工作。Rovde指出，即使給出了準確的配置文件，電池的生命周期預測也需要進行反復審核評估。