電力推進：新一代船舶動力的曙光？

2020年年中，美國海軍接受了美國海軍第一艘全電力推進水面戰斗艦“祖姆沃爾特號”號的交付。該船的新電力推進裝置提供了良好的效率，并降低了總成本。這種設計靈活高效，可以在需要的地方、需要的時候提供電力。它的采用象征著一個海洋的未來，也預示著內陸和公海的其他海船都將擁有這樣的未來。

這種技術進步令人鼓舞，因為世界海運業提供了超過三分之二的全球貿易，但也被認為是造成不利碳排放的一個顯著因素。電力推進及其多用途的動力能力使其在環境和經濟上具有吸引力。

“數十年來，我們一直致力于應對零排放的挑戰，并看到在海洋產業廣泛采用這項技術的巨大前景，”海洋和港口解決方案的客戶經理彼得·布魯克斯說，在位于紐約州恩迪科特的BAE系統公司電力和推進解決方案公司的電子系統電力和推進解決方案業務領域，BAE公司幫助開發了幾艘電力推進船舶。

作為早期采用者的內陸船

鮑爾斯補充說，發現更多的內陸船舶將電力推進作為一種推進手段。“近年來，我們看到更多的船舶運營商努力采用這項技術，并接近零排放。最值得注意的是，我們看到客運渡輪處于采用的前沿，但其他細分市場也開始出現，如內陸拖帶等，”他說，“最近，拖輪和港口船舶市場的興趣也激增，運營商希望在港口地區實現零排放。”

吉姆·沃爾夫是西雅圖格洛斯頓的高級電氣工程師。他還表示，在內陸和點對點運營的海運業中，混合動力和全電動船舶的出現應該進入“最快和最困難的階段”。沃爾夫說：“與需要更靈活能力的船舶相比，確定的航線和確定的運營更容易規劃和設計。短途航行很容易與電能儲存技術的現狀相適應。燃油成本和維護成本的降低可以抵消額外的資本成本和培訓技能。”

戴夫·李是ABB海運和港口美洲內陸河、拖輪和近海部門的高級客戶經理。他認為，內陸船舶市場開辟了電力推進的道路。他們是早期采用者。但越來越多的環保標準正在吸引更大的船舶引進電力推進。

“運營商現在面臨著更昂貴的發動機以及更高的運營成本與四級和目前的利率市場日利率不允許任何額外的成本，可能是運營或資本，”李解釋說，“隨著市場的現狀，它暫停了許多新的建造；然而，運營商從監管機構（EPA）和客戶那里受到的壓力將促使他們采用電動和混合動力技術。我想說，早期采用混合動力和電動拖輪的人正處于風口浪尖，因為他們面臨著我們已經討論過的問題。隨著早期采用者向業界證明，混合動力和電動汽車是未來的發展方向，業界將緊隨其后，就像世界上幾乎所有其他海洋行業已經證明的那樣。”

運營挑戰

為了進一步采用電力推進，船東將面臨運營上的挑戰。他們將需要用環境和成本效益以及其他效益來平衡這些挑戰。

德克薩斯州奧斯汀市Terradepth公司的首席執行官喬·沃爾夫說，任何可持續發展的平臺都面臨著運營挑戰，因為它們代表了一種新的貨物運輸方式。替代燃料和傳統高速、中速和低速柴油發動機以外的其他推進方式必須考慮支持新系統的后勤保障。

沃爾夫說：“在燃料的能量密度方面存在一些挑戰，這些燃料可以安全地浸入水中，因此需要更大的平臺，這就導致了成本的增加。安全的運輸、儲存和處理也是一項挑戰，因為你要混合鋰、氫或重燃料等揮發性物質。”

對于發電廠來說，在國內外港口，能源儲存和基礎設施的負擔甚至更重，以支持任何所需的岸電連接或其他接口。

“我們了解造船商在采用新技術時所面臨的挑戰，以及如何使新技術獲得運營認證，”BAE的彼得·布魯克解釋道，“電氣化有很多因素，但要考慮的三個關鍵因素是電力需求、技術類型和基礎設施。在設計階段的早期，我們會與構建者一起仔細檢查電源需求。沒有兩個船舶是一樣的，所以我們的目標是與客戶合作，概述一個船舶在運行時將消耗多少能量。一些運營商可能還沒有準備好全電力化，因此我們認為提供滿足特定需求的增量解決方案非常重要。與電動汽車不同，這不是一個通用的模型，相反，我們認為解決方案應該針對特定的船舶。同樣重要的是要注意，你不需要昂貴的基礎設施或高電網電力海岸基操作這項技術在海上船舶。今天有許多正在運行的船只使用自充電能力為船上的電池充電。”

雖然大型船舶不太關心為推進系統充電，但它們可能需要更多的電池儲存和充電能力，以支持它們的控制系統。此外，電力推進對操作人員來說是一種較新的技術，可能需要額外的培訓和知識來操作和維護主電力系統和輔助電力系統。

格洛斯頓的吉姆·沃爾夫說：“系統復雜性和專業技能是一個重要的障礙。大型儲能電池和集成混合動力系統需要大量的自動控制才能運行。要有效地對這些系統進行故障排除和維護，需要對底層軟件和硬件有很好的了解。這將成為一些行動的障礙。一些系統供應商擁有高度集成的標準解決方案，需要大量的售后支持，并且無法得到第三方的支持。對于一些習慣于內部管理維護或能夠選擇合格承包商的運營商來說，這是一個變化，可能會成為一些公共機構的障礙。”

布魯斯·斯特魯普是ABB在輪渡行業的海事和港口高級客戶經理。斯特魯普認為，雖然電力推進似乎有利于內陸和沿海地區的業務，仍然有潛力的海洋部門以及。

斯特魯普說：“運營商傾向于在短距離航運應用中看到零排放和混合動力應用帶來的更顯著的好處，但對于深海和遠洋船舶來說，仍有一些好處。我們看到一些遠洋和深海船只安裝了電池來捕獲電力，這些電力可以以多種不同的方式使用，包括零排放港口停留、旋轉電力儲備、調峰、增強動力性能和戰略裝載，所有這些都可以產生積極的財務效益，對操作員的安全和環境影響。我們也看到了許多用于遠洋和深海應用的燃料電池的發展，并相信對運營商的利益有著巨大的潛力。”

靈活的動力以及超越

“祖姆沃爾特號”號和“濱海”級軍艦的要旨是在你需要的時候，在你需要的地方提供電力。商業運營商也是如此，這突出了電力和混合電力推進的顯著優勢。

ABB的戴維·李補充道：“最大的好處是只利用特定時間所需的電力，而不是讓所有設備在線，不需要可用的電力。換言之，在電池混合動力系統中，當只有短時間的負載需求時，您可以利用電池不啟動單獨的發電機。在一個傳統的系統中，你必須有所有的主引擎加上任何數量的發電機，如果你需要或不需要的權力。與今天的船只相比，這種對電力的正確利用降低了維護成本和燃料成本。”

這種靈活性將產生一系列的好處，不僅僅是嚴格的船舶操作和吸引人的特點，船東誰可能繁榮的靈活性。不過，除了這種靈活性之外，還需要使用一種比傳統的化石燃料柴油機更清潔、更安靜、更易于管理的系統。此外，還有一個最重要的環境效益。與“祖姆沃爾特號”號一樣，電力和混合電力的總體優勢將為船舶推進及其運行環境帶來新的可能性。

BAE的彼得·布魯克斯補充說：“我們的愿景是，這項技術不僅能幫助運營商滿足排放要求，還能在我們生活、工作和游覽的地方創造更清潔的港口和水道。該系統本身允許非常靈活的安裝，使造船師有更大的自由，最大限度地利用船舶空間。除了減少排放外，運營商還受益于運營成本的降低，同時通過更安靜、更平穩的船舶運營，提高乘客和船員的舒適度。”