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船舶混合动力,哪些难题影响了它前行的脚步?

2020-05-10 10:16:35
来源:中国船检 编辑: 国际船舶网 我有话要说

如果执行得当,船舶混合动力可以提高效率,节省燃料和维修费用,同时还能在设计中增添一个备受追捧的“低排放/低噪音/生态友好”标签。但是别忘了前面仍然有一个大大的“如果”。

从积极的方面来看,储能系统(ESS)“可以暂时支持负荷,避免不必要地启动和待机,还可以将各种不同的能源连接在一起,储存收集到的能量,形成真正意义上的‘绿色’船舶。一般来说,LNG发动机所需的响应时间比柴油机要多,所以利用电池来调峰负荷可以使电力系统更加动态。” Ulstein改造业务部销售经理Rolf Rovde这样说道。

然而,电池动力船舶的历史中曾经发生过一些失败案例。博纳多的Lagoon 420混合动力游艇就是一个悲伤的故事,由于性能表现未能达到预期效果,这个系列中的很多船舶最终都被改装成了传统的柴油机。

混合动力的问题也延伸到了渡轮和工作艇上。Hybrid Marine总经理Graeme Hawksley解释称:“有时候是工作人员的操作问题,他们在晚上没有把系统接通电源,导致电池的电量耗干了”。Hawksley还指出,许多混合动力有关的问题——尤其是大型船舶上遇到的麻烦——都是由于那些追逐投资的人“太过执着于回报预期”造成的。

反复转换导致能量损失

REAP Systems首席技术官Dennis Doerffel称,更棘手的问题还是物理性的。“众所周知,在转速很低的情况下,发动机往往表现不佳,因此,典型的并行混合解决方案要求只在中等或更高转速下使用,并且同时为电池充电。其理念是,存储的能量能够以非常低的速度推动船舶,从而大幅提高发动机利用效率。”

他表示,这种方法的问题在于“能量的来源仍然是普通燃料,必须通过逆变器将其转换为电能,然后再转换为电化学能,这又是另一种转换。当我们想再次使用这种能量时,又得利用电动机甚至是附加变速箱再次将其转换回去。”其结果是节省燃油获得的收益难以弥补能量转换的损失。他补充说:“根据系统的不同,并行混合动力造成的损失可能达到22%,所以必须得确保收益能超过这个数额。”

此外,船舶必须在非常低的负荷条件下花费大量时间才能发挥作用。Doerffel解释说:“举个例子,乘威尼斯出租船只需25分钟即可到达机场,而慢速运行大约需要5个小时。”不过Doerffel又补充说,电池也许能节省柴油发电机设计的费用。

即便如此,高效的安装和配置对所有相关人员仍然有着很高的要求。Ulstein Design and Solutions创新和开发经理Frode Sollid指出,船舶外部操作对准确性的需求比内部设计更高。Rovde补充说,这不仅关乎船舶执行特定任务时花费时间的百分比,还包括船舶可能遇到的天气条件及其持续时间。Rovde表示:“这取决于外部条件如何影响预期的操作”。两人都认为,在创建一个复杂的系统时,很容易失去对整体有效性的跟踪。

不幸的是,如果规格或操作模式发生重大变化,你还需要准备好推翻那些经过深思熟虑的计算。一旦进行实质性的修改,所有的设计都要回归原点。总而言之,不要指望对现有蓝图做些小的调整就可以摆脱困境。这些系统的交互点太多了。

一不小心就会增加船舶阻力

对于某些船型,这种交互作用还会对船舶本身造成挑战。英国海军建筑师Andy Page解释称,对于40m以下的快速船,“一切都与重量有关,一不小心就会增加船舶阻力”。最终结果可能会形成一种恶性循环:需要更多动力推动船舶,又需要更多船舶来输送动力。

解决方案再次落到了船舶运营模式上。Page表示:“我们对混合动力船舶概念的设计很感兴趣,但我们意识到从来没有真正研究过航速在8节以下的船体阻力。这正是当你想要发挥船舶电动运行潜力时会遇到的问题。所以我们立刻拆掉了所有设备,从头开始。”

这个过程需要创建一系列预期的船形,筛选掉可能性较小的种类,然后对剩余的形式进行严格的CFD分析。Page解释说:“最后,我们发现了如何对船舶尾部进行修改能够降低船舶在低速航行时的动力需求。”由此得来的并行混合动力巡逻和引航船保留了轴设计,但可以通过最小化阻力来提高效率。

使用期限面临难题

据Rovde称,混合动力船舶的使用期限可能是潜在的绊脚石。他表示:“锂离子电池的预期使用寿命通常是10年。某些操作,例如渡轮航行,需要在岸上进行大量充电,然后大幅放电,然后又要快速充电……日复一日的重复进行。”

“这种挑战可以通过增加电池容量来应对。我们使用的电池越大,充电率也就越温和。此外,为了使用期限能达到10年,我们还可以保持船舶电池操作的初始功能。”

然而,说到这个问题就不得不提及高昂的初始投资成本。Rovde解释称:“我们从供应商和船东那里了解到,以平台供应船(PSV)为例,燃料成本节省10%至20%(这就是当前的能效改善现状)并不足以使投资资本支出(CAPEX)和运营支出(OPEX)线早早形成交叉。”因此,许多混合动力船项目需要激励与惩罚并行才能顺利起步。就目前来看,大概有必要给予监管支持。

使用频率不容忽视

这一点是PBES首席执行官Brent Perry提出来的。他指出,PBES的CellSwap电池系统概念允许船东保留电缆、电子设备、冷却设备以及机架和结构组件,同时通过投资一堆使用寿命较短的电池来最大限度地降低成本。他们的想法是,在未来大约五年的时间里,可用技术将取得相当大的进步,具备类似或更优属性的电池价格也将随之下降,同时也避免了第二轮调试和重组成本。

尽管如此,Perry的计算结果使他相信,影响商业可行性的最大因素并不是电池容量的大小,而是其使用频率。他指出,使用储能系统代替旋转备用通常需要深度放电——“但要记住,这是一种安全备份”,他解释道。

当然了,它的使用频率要比用于支持发动机的加速或最高负荷的调峰电池要少得多:相比之下,此时所需的电池可能要小一些。Perry表示,这些不同因素的要求差异很大,因此需要首先进行单独评估,然后再一起评估,以确保不会出现需求冲突。

事实上,Rovde强调必须要注意一种元素不会破坏另一种元素。“如果你想让电池调峰,则需将其保持在正确的充电水平,以便在发生故障时保有旋转备用能力。”Perry总结称:“为了使价值最大化,电池解决方案需要尽可能融合多种功能。”

还有一点也需注意,安装电池不是“一劳永逸”的工作。Rovde指出,即使给出了准确的配置文件,电池的生命周期预测也需要进行反复审核评估。

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