该技术小组详细介绍了混合动力船舶的基础知识，并分享了专家对混合动力船未来几年发展的预测以及它们对船东的意义。

2023 年 8 月 28 日

科技集团瓦锡兰公司（Wärtsilä Corporation）周四（8 月 24 日）发表了一篇深入分析混合动力船基础知识的文章。 其中，该文章分享了专家对混合动力船未来几年的预测以及这些预测对船东意味着什么，内容如下：

您是否已经在驾驶混合动力船，并想知道下一个十年会发生什么？ 或者，您可能有兴趣投资混合动力船并希望能获得更多见解？那么，就让我们深入了解混合动力领域的最热门趋势，一起寻找在提高船舶性能的同时如何节省燃料。

首先，混合动力船舶领域有哪些值得我们期待的趋势呢？ 专家预测，未来几年将会出现：

 • 新类型电池
 • 更强大的电池
 • 根据功能而非尺寸选择电池
 • 燃料电池的使用上升
 • 更多直流集线器——虽然可能不一定总是正确的选项
 • 标准化岸电
 • 渡轮领域的混合动力改造

想从基础开始吗？ 在下一部分中，您可以了解混合动力船舶的工作原理以及它们的优势。

什么是混合动力船舶？

混合动力船舶是使用两种动力源的船舶，并通常为传统内燃机和可充电的电池。这些船舶的型体可以小至当地的渡轮，也可以大至纯汽车和卡车运输公司 (PCTC)。今天，所有领域的混合动力船舶数量都在增长，其中，近海工业曾经是混合动力系统船舶的最大市场，但今天，市场上也现了混合动力小型商船、PCTC、滚装和客滚船、小型渡轮以及拖船和研究船等特种船舶。

混合动力船如何运作

混合动力电动船舶可以在需要时在发动机和电池之间立即切换能源，或同时运用。其中，电池有两种使用方式：

 • 优化推进系统——电池用于旋转储备、调峰、预防停电或负载爬升支持等功能
 • 零排放航行——以电池作为船舶靠港移动或作业时的唯一动力源。

最大限度地发挥混合动力系统优势的关键在于专用的能源管理系统 (EMS)，该系统既可以优化不同电源的相互作用，也可以通过转换器直接控制、决定充电和放电速率以保护电池。这是标准电源管理系统 (PMS) 无法做到的一点。

混合动力方案能帮我省钱吗？

与同等柴油动力船相比，运行混合动力船可节省 15-25% 的燃料。其中，发电机组的磨损会较少，因为它们可以在电池接管能源时断电，并意味着维护成本也较低。

混合动力船舶有哪些好处？

除了成本和效率优势外，混合动力船也更环保，同时，与同类柴油动力船相比，其排放量能降低高达 25%。而这一点，也使业者更容易遵守严格的排放法规，并增加了船舶对承租人或乘客的价值吸引力。

此外，使用电池供电也可以减少噪音和振动，让船舶更为安静，也使乘客和船员更舒适。同时，减少噪音和降低排放也对沿海社区和生态系统有着积极的影响——例如，混合动力船在港口作业期间可以实现零排放航行。并且，若在岸边让电池充电，也可让其电力来源于高达 50% 的可再生能源。

混合动力船舶的最新趋势是什么？

让我们放眼混合动力船舶的未来。其中，以下是我们预计将在未来十年看到的七大趋势，以及它们对您带来的可能影响。

1. 出现新的电池类型

所有船用电池都是锂离子电池，类似于汽车和能源行业常见的电池。 现在，我们已开始看到与常见的镍锰钴 (NMC) 电池一起推出的新型船用锂离子电池化学材料，包括：

 • 磷酸铁锂 (LFP) 电池，以及
 • 锂钛氧化物(LTO) 电池。

这对船东意味着什么？

这些新型电池根据应用领域能提供不同的优势，例如：更长的使用寿命、更轻的重量或更低的成本。每个制造商对其产品都有自己的主张，而电池供应商的数量也一直在增长。如果您想了解针对特定船舶应用的完整市场概况和建议，请与瓦锡兰等大型船舶电气集成商联系；他们将能够针对最佳的电池化学成分和适合您船舶的最佳解决方案给予建议。

2.电池日益增强

过去，电池主要用于旋转储备，能为船舶应用提供全部负载。例如，当备用发电机组被关闭时，电池将为靠岸作业期间的船舶应用提供电力。而当时的电池也更小，并能用于调峰和爬升支持。

而今天，船舶的电池容量高达 40 MWh，已可以实现零排放作业。同时，这种电池可以在港口停泊期间提供电力。

然而，电池的尺寸并不是唯一需要考虑的重要因素。 合适的电池取决于其使用方式和船舶的运行情况。

同时，更低的价格并不是推动更强大电池市场趋势的原因。 尽管我们在 2020 年之前看到了价格稳步下降，但现在已经停止。 随着全球对电池及其原材料的需求不断增加，其价格不太可能进一步下跌。

这对船东意味着什么？

更大的电池能为零排放操作提供更大的灵活性，因为它们可以承担更多的能源密集型任务。 根据您的操作情况设计混合动力推进系统可以带来创新的船舶运营方案并提高效率。

例如，瓦锡兰设计的推进系统可以添加多种不同模式，以帮助船舶操作员以最佳效率自动运行推进系统。

而围绕电池设计的推进系统也比旧的推进系统设计效率更高，并能够显着节省成本。 譬如，与船队中的类似船舶相比，混合动力散货船“Misje Vita”可节省高达 40% 燃油消耗。

当下，电池技术已在要求严苛的航运领域证明了其长期可靠性；可靠的船用电池对于船舶的平稳运行至关重要，而瓦锡兰一直都是该领域的先驱之一。其中，我们的船用电池已运行了超过 10年，并持续保持着良好性能。这使我们成了一家能够实现高可靠性水平的集成商。

3. 重要的是功能，而不是尺寸

由于电池有助于优化推进系统，因此，其理想尺寸取决于船舶的运行情况。 不同的模式能帮助船舶操作员选择最有效的方式运行推进系统。例如，若有进行岸边充电的必要，电池尺寸作为航行考量因素不如充电时间和容量那么重要。

鉴于电池有助于优化推进系统，其理想尺寸其实取决于船舶的运行情况。

同时，基于功能设计的电池系统已越来越普遍，因为这有助于实现更好的推进系统。同时，它还可以激发能更有效运营船舶的创新方案。

这对船东意味着什么？

在船舶现有的推进系统中添加电池只会增加船舶的重量。因此，为了获得真正的好处，运营商必须根据船舶的功能重新设计推进系统。

与原始设计相比，重新思考船舶设计可以显着节省成本。 如果混合动力船舶的装机功率不低，您应请专家重新评估其设计。

4.燃料电池越来越普遍

燃料电池的工作原理类似于不需要充电的电池。只要有燃料和氧化剂它就会产生电和热。其中，电池和燃料电池都提供直流（DC）电力，不过，电池适合可变负载，而燃料电池则最适合稳定的基本负载，因为它们对负载变化的反应不佳。而这也是为什么，燃料电池总是与电池相伴。

今天，质子交换膜燃料电池 (PEMFC)已可用于船舶。若直接使用氢气，它们的效率将超过 50%。若需要通过重整器从LNG（液化天然气）等另一类燃料制造氢气，那么，就算质子交换膜燃料电池仍然与优质内燃机一样高效，其价格也要贵得多。

另一方面，一个更有趣的燃料电池技术就是固体氧化物燃料电池（SOFC），目前正在开发中，尚未未能用于船舶。不过，SOFC可以直接利用甲醇或氨发电。

这对船东意味着什么？

一些船东会尝试这项技术来获得经验，但对于大多数船东来说，这只是更多的观察和等待。

PEMFC 是船东计划使用氢气的一个选项。其中，您将需要更多的空间储存氢气，并因此增加船舶重量而减少航行里程。

5. 直流集线器正在成为行业默认选择——尽管这或许不理想

直流集线器是一种新的动力系统集成概念，能使用直流电 (DC) 进行配电。

混合动力船通常具备：

 • 连接发电机的发动机，可产生交流电 (AC)
 • 产生直流电的电池。

直到最近，电力都是在需要的地方通过交流电进行分配。然而，直流集线器这种新的电气集成概念现在正逐渐成为一种流行。其中，直流集线器能使用直流电进行配电。

当主电源为产生直流电的电池时，让直流集线器消除转换步骤是有意义的。 然而，直流集线器可能不是所有混合动力船的正确方案。

这对船东意味着什么？

越来越多的混合动力船被设计为仅配备直流集线器，然而，这可能将被证明是错误的。

直流集线器对于配备小型高速发动机的小型混合动力船而言很有意义，但对于配备许多发动机的高功率船舶或大型混合动力船舶而言，它们并不理想。

试想一艘船舶以柴油发电机作为主要电源并产生交流电，如果电动机或酬载（两者都需要交流电）为其电力主要消耗，则将电力从交流电转换为直流电，并再次转换回来将会产生热量和造成电力损耗。

直流集线器对于配备小型高速发动机的小型混合动力船舶来说很有意义，但对于配备许多发动机的高功率船舶或大型混合动力船舶来说，它们并不理想。 相反，这些船舶应将发电机组连接到交流电网，并将电池和其他交流用电设备连接到小型直流集线器，这些集线器是整个柴电混合动力系统的一部分。

精选内容：想知道直流集线器是否适合您的混合动力船舶？请详阅相关文章“使用DC 或不用 DC，这是问题所在”。

6. 岸电的新标准日益受欢迎

高压岸电连接 (HVSC) 系统的 IEC 80005 标准自 2011 年起生效。HVSC 系统允许船舶从岸上获得电力。而它们最初的作用，是要消除在港口时使用辅助发电机组的需要。

由于 HVSC 系统也可用于为混合动力船的电池充电，因此，目前采用混合动力系统的所有新建大型 RoPax、RoRo 和 PCTC 船舶均配备了 IEC 80005 岸电连接装置。这些船只可以在任何提供岸电的港口获取岸电；其中，到 2030 年后，所有主要港口都得按规范这么做。

IEC标准岸电的功能很简单。 例如，如果 RoPax 码头提供 6.6 兆瓦的岸电，而您在港口的酬载为 3 兆瓦，则剩余的可用电力（3.6 兆瓦）可用于为您的电池充电。

此解决方案的缺点是完成连接需要花上几分钟。如果充电时间至关重要，您将需要更快的连接解决方案；而这就是所谓的“渡轮充电器”发挥作用的地方。

专为卡车设计的兆瓦充电系统（MCS）将为渡轮充电的标准化带来重大变化。MCS 具有便于让单人操作的标准插头。 该系统还可以在很短的时间内传输高达3MW的电力。

要了解汽车标准如何适用于船舶，请了解世界上第一艘零排放快速渡轮“MD Medstraum ”如何成功通过使用标准 CCS2 充电器（与电动汽车使用的类型相同）供电。

这对船东意味着什么？

标准化意味着充电将变得更容易、更快捷。 如果您的船舶配备能插入IEC的标准岸电设备，其连接将需要几分钟的时间。 如果您需要更快的连接解决方案，所谓的渡轮充电器可以在 30 秒内完成连接。这些都可以自动或手动连接，但目前需取决于制造商定制的方案，因此，您只能将它们用于始终运行相同航线的船只。

今天，渡轮充电器每一年都可进一步提供更多的电力：最大的充电器现在可以为船舶提供 15MW 中压交流电力，或超过 8MW 的直流电力，无需在船上进行转换。

7. 轮渡领域开始进行改造

混合动力系统可通过改装工程装置在船舶；例如，瓦锡兰在过去 10 年里完成了约 30 次混合动力改装工程。其中，大多数的船舶改造都涵盖标准 HY 模块。

渡轮船主的选项包括：

 • 将传统船舶改造成混合动力渡轮
 • 将柴油推进火车渡轮改造成全电动。

由于某些发电机组可以拆除，因此，空间和重量通常不成问题。同时，也可以进行其他部分的改装，特别是针对使用柴油电力推进的火车渡轮。

此外，其可用的充电时间和功率通常比航行考虑因素更能决定新系统的规模。而适用于混合动力转换案例的另一个因素，就是地方当局对充电设置的支持。

这对船东意味着什么？

如果您有兴趣将您的船只改造为混合动力船，您需要采取两项主要行动：

首先，查看沿途的充电选项；这通常决定了改装是否可行。

接下来，与可靠、领先的系统集成商交谈。其中，瓦锡兰拥有以有效、最优化方式改造您船舶的经验，并可以在其整个生命周期为您提供支持。

照片来源：瓦锡兰
发布日期：2023 年 8 月 28 日