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小型船舶的混合推进系统：环境与挑战

N. Bennabi, J. F. Charpentier, H. Menana, J. Y. Billard, P. Genet

摘要

新一代的船必须满足新的挑战,特别是在能源效率方面,可靠性和环境影响。未来造船的目标之一是减少船舶排放来满足现存和未来法规的国际海事组织(IMO)对温室气体和污染物的排放。在这种情况下,混合动力推进系统(HPS)的解决方案以满足这些需求是有前途的。

这项工作为小型船舶推进系统提出了一种混合状态。本文包括一个对未来造船挑战的大概描述，并对HPS的拓扑结构在小型船只上实现的可能性进行一个描述。对关键特性的HPS组件和几种电动和混合动力推进的小型船舶进行了描述。

关键词：电池；二氧化碳排放;电力;燃料电池;混合动力船舶;平行混合动力;系列混合动力;超级电容器。

命名

IMO 国际海事组织

MARPOL 海洋污染

ECA 硫排放控制区域

简介

在全世界交通行业消耗能源占总商业能源消耗总量的25%。减少运输系统的能源消耗和排放的是主要的问题,因为交通行业对污染有着强烈的影响和对燃料的消耗。超过80%的货物是海运,海上运输排放的二氧化碳在交通行业占比超过30%，人类排放的二氧化碳大约占3%-4%。

温室气体排放相关的船舶是重要的并且快速增长，若不采取行动,这些排放将增加一倍以上，到2050年,由于全球经济预期增长和相关的运输需求,如图1所示，这就是为什么已经建立了严格的国际法规或有关限制船舶排放的项目。

图 1二氧化碳排放在航运业的演变

在这种背景下,最小化的燃料消耗和减少排放是设计新一代的船只的主要目标

其中一个主要挑战是提高效率和优化管理能量和推进的联合系统，以减少燃消耗和环境影响投资尽可能低。在这个角度看,电气化和混合推进系统联合的解决方案对于更高效型船舶和环境友好型船舶来说是不可否认的。在这篇文章中,我们将关注各种小型船舶的混合配置和能源的选择和存储系统。事实上,直到今天,由于技术和经济原因，对于小型船舶的电气化和混合动力关注度不高。

监管方面

对于海洋和河流的海军行业来说，未来的目标之一是减少船只排放的影响最好满足现存和未来的国际海事组织(IMO)对温室气体和污染物的排放的严格规定。

船舶的主要排放臭氧颗粒,氮氧化物,二氧化硫,二氧化硫和二氧化碳。这些排放都是油燃烧产物可分为初级或二次污染物。初级污染物是直接在燃烧过程中形成的污染物(硫氧化物、碳氧化物、氮氧化物hellip;)，而二次污染物是在大气中化学反应的结果(二氧化氮、臭氧、二次粒子hellip;)。

国际海事组织通过的防污染公约73/78，旨在预防和减轻全球海洋污染，例如，防污公约附件六严格的定义了限制硫排放的控制领域(ECAs)覆盖了英吉利海峡,北海,北美海岸和加勒比地区美国控制下的地区,如图2所示。

图 2硫的排放控制领域

在这些保护区(ECAs)目前船用燃料的最大容许含硫量1%,2015年将降至0.1%。在其他领域这些硫含量的限制量为3.5%。这个总体限制可能会下降到2025年的0.5%，审查的结果等到2018年完成,如图3所示。

图 3硫含量的限制

混合推进系统和小型船舶的需要

电动和混合动力推进新结构,通过创新允许使用高性能组件(电池、燃料电池、超级电容器hellip;)，是一种非常有效的大量减少污染物和温室气体排放的途径。如果一些研究只对于大型船只的集成架构进行研究，小型船舶在今天这种系统中获益是少量的。然而,这些新的推进结构的小型船舶在短周期运行是一个真正的技术挑战。

实际上这样的船舶规格意味着最大化它们的乘客装载能力或减少货物体积用来储存能量和能量/推进系统。而且对于这种船,典型的任务包括高的瞬态速度需要强大的电力需求。为系统充电能的可用时间通常也有限。以下部分主要描述混合能源/推进拓扑并且给出了一些关于拓扑的充分性相关的一些具体要素。

小型船舶中一般电动和混合动力推进的优势

混合推进系统(HPS)在运行过程中发生巨大的动力需求变化是有趣的，这种类型的系统设计规则对于不同的船舶类型可以有很大的差别，主要是由于不同类型的任务描述和操作要求。

对于设计效率高、环境友好的小型船舶，混合推进系统似乎是当前可用的选择中一个非常有前途的技术。

• 混合推进系统比经典的机械系统提供更好的能源效率和大量减少温室气体和污染物的排放。
• 混合系统是模块化的，并提供一个电力冗余。
• 使用电动推进系统（POD系统和推进器）可以显着降低噪音和振动，提高机动性。
• 电力推进系统在海军建筑方面提供了更多的自由度，并允许空载板载可用空间。
• 混合推进系统允许减少传输到船舶结构的振动水平。
• 由于内燃机总是被最佳地使用，因此混合推进系统会降低对内燃机的维护要求。

然而，并非所有的技术都已成熟，成本、质量和能源管理性能还不尽人意。 以下部分描述了可能的混合推进系统拓扑结构，并强调了小型船舶环境的重要优缺点。

混合推进拓扑

混合的推进系统基于分离或者同时使用几种不同的能量来源。 不同来源和来源组合的选择旨在适应船舶电力和能源需求，包括低功耗和高功率的需求，节奏变化的灵活性需求以及冗余和可靠性的需求。

使用混合动力系统是降低燃料消耗的很有效的方法。 特别是对于需要高机动性和非常多样化的运行循环的船舶。

有三种主要结构的混合推进链。

系列混合架构

在这种类型的混合推进系统架构（图4）中，串联使用了两种能量系统（内燃机和电力系统）。推进由变速电驱动（推进电机和功率转换器）完成。推进马达的电力通常由一组由内燃机驱动的发电机提供。另一个选择是使用燃料电池来提供电力或燃料电池和由内燃机驱动的发电机的组合。能量存储系统（ESS）（电池，超级电容器等）可以连接到电气总线以提供推进力。这种ESS可以单独使用或与发电机一起使用。

在这种结构中，电力被用作内燃机和推进电机之间的能量矢量，所以在发动机和螺旋桨之间不会有直接的机械连接。这种构造允许解除内燃机和螺旋桨的工作点。这就是为什么要通过从效率的角度优化内燃机和螺旋桨的工作点来提高系统的全球效率。当然，如果使用几台发电机和ESS，这个优点将更为显着，因为它允许通过选择最佳的组合来提供所需的推进动力，以便使运行的内燃机保持在其最佳运行区域。然而，对于小型船只来说，增加来源的可能性受到体积和质量限制的限制。

图 4典型系列混合架构

并行混合架构

典型的并联混合推进模式如图5所示。 并联混合架构结合了两种推进电机：通过穿过齿轮箱和离合器的相同的轴机械耦合的电动机和内燃机。 电动机和驱动器由电气ESS和/或独立电源（例如由内燃机和/或燃料电池驱动的发电机）提供。 两个推进系统可以一起使用或分开使用。

在大多数情况下，其中一个推进系统专门用于低速运行（通常是电气系统），另一个（通常是内燃机）用于高速运行。 第一系统也可以用作升压系统，以在瞬态（起动，加速等）期间提供辅助功率。 这种架构减少了与杂交序列相比的元件数量，并允许优化每个能量源的尺寸。

图 5典型的并行混合架构

串并联混合架构

串并行架构结合了之前定义的两个架构。 该关联允许并行类型的操作通过串行类型的操作。

表1列出了在海岸，冗余和效率方面串联和并行杂交架构之间的比较：

表格 1混合推进剂的性能

	串联	并联
元素/成本的大小	- 为了完全有效，系统必须组合几个额定功率等于总功率的一部分的电源。 它导致增加成本和重量。 - 电动推进电机尺寸对应于峰值功率	- 该系统允许优化每个推进系统的尺寸。 - 减少了电动机的尺寸。 - 增加了复杂机械系统（离合器，变速箱）的成本和数量
电力和效率	- 效率受串联系统（发动机，发电机，变压器，转换器，电机等）的乘法的限制。 - 该系统允许精确的控制和螺旋桨速度的逐渐变化。 如果使用多个来源，内燃机可以以最高的效率运行	- 减少并联组件数量（特别是内燃机模式）的良好效率 - 精确的控制和螺旋桨速度的逐渐变化。 - 燃烧发动机以高效率运行
冗余/可靠性	该系统是模块化的，并提供电源冗余	- 非常高的冗余水平，因为推进力可以由两个独立系统独立提供。 - 可能导致故障的复杂机械系统。

混合推进系统电源

用于船舶的混合推进系统系统以几个电源和能量存储系统的组合为基础。 本部分旨在介绍可在混合推进系统中使用的主要电源和能量存储系统。 在运行循环中最小化燃油消耗需要了解这些不同能源的行为。

发电系统

柴油发动机：柴油发动机目前仍然是船舶使用最多的发动机。与其他来源相比，该电源的特点是具有高度的自主性和相对较低的成本。 柴油发动机的特点是高温度气体和污染物排放，特别是对于使用功率低于额定功率的情况来说。 已经多次尝试减少柴油发动机的排放量; 其中一个可能的解决方案是使用液化天然气液化天然气。

近年来，使用LNG作为替代燃料进行了测试和研究。 图6显示了在排放方面使用几种燃料和LNG的比较。

减少约85-90％的NOx排放，几乎100％的SOx排放和约15-20％的二氧化碳排放等结果表明，LNG是减少排放的柴油非常有意义的替代品。

图 6典型船只的排放燃料

燃料电池：燃料电池可以成为排放量非常小的小型船舶的电力生产的有用替代方案。

燃料电池具有柴油发动机的预期寿命。 它是将燃料的化学能转换为电能的电化学装置。

燃料电池根据工作温度和使用的电解质的性质进行分类。 燃料电池有两类：高温低温燃料电池。 低温燃料电池类别包括碱性燃料电池（AFC），质子交换膜燃料电池（PEMFC），直接甲醇燃料电池（DMFC）和磷酸燃料电池（PAFC）。 这些燃料电池的特点是工作温度为50至250°C。 高温燃料电池包括固体氧化物燃料电池（SOFC）和熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）。 它们的工作温度在650 到 1000℃之间。

图 7燃烧系统和燃料电池系统的效率和电力功率比较

图7显示了能量产生的不同要素之间的比较，表明PEMFC的效率高达45％（PSCF的效率约为40％，柴油机效率约为35％）。 它可以提供高效率的零排放功率。

还可以注意到，PEMFC技术的特点是相对较低的工作温度，这确保了一个容易且快速的启动，对于具有可变工作周期的容器来说可能是有趣的。 与其他燃料电池类型相比，另一个优点是其寿命长。 所有要点表明，PEMFC可以成为低功率小型船的HPS非常有吸引力的元素。

蓄电系统

可以使用中间能量存储装置来更好地管理能量并减少峰值功率水平对能源尺寸的影响。 能量存储系统的集成为能源的效率和最佳利用提供了有意义的解决方案。 与常规系统相比，它还可以显着降低噪声和振动。

图 8几个存储系统的Ragone图

图8给出了不同储能系统在比能和峰值功率方面的比较。

用于存储电能的最古老和最经典的方法是使用电池。如图8所示锂离子电池与其他电池类型相比具有显着的优势，特别是在能量密度和效率方面。

超级电容器也可以用于短时间短时间的小型船舶的中间储能系统。它们的特点是具有高的充放电峰值功率，可用于具有非常低的比能量的快速动态存储。它们通常与较慢的系统（如电池和燃料电池）相关联，以管理高功率短暂瞬变。它们可以在许多类型的电化学电池停止工作的非常低的温度下工作。

飞轮也可用于某些特殊情况。像超级电容器一样，它们的特征在于功率密度高但能量密度相对较低。然而，使用飞轮导致实施安全系统，以保护船员和乘客免受飞轮故障的影响。所以他们在小船上的用途似乎非常有限。

电气和混合容器的例子

Nemo H2项目

该项目于2009年在阿姆斯特丹发射。它是第一批使用燃料电池开发的船只之一。 Nemo H2长22米，可搭载86名乘客。 推进器基于一系列由燃料电池系统PEMFC（60-70kW）提供电力的架构。

当船舶不处于全工况时，铅酸蓄电池（30-50kW）将被充电。 这些电池可以在需要时提供额外的电力。

图 9 Nemo H2阿姆斯特丹

混合TUG RT Adrian

新一代混合动力推进拖船已于2011年建成。第一艘欧洲混合动力拖轮称为RT Adrian（图10），用于鹿特丹港。 称为“XeroPoint混合动力推进系统”的拖船混合架构是组合柴油发动机，电池组和柴油发电机的串并联混合架构，如图11所示。 推进系统可用于全电动或柴油电动模式（低功率模式），中功率范围内的常规模式或全功率组合模式。 在这种组合模式下，同时使用柴油推进发动机和电动机。

图 10 鹿特丹港的混合动力TUG RT Adrian

图 11 Xeropoint示意图推进系统

拉罗谢尔巴士电太阳海

这种混合建筑船可以以6节的速度载运75名乘客。 它配备

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