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电动船舶的技术现状和风险研究

来源:爱游戏全站平台 作者:爱游戏网页官方            发布时间:2022-09-07 04:04:25

  2022年3月29日,我国自主研制的世界上载电量最大的纯电动游轮“长江三峡1”号,在湖北宜昌市秭归新港码头首航。该游轮具有自主知识产权,配备总电量约7500kWh的电池系统,一次充电可续航100公里,每年可替代燃油530吨,减少有害气体排放1660吨。

  随着动力电池技术不断发展,船舶电动化趋势渐升,纯电池动力系统船舶在全球已得到广泛推广应用。根据英国克拉克松研究的统计数据,截止2019年5月底,全球营运中和拟建造的电动船舶数量为155艘,其中营运中船舶75艘,拟建造船舶80艘。电动船舶的快速发展得益于电池动力自身的优点以及政府和环境等各方面对行业的加持,本期带大家一起来深入了解电动船舶的特点以及风险评估研究。

  船舶动力系统的发展经历了蒸汽动力装置、汽轮机动力装置和目前主流的柴油机动力装置三个主要阶段。新兴的纯电力推进和常规的柴油机机械推进相比,具有如下优点:

  (1) 经济性好。纯电动船舶较常规柴油机船舶运营成本具有较大优势,以拖轮为例测算,纯电动船舶使用寿命30年内动力消耗可节省一条常规拖轮的造价, 经济性可观。

  (2) 操纵性好。纯电动船舶的推进电机转速易于调节,螺旋桨采用全回转设计,在正反转各种转速下都能提供恒定的转矩,因此能得到最佳的工作特性。具体来说船舶来车快,更利于船舶瞬时操纵。

  (3) 可靠性强。柴油机推进的船舶,一旦主机重要部件或舵机、辅机出现故障往往会致船舶瘫痪。纯电力推进船舶使用多组电池组作为能源并互为备用,电池管理系统可以及时隔离故障组,不影响其它电池组正常供电。

  (4) 空间利用率高。传统船舶轴系长度往往占到船长的40%左右,纯电力推进的船舶替代了传统的传动轴系、发电机、分油机、油柜、燃油锅炉等设备设施以及燃油管线,改善了机舱的布置,可以更加合理地利用机舱空间。

  (5) 环保性能佳。纯电力推进船舶大大减少了船上振动和噪音,提高了船员和乘客的舒适度且工作期间无大气污染物排放,也减少了燃油对水域污染的可能性。电池到达使用寿命后,厂家对废旧电池进行回收和集中处理,避免生态环境污染。

  (6) 为船舶智能化发展提供了路径。纯电动船舶摒除了大量燃油机器设备,取而代之的是操控便捷、集成化智能化更高的电气设备,自动化程度高,更有利于实现“机驾合一”模式,甚至可以进一步推进船舶智能化发展,实现未来无人船舶愿景。

  电池动力船舶相对于传统船舶的主要区别在于动力源的改变,将传统以柴油为燃料的柴油机动力源改为动力电池,这将实现船舶航行过程中的无污染、低噪音,但也涉及了新的风险点。

  作为全船唯一的动力来源,电池动力系统不仅要提供船舶航程所需的电力,还需要保障对船舶正常航行、船舶安全及冷藏货物所必需的设备供电,并保证至少最低舒适的居住条件和生活条件的供电。在电池动力系统严重受损情况下,将造成全船同时失去动力和电力。而船舶的航行环境与陆上环境有很大不同,大多数水域水是流动的,受气象、水文、航道和交通等因素影响,一旦失去动力,极有可能引发撞船、搁浅等船舶事故。因此,电池动力船舶设计需认真考虑船舶失电风险。

  2019年10月10日,挪威渡船公司Norled旗下“MFYtteroyningen”号客船的蓄电池室发生小型火灾事故,船舶通过另一半的传统动力返回港口,乘客和船员安全撤离。在船舶回到港口以后,当天晚间,船上锂电池所在的处所(甲板下方的相关区域)发生了严重的气体爆炸,造成重大破坏。而且由于不知情,赶去事故现场灭火的12名消防员因接触与电池有关的有害气体而被送往医院。该船采用了三元锂电池,其二次爆炸极有可能与三元锂电池受损释放氧气及可燃气体有关。

  2018年中国新能源汽车保有量为261万辆,国家市场监督管理总局数据显示,2018 年中国至少发生了40起涉及新能源汽车的火灾事故。2021年1月到9月,国内已发生多起新能源汽车起火事件,平均一个月至少3起以上。幸运的是电动汽车车主开门便可逃生,因此以上事故并无造成人员伤亡,但也提醒我们必须正视动力电池的火灾风险和安全性。目前全球只有七十多艘电池动力船舶,营运经验积累匮乏。船舶相对于汽车有着明显的工作环境差异,不能仅借鉴现有电动汽车的经验来评估电动船舶的安全性。

  2021年3月,挪威另一艘全电动观光船“MS Brim”号突发火灾。当时该船停靠码头,船上仅有4名船员。事发之后,船员迅速被疏散,该船被拖航至安全水域。尽管情况已稳定,但火灾可能导致船上电池暴露在高温下,在封闭的舱室中产生爆炸性及易燃气体。因此,有关部门当时禁止任何人登船甚至接近船舶,并在该船周围设立了300米的安全区。

  目前,作为联合国制定及通过海运安全和保安方面国际规则的专门组织,IMO迄今为止还没有制定有关锂电池动力船舶安全方面的公约及规则,SOLAS公约虽然规定了电源及发电机组要求,IMDG规则规定了运输锂电池相关要求,但一直没有将纯电池动力引入公约当中,成为制约锂电池动力船舶发展的一个重要因素。国际公约中尚没有专门针对纯电动船舶的构造、机电设备、防火布置、防污染要求及船员培训、发证和值班等方面的具体规定,而现有的国际公约、国内法律法规的要求无法完全适用到纯电动船舶上,针对纯电动船舶的法规要求还需进一步讨论和研究。

  对于电池动力船舶,各主要船级社都制定了相关规范和指南,并根据实践不断进行修订和完善。国外船级社中,DNV最早于2012年在船舶入级规范中纳入电池动力暂行规范,而后电池动力(Battery power)相关内容也被纳入2015 年推出的新DNV联合规范第 6篇第2章第1节,经过数轮修订完善,目前最新版本为2020年版,章节名称更改为电能储备(Electric energy storage)。ABS 于 2017年颁布《锂电池在船舶与海洋工程中的应用指南》(Guide for use of lithium batteries in the marine and offshore industries),目前最新版本为2020年版。

  针对锂电池动力船舶存在的主要相关风险,我国选用安全性较高的磷酸铁锂电池作为船舶动力,并制定了与之对应的法规、规范和检验标准,形成了比较完备的体系。截止到2020年,中国海事局和中国船级社发布的法规、规范和检验包括:《内河小型船舶法定检验技术规则》(2019)、《内河船舶法定检验技术规则》(2019)、《太阳能光伏电池系统和磷酸铁锂电池系统检验指南》、《直流配电电力推进系统检验指南》、《混合动力船舶检验指南》、《纯电池动力电动船舶检验指南》(2019)。

  锂电池作为船舶动力唯一来源,其系统安全关系到船舶本质安全。锂电池本身存在诸如电池自身安全性风险、电池系统缺陷及保护系统不到位风险、锂离子电池使用环境温升风险、能量集聚风险、碰撞风险、电池管理系统故障或与船舶管理系统协调风险、管理与维护不当风险等。这些风险会直接或间接导致锂电池发生热失控事件,因此理解热失控事件机理及热失控事件带来的后果对分析锂电池动力船舶安全性及事故应急处理等具有非常重要的意义。

  电池发生热失控事故时,如果电池已发生燃烧,会产生更多热量而相应释放气体量则减少。如没有发生燃烧则相反。因此在进行热风险评估时需在大量发热与大量爆炸性和有毒气体产生之间进行权衡:

  锂电池舱发生火灾后,工作人员进行现场勘查时应做好人身防护。进入现场勘验时,工作人员应准备防触电设备,制定触电应急措施,并对舱内气体进行采样检测,在确保人员安全的前提下展开现场勘验,避免事故现场对人员造成次生伤害。

  热失控事故不仅会造成温度升高热蔓延,还会释放具有燃烧爆炸性及毒性气体。分析磷酸铁锂电池热失控实验发现,局域电池温度并没有明显剧烈温升但是存在大量气体释放现象。为了防止热失控事件后果升级,可以通过应急通风减少或消除气体释放产生的气体云团。

  根据全球HIS Fairplay数据库中登记的1998年至2017年期间报告的船上机舱火灾数据可以发现,每艘船每年的机舱火灾总频率为 6.8E-4。与传统内燃机船舶机舱起火相比,电池起火的可能性似乎更低。然而在 HIS Fairplay 数据库中登记的机舱火灾包括许多不同规模的火灾,不一定与电池系统QRA 中建立的全局火灾规模相关,全面评估电池系统是否比传统内燃机更安全需要更充分的数据支持。同时可见,火灾蔓延保护及电流中断装置是电池系统中最重要的保护措施。

  当前,电动船舶的大规模推广应用受制于电池动力船舶相关标准缺失、充电设施不完善、电网供电能力有限、商业模式不清晰等问题,亟需多方合力解决。但是船舶电动化是重要的发展方向,也是船舶行业实现节能减排和转型升级的重要路径。我国发展电动船舶具有得天独厚的技术和产业优势,相信通过技术攻关解决关键瓶颈,通过示范运行明晰商业模式,电动船舶将在船舶航运市场占据一席之地。

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