什么是混合动力船？什么原理又有哪些优势？一文读懂她

与船舶的设计一样，船舶的动力系统也经历了几代人的变化。从使用大型风帆的原始时代到核动力船舶，这种演变往往引起船舶爱好者的极大兴趣和关注。

在过去的两个多世纪里，煤炭和燃油一直是船舶主要的动力支撑，海洋上的船舶越来越大，越来越先进，运营时间也在延长。目前，柴油动力的船舶仍然是世界各地最常见的船舶形式。然而，在船舶动力领域的各种发展中，混合推进是一个正在出现的概念，受到许多人的欢迎，并将在未来几年持续发展。

混合动力系统的日益流行在航运界的优势是多方面的，但其主要的应用前景集中在碳减排上。毋庸置疑，碳排放造成的污染是航运业努力应对的最大挑战之一。据报道，仅航运业就占了碳和亚硝酸盐污染的15%以上，硫磺等其他有害气体的占近10%。更有一项令人震惊的研究表示，一艘传统的柴油机运行的大型油轮或集装箱船在其运行周期内所排放的有害污染物相当于5千万辆汽车。

在过去的几年里，国际海事组织（IMO）与世界各地的政府机构、主管部门、法定机构、船级社以及行业的利益相关者一起，全神贯注地开发、宣传和实施一些手段来控制船舶的排放水平，已经取得了一定程度的成功，但鉴于全球船队数量的增加，仍有很多事情需要完成。

在寻求减排的过程中，一些关键的里程碑是严格要求符合技术基准，如EEDI（船舶设计能效指数）或EEXI（现有船舶能效指数），这就要求船东使用低硫燃料，采用废气净化和过滤措施，使用质量更好的柴油，更高效和低消耗的发动机，使用替代燃料如液化天然气等措施来满足技术基准，那么此时混合动力船舶因此“诞生”。

什么是混合动力船，它们是如何工作的？

混合动力船，顾名思义，是指在设计和建造时，主要使用由传统的气体或燃料动力发动机和电力来源相结合的推进方式，这个概念类似于电动汽车。

如前所述，混合动力船不是完全电动的，而是与传统发动机“共存”的。因此，对于给定的电力需求，供应来自发动机以及电池源的补充。此外，对于一些具有低功率要求的操作，如在港口停泊，在码头装卸，或只是在“待机状态”下，供应可以完全由电池本身产生。

从本质上讲，以电池形式存在的额外动力手段可以在两种状态下使用：

1）补充全面运行和服务时的需求，并使主发动机在标准额定值内运行，没有不必要的峰值。

在技术上，这被称为“削峰”，简单地说，是指管理电力需求中的突然和动态需求。对于全面运行的混合动力船舶来说，每当由于提高速度以减少航行时间或应对海上恶劣的天气条件而出现突然的功率峰值需求时，主机或推进系统不会遭受高额的负荷，因为这种额外的功率需求可以在那一刻通过给定的替代手段进行补偿。此时，主发动机继续在最佳额定值内运行。

2）在低功率情况下满足船舶的全部负载要求。对于专门用于近海或研究等领域的船舶来说，船舶定位在某一个地方时，低功率运行程度很高。电池动力被全部或部分用于像DPS或动态定位系统或推进器这样的技术，以及其他各种操作，如甲板起重机、货运设备、泵、空调，还有船舶日常操作的内部电力需求。当电池负载完全取代或替代主发动机负载时，这被称为 “旋转储备”。

混合动力船需要有在两种动力手段之间切换的机制，或在需要时同时部署两种电源。

虽然我们没有深入研究电池的细节，但它们通常是锂离子类型的重型工业电池。这些电池有能力根据船舶的要求和尺寸，连续循环提供数千千瓦的电力。这些电池大多以串联-并联的方式运行，这样就可以从单一的供电线路提供足够的电力，而且当其中一条线路发生故障时，其他线路可以继续供应而不受影响。

现在，重要的问题出现了：这些电池如何进行充电？这就需要提及混合动力船中普遍存在的两种安排：

1）插电式混合动力船。这类似于插电式混合动力汽车，可以在车站使用充电装置为其电池充电。同样，插电式混合动力船在码头使用岸电对其电池充电。这种能量被储存在电池组中。这些船舶在非常长距离的操作中基本上不是很常见，因为储存在电池的电容器中的电荷只能使用有限的几天，并且再次有充电的要求。

2）传统的混合动力船。这些船舶不需要在岸边进行常规充电。蓄电池可以使用发电机、交流发电机和其他手段，利用来自主机或辅助发动机的动力进行充电。这是一种相互关联的安排，电池依赖常规发动机进行充电，而发动机的高负荷或峰值要求由电池的动力来分担。

通常情况下，充电是在发动机以最佳负荷运行的低功率情况下进行的，产生的多余能量被用于给电池充电。这种安排对长距离的船舶是有利的。

混合动力船小到沿海渡轮，大到近海支援船。安装的电池功率应与船舶的大小以及船舶的整体装载要求或功率消耗成正比。因此，这意味着对于一个给定尺寸和发动机的混合动力船来说，电池的布置应该能够使得产生的最小电功率足以照顾到最坏情况下的最大峰值负荷，通过补充发动机负荷而不使其超过额定极限，同时也能满足所需的低功率操作要求。

这样对于混合动力船的特定设计和操作性，主发动机的选择以及电池供电的要求，应该同步进行。

目前有几艘具有混合动力的新船正在建造，也有许多旧的和现有的船舶也正在被改造成混合动力。2003年建造的大型供应船“维京能源”曾是一艘双燃料（柴油和液化天然气）动力船，最近通过在船上安装1600千瓦的电池系统，被改装成了一艘插电式混合动力船。

混合动力船的优势和未来的方向

除了在安装过程中对大型船舶来说有点昂贵的缺点外，混合动力船舶的优势是它吸引世界各地的船东和运营商的主要原因。

混合动力推进的首要和最大的优势是燃油效率。成功的混合动力装置显示，与传统的纯柴油推进相比，可以节省15-20%的燃料。对于较小尺寸的船舶，这一数字上升到30%。据报道，即使在大型船舶中，维京能源公司的燃料节约率有时高达25-28%，并已成为混合动力推进领域的一个典范。燃油消耗的节省可归因于在低功率情况下的全电动操作模式，以及吸收峰值负荷，并将发动机保持在最佳限度内，没有上述的不必要的激增。因此，在不影响运营效率的情况下，对船东和运营商来说是非常有利的。

由于上述同样的原因，带来了另一个非常关键的优势，即降低排放。正如本文开头所提到的，有效的燃料消耗相当于减少了碳和其他有害物质的排放水平。不同类型的船舶，排放和脱碳的减少量在20-30%左右，这是一个重大的改进。由于对于环境的保护，混合动力船正获得越来越多的认可。

其他优势还包括：

推进效率：在最佳负荷下运行的发动机始终是推进效率的基准之一。

灵活性：可以根据需要随时切换动力模式，当主要动力来源受到影响时，还可以有一个可靠的电力备份。

与传统推进器相比，噪音和振动更小。

混合动力无疑是海事领域的先驱性发展之一，相信混合动力船肯定有一个非常光明和绿色的未来。