引导海军动力系统走向有弹性的清洁能源未来将需要精确的导航

转向海军动力系统向一个 有弹性,清洁 能源的未来需要精确的导航 许多因素可以导致海军市场主远离 商业领域,但现在 有一个新的因素:过渡数字化和电气化 清洁能源。这是什么意思动力系统? 先生,“我在这里出售,所有世界欲望:权力。” ——马修·博尔顿,博尔顿&瓦,1776 海事发动机提供动力系统 和推进世界各地的海军力量。 他们是派出有能力和有效的人的核心海军舰队。在全球市场的发展, 今天的领导人和判断和行动决策者将塑造未来 动力系统几十年了。 我们的研究表明,海上动力系统柴油、燃气轮机、天然气等市场 发动机类型价值350亿美元，主要由商业航运，包括海军市场 适度的12%，约合40亿美元。气候对于海军动力系统来说，由于他们的独特而严格的设计要求，包括 车队运营商对弹性供应链的渴望和操作的灵活性。 虽然在很大程度上不受国际海事的约束组织法规，全球许多海军仍在 被社会强迫解决环境问题，社会和公司治理的担忧。的资源效率和环境影响 车队是重要的考虑因素，即使与技术等作战目标 优势,杀死链缩短,增加了 生存能力和杀伤力，操作灵活性，能源独立，以及有弹性的工业基础。 清洁能源转型已经在进行中商业海洋空间。例如，马士基 订购了八艘甲醇燃料集装箱船，小型电池供电货机正在服役，和压力改善更加明显 整个行业。在本文中，我们描述了今天的海军动力总成市场，讨论其发展方向，并阐明决定因素 它将如何发展。 海军动力系统的状态 美国海军部署的绿色舰队 在2016年展示了使用能源效率和替代能源的概念。推出包括 成熟的技术和业务的发展,减少电力需求和 从推进环境影响较小。 这些发展包括即用型生物燃料、混合动力电动驱动,提高运输速度慢 发动机效率、船尾襟翼、热管理、燃烧电子控制装置、球形船首、船体和螺旋桨涂层，以及海上电力监控。 这个展示,然而象征意义,强调了 潜在的未来海军动力系统。我们预计以以下事态发展为指导的潜在途径两个方面: 动力系统平台配置 可以在不同的中配置动力总成实现船舶服役力、战斗力、和推进需要一系列专用 海军平台2页(见图1)。 配置反映了优先事项和任务不同的海军平台，包括潜艇， 表面的战士,战士巡逻,无人驾驶船只,和海军支持和辅助船只。随着原动力引擎,这些动力系统配置集成了子系统和组件 所支撑的主要投资于研发 和军事加固。典型的装修包括军用级部件，如电动机 和发电机，电力控制，配电，功率转换和燃料或能源存储。 一旦投入使用，海军动力总成上的典型战斗舰将产生足够的动力来运行 一个小镇，同时占据了大约五分之一的面积船的体积。 引导海军动力系统走向有弹性的清洁能源未来将需要精确的导航1 图1 海军动力系统可以通过多种方式进行配置。 推进 结合柴油和柴油 (CODAD) 结合推进和权力 权力Leadingplayers 柴油发动机: ——猫 ——男人 ——劳斯莱斯MTU ——瓦锡兰 费尔班克斯-莫尔斯 ——IsottaFraschini 结合柴油 和/或气体涡轮(CODAG/CODOG) 结合 气体和/或燃气轮机(COGAG/COGOG) 结合柴油 和天然气涡轮(CODLAG) 船用燃气轮机: ——通用电气 ——劳斯莱斯MTU ——ABB ——CATSolar 燃料电池燃料电池: ——西门子 ---GM ——博世 ——东芝 核蒸汽核: -威斯汀豪斯 ——劳斯莱斯 ——法国电力公司 集成 完整的电推进(IFEP) IFEP可以结合任何和所有形式的基础权力。在实践中,只有一个或两个选项会 选择。 权力积分器: ——通用电气 ——西门子 ——ABB ------DRS技术公司 柴油燃气轮机核反应堆汽轮机 燃料电池发电机|电动马达 船舶装载(传感器、灯光、武器等)。 来源:卡尼研究所能源过渡 螺旋桨变速箱 物理连接电气连接 蒸汽连接 引导海军动力系统走向有弹性的清洁能源未来将需要精确的导航2 能源技术核能也采用了上个世纪, 主要用于潜艇和航空母舰。现在 二战后,内燃机 成为了海军舰队的主力,最多 通常,狄塞尔循环活塞式发动机和天然气涡轮机。在内部几十年的投资 内燃机产生了令人印象深刻的 利。在过去的50年里，几乎翻了两倍功率密度和75%的增加 改善燃油消耗效率。双核 燃料发动机和闭式循环柴油动力液体氧气引擎开发以减少温室气体的排放并提高车队的运营灵活性。许多 这些都在追求进步的全球 美国以外的海军，包括法国，瑞典、日本和中国。 美国核动力潜艇在运转 国家，英国，法国，俄罗斯，中国，以及最近的巴西和印度。此外， 美国和法国使用核动力 航空母舰，而中国很可能会这样做前途。展望未来，电气化和替代方案燃料技术是可行的可能性。自从2000年代初,美国海军领导发展 以及混合和 全集成电力推进，同时管理 5亿美元预算运作能量投资,以提高作战能力。 其他海军也纷纷效仿，推出了广泛的替代动力系统的概念。许多早期 替代品有成熟或扩大的空间，包括methanol-reforming和氢燃料电池潜艇在德国和韩国,生物乙醇和 其他的“绿色”燃料电池在西班牙和挪威意大利的生物柴油应用。图2总结 潜在相关的能源技术，给定 海军的独特空间、重量、功率、效率、或物流需求。现在海军动力系统市场 像父母一样查看这些不同的技术 他们的孩子：“没有人是完美的，但每个人都可以发光在正确的环境”。 图2 替代动力总成概念处于不同的开发阶段 技术 燃料 体积能量密度 估计 相对 (1.0加仑柴油 效率 成本 当量=~36mj/升) 二冲程双 柴油、液化天然气—LPG-syngas 1.0,~0.60—0.73 ~40% $ 燃料、高和低 甲醇 ~0.45 ~42% $ 压力(推进) 氨多种燃料 ~0.36(氨) TBD2024 $$ 四冲程 柴油、液化天然气—LPG-syngas 1.0,~0.60—0.73 ~35—42% $$ 双燃料 甲醇 ~0.45 ~37% $$ 四冲程 北约F—76标准 1.0 ~35—42% $$ 柴油 76年完全替代型生物燃料(SIP—CHCD—76年Syndiesel) ~0.91—0.96 ~35—42% $$$$ 燃气轮机 柴油、液化天然气—LPG-syngas 1.0,~0.60—0.73 ~35% $$ 燃料电池 PEMFC(质子交换膜FC) <0.36(氨) 40—60% $$ 高温质子交换膜燃料电池(PEMFCHT—) <0.36(氨) 50—60% $$$ 熔融碳酸盐FC 0.73<0.60—(LNG-fed) 50—55% $$$$ 磷酸FC 0.73<0.60—(LNG-fed) 40—55% $$$ 固体氧化物FC 0.73<0.60—(LNG-fed) 50—60% $$$$ 核小 低或高浓缩铀(亮氨酸/HEU) ~15+ ~30—37%+ $$$$ 模块化反应堆 资料来源：“海军舰艇的替代燃料”，DNV;替代船用燃料的比较，“DNV;代工规格表;美国能源部氢能和燃料电池技术办公室;“PEMFCvsSOFC”，查尔姆斯大学;可持续发展，2021年，MDPI;海事应用燃料电池2021;科尔尼分析 引导海军动力系统走向有弹性的清洁能源未来将需要精确的导航3 海军动力系统在哪里要去哪里? 海军动力系统与多种因素有关——船舶寿命、机队组成和技术成熟度— 在商业和国防市场。当前的 舰队强调相对较大的水面战斗人员和潜艇，他们可能仍然拥有领先的作用在未来被增强, 某种程度上取代了小型无人驾驶平台,包括水下无人驾驶车辆(UUVs)和无人水面舰艇(usv)。 这种变化从创造了一个机会现有的运营限制和做法，而重视耐用性和可靠性。我们 相信商业和国防之间的相互作用技术将是重要的，吸收曲线 这主要属于平台类型（见图3）。 图3 商业和国防技术将合并用于海军动力总成 潜艇 今天的潜艇动力市场为中心在核反应堆或柴电系统上。世界海军操作约310 潜艇:120核和190柴油, 不包括俄罗斯、中国、伊朗和朝鲜。多各国希望对机队进行资本重组或扩大规模升级载人潜艇和无人 海底的资产。 潜在的动力系统 段 当前的未来 过渡时间 (估计数字 年) “灯塔” 例子 潜艇阀控式密封铅酸蓄电池,柴油——“绿色或蓝色”燃料电池锂离子10+212型 ——闭循环蒸汽斯特林循环——核(低浓缩铀),主要和辅助 和214年 ——核(亮氨酸/高浓缩铀),主要和辅助推进电动机 推进电动机 (德国) 表面 ——柴油机、燃气轮机(CODAG) ——综合全电推进 10+ 45型(英国) 战士 ——柴油、燃气轮机 (混合动力/CODELAG) (IFEP) Zumwalt(美国) 巡逻 柴油机(CODAD输出) ——综合全电推进 多种多样的 aop(加拿大) 战士 ——辅助推进传动 (IFEP) 次世代口服脊髓灰质炎 和 ——“绿色”或“蓝色”燃料电池太阳能 疫苗 无人驾驶的船只 ——双燃料发动机 (芬兰)海岸警卫队OPC(美国) 支持 液化天然气-柴油双燃料发动机 ——双燃料,双燃料发动机 5–10 “绿色”或“蓝色” 和辅助船只 -甲醇发动机——“绿色”或“蓝色”燃料电池 动力 (多个) 来源:卡尼分析 引导海军动力系统走向有弹性的清洁能源未来将需要精确的导航4 我们相信潜艇动力系统将继续发展向低碳或无碳的解决方案, 为以下人员提供更大的运营和战术价值明天的舰队。核动力潜艇 水下理论上无限的耐力吗和浪涌能力但有意义 地缘政治和安全考虑。今天，他们的动力总成在很大程度上集成在 同时提供动力和推进力的蒸汽轮机的需求。美国和英国潜艇动力 高浓缩铀(HEU)可能很快 三方AUKUS扩展到澳大利亚澳大利亚、联合王国、 和美国,在2021年晚些时候公布。其他国家,如法国和中国,使用 低浓缩铀（LEU），而俄罗斯和印度使用medium-enriched铀(并)。在过去十年中,美国已经考虑 将其核电厂过渡到低浓铀燃料，以进一步推动其不扩散核武器的目标。 预计这种过渡需要的不仅仅是 15年。 对于非核潜艇，市场为传统预计柴电动力总成将继续转向气推进(AIP) 解决方案,提高水下耐力 允许柴油-电力系统为电池充电没有运行他们的引擎。虽然柴油-目前驱动斯特林引擎AIP方案 控制(例如,日本Soryu类,德国216型,瑞典哥特兰岛 西约特兰班、中国元级）、其他韩国球员,如德国和西门子 大宇造船和海洋工程, 某种程度上,印度的最前沿开发一个氢动力燃料电池AIP 解决方案。这个选项可以减少well-to-wake碳排放到使用“绿色”的程度 氢（生产中没有碳）或“蓝色”（低碳从生产氢。 与传统的柴电选项相比， 燃料电池AIP提供了400%的潜力在水下耐力(范围的增加 2000多英里),降低噪音 由于移动部件更少，因此具有标志性。这两者战术优势对海军来说是非常可取的， 超过任何环境的考虑 受益。规模和技术复杂性 电流限制器，但燃料电池的使用预计将增加跨不同应用程序,包括 推动商业、工业和住宅 建筑物和电动汽车。类似于电池- 基于电气化，这种增长将使海事受益应用程序,尤其是潜艇动力系统。 异国情调的动力系统和推进系统正在为UUVs开发,隐形、范围和 坚持是重要的监测, 侦察和监视任务。除了现有的柴油的缩小版本 系统，正在向燃料电池和混合动力动力UUVs因为他们加强隐形 耐力。发展non-propeller-based推进系统，如水下滑翔机，是还有望在收缩的同时提高耐力 无人水下潜航器一个标志性的足迹。 所有的这些努力补充的绿色目标 降低能源消耗和更清洁的动力系统。 燃料电池航提供潜在的400%的 增加水下耐力。 引导海军动力系统走向有弹性的清洁能源未来将需要精确的导航5 表面的战士巡逻战士和无人驾驶的船只 大部分海军水面作战动力系统使用内燃机原动机，尤其是燃气 涡轮和柴油发动机。典型配置包括内置冗余和能力 为一个生成超过20兆瓦的电力 典型的4000吨的船。一些混合动力电动设计已经部署