2023船艇电动化低碳创新白皮书

电动船艇：电动载具的一种，是由蓄电池或船用发电机等产生电力推进的船艇船艇电动化：将船艇的动力系统进行电动化，包含出厂电动化及电动化改装 随着人类活动对环境气候的影响日益加剧，二氧化碳、甲烷和一氧化氮在大气中的浓度正在持续上升，由温室气体导致的各类自然灾害频频发生，国际社会意识到减少碳排放对保护地球生态环境的重要性，于2015年12月12日在巴黎气候变化大会上通过《巴黎协定》；中国在2020年9月22日召开的联合国大会气候峰会上也定下“2030碳中和”和“2060碳达峰”的目标。 船艇动力系统：船艇的核心部分，是为船艇提供动力，保障其安全可靠航行的重要结构 船艇推进系统：根据能源不同的利用方式，可分为内燃机推进系统、电力推进系统以及混动推进系统三大类。电力推进系统可分为纯电、纯柴油发电机以及混合动力三种模式电动船外机：安装在船体（船舷）外侧的电动推进用发动机，又称舷外机 电动船内机：安装在船体（船舷）内侧的电动发动机 电动吊舱推进器：又称POD推进器，集推进和操舵装置于一体的新型推进装置PCS：推进控制系统 水资源作为地球环境的重要组成部分，保护水生态环境是各方义不容辞的职责。船艇作为全球交通运输中不可忽视的组成部分，其中动力系统的电动化可以有效减少水体及大气排放污染，对于保护水资源清洁，乃至实现碳中和的目标至关重要。 船艇能源系统：为船艇的运行提供动力，也负责为船艇各大用能子系统提供能量 船艇电力系统：由一个或几个在统一监控之下运行的船艇电源及与之相对的船艇电网组成的，以向负载供电的整体，根据电流种类，可分为直流电力系统、交流电力系统和交直流混合电力系统 本篇报告将从技术、政策、市场与应用的角度，整理船艇电动化行业当前的发展情况，分析未来的发展趋势与挑战。 DC/DC：将固定的直流电压变换成可变的直流电压的元件DC/AC：将直流电变换成交流电的元件 Watercraft在广义上是各种船只的总称，民用一般称作为船，军用船称为舰，小型船称作艇或舟。 船只在狭义上可按船的大小和功能来进行划分： 船舶（Ships）指各类大中型船，用作运输、作业、执法、军事等用途，能满足远洋、近海、内河等航区要求，排水量通常在500吨以上。 船艇（Boats）在本报告中特指中小型船只，也是本报告研究对象。通常仅能在近海、内河、湖泊等区域航行，排水量通常在500吨之内。 中小型轮渡、水上巴士、观光游览船、工作艇、中小型渔船、拖船 执法艇、救援艇、消防艇、军用艇 船艇的动力系统是船艇的核心部分，是为船艇提供动力，保障其安全可靠航行的重要结构。船艇的动力系统由两大系统组成，分别为能源系统和推进系统。 其中，能源系统是负责能量的产生、转换及流动载体，其不仅为动力系统提供动力源，也负责为船艇内各大用能子系统提供能量；推进系统是能源系统承接动力系统的通道，是船艇动力系统的“骨架”，可通过控制系统精准、稳定、高效地输出动力。 能源系统为船艇的运行提供动力，也可指代船艇的动力来源。 能源系统根据原动机产生动力源头的不同，主要分为燃油(柴油机、汽油机）以及电力。 船艇的能源系统由多个涉及能源产生、传输、消耗的各类负载组成，例如推进系统、照明系统、导航系统等。传统化石能源、可再生能源作为能量源头，经能源转换中心将能量传输至配电系统、推进系统及其他负荷设备中。 虽然有多种产生能量的能源种类，但是在船艇的能量网络中，可以总结为机械能、化学能和电能的互相转化，组成了船艇的整个能源系统，承载能量流的重要载体便是电力系统。 亿欧智库：智能船艇综合能源系统基本结构框图 电力系统主要由电源、配电装置、船载电网与负载组成。 电源：将化学能、机械能转换为电能的装置，例如柴油发电机、燃料电池等 船根据航行区域对续航能力需求的不同，使用的燃料形式和存储量也有所不同。 船艇的推力要求和续航能力要求相对较小，且随着近几年电力电子技术和自动控制技术的发展，通过齿轮箱或直接使用全电力推进系统成为可能。 船艇推进系统根据能源不同的利用方式，可分为内燃机推进系统、纯电力推进系统以及混动推进系统三大类，其中混动推进系统根据驱动力输出比例又可分为并联式混动推进系统和串联式混动推进系统。 传统内燃机推进系统需要利用轴系，轴系会占据一定机舱空间并传出船体进入推进器，因此在设计和布置层面存在困难 船艇大多航行于近海和内湖区域，在需要频繁变速变工况的情况下，内燃机通过轴线连接推进器的模式，无法保证在任意转速下都达到高效率噪声较大、人工操作要求较高 以电动机带动螺旋桨推进船艇行驶，噪声较小、人工操作要求较低纯电力推进系统在设计角度上优化机舱布置，增加船艇内部空间 纯电力推进系统中全船所有用电设备由电池进行供电，静音且舒适性高 早期混动推进系统多数应用在大型船舰上以柴油机、燃气轮机以及蒸汽轮机之间的组合为主，用于解决不同的工况问题现代化混动系统是指锂电池和柴油机的混合，可以在不同的工况中切换合适能源及驱动力输出模式 串联式混动推进系统中，既可使用动力电池、柴油发电机组分别对全船设备进行供电，也可以利用柴油发电机组为动力电池进行充电 并联式混动推进系统的结构更为复杂，目前更多应用在大型船舶上，在船艇中应用较少 混动能够解决纯电力推进的续航问题，同时兼顾节能环保、减震降噪，但缺点是无法完全避免碳排放，且初期投入成本较高 船艇的推进系统主要由变压器、变频器、电动机、螺旋桨、控制系统等组成。原动机通过发电机或燃料电池发电，配电板将电进行用电分配后，传输给变压器进行调压，再输送至变频器进行整流、逆变，最终将电能传送给电动机带动螺旋桨推动船艇航行，而控制系统一般采用工业以太网监控系统，用于监控设备、系统的运行状态和能量的管理。直流电网则是由原动机发电进行整流，直流配电板进行配电，然后传输至负载设备。 不同推进系统不仅使用的能量源有所区别，在电机等核心装置的组成和功能上，燃油船和电动船上也存在着差异。在使用电力的推进系统中，根据发电机组及内燃机的参与模式不同，可进一步分为纯电、串联式混动、并联式混动三大类。 人类在航行动力上的探索从未停止，过去船艇主要依靠人力、风力航行，直至200多年前才脱离自然环境的束缚，将机械能作为主要动力。原动机在经历了蒸汽机、蒸汽轮机、柴油机、燃气轮机以及现代电动机的更新迭代后，呈现出与电力推进系统逐步加深融合的趋势。 目前世界船用动力系统以四大系统为主：蒸汽轮机动力系统、柴油机动力系统、燃气轮机动力系统以及电动力系统，其中柴油机动力系统、燃气轮机动力系统以及电动力系统在船艇上应用最为广泛。 电力推进搭配柴油机开始普及 船艇的行驶方式主要依靠无动力漂流、人力划桨和环境因素产生动 蒸汽轮机因热效率和功率重量比的优势，取代了往复式蒸 柴油机全面取代蒸汽机和蒸汽轮机。柴油机可分为二冲程和四冲程柴油机，分别对应直 电力推进系统开始在中小型军船、商船上应用。成熟变频调速技术是电力系统的普及基 纵观历史，船艇对动力的选择，往往取决于不同动力系统的经济效益高低。在船艇中，应用发展并不符合单调递增趋势。人们最早对小船动力的探索聚焦于“电”的利用上，却在实用价值更高的内燃机引入后，电动船仅在特殊地区和场景下有所保留。直至20世纪中后期，电力系统的应用才迎来了复兴。 1836年，Jacobi将电动机安装于一艘28英尺长的桨船之上，该船于1838年9月首次穿越涅瓦河，载有14名乘客，为第一次有记录的电动船下水事件 实用内燃机的引入使电动船艇的普及度下降，仅在例如德国国王湖等环境敏感区域采用电动机 发展至今，仍有大量的船艇仍采用柴油推进系统 全球双碳发展的大背景下，电力推进系统的重要性更加凸显，正在迅速取代船艇燃油推进系统 进入21世纪，电力推进技术在机动性、可靠性、运行效率、推进功率等方面都取得了突破性发展，应用领域不断扩大 1859年，法国物理学家普兰特发明了第一款可商用的铅酸电池蓄电池 1882年，ElectricalPower Storage公司生产的第一批商业内河电动船，在英格兰泰晤士河运行 此外，电力推进系统还广泛应用于特殊用途船上。在国外已应用于破冰船、舰艇、石油钻井平台、海洋开发工程船等；我国在该方面研究较晚，目前主要应用于海洋辅助工作船、科考船、测量船、挖泥船等 19 05 年，泰晤士河上最大电动船“胜利号”成功建造，长达95英尺 气候变化协定《巴黎协定》于2015年12月12日在巴黎气候变化大会上通过，2016年4月22日在纽约签署，世界各国就二十一世纪中叶实现全球碳中和的伟大目标达成共识。根据全球及中国碳排放占比情况，交通部门的碳排放量分别排第二和第三的位置，各国将交通运输行业低碳转型的重点落实在能源消耗的转变上，发展以新能源汽车为例的各类交通工具，通过电动化替代柴油和汽油的燃烧使用，可以减少大量直接碳排放。 国际能源署（IEA）显示，航运业2020年在全球范围内的二氧化碳排放量约为8亿吨，占所有能源部门排放总量的2.5%。根据预测，航运业的二氧化碳排放量将每年下降6%，到2050年整体航运业排放量将降至1.22亿吨，船艇的电动化是航运业低碳转型的关键之一。 亿欧智库：全球2019年各部门碳排量占比 亿欧智库：IEA对全球航运部门二氧化碳减排情景预测表 多年来，随着水上娱乐以及近海产业的发展，海上或近海的船艇活动越来越普遍，帆船、摩托艇等小型休闲船艇的数量逐渐增多。虽然船艇的体积和耗油量要远低于大型船舶，但是根据使用燃料的不同，以及推进器种类的不同，船艇每单位燃油的碳排放甚至要高于船舶，尤其是使用二冲程发动机的船艇，温室气体排放与燃油消耗的比值要远高于船舶。 亿欧智库：船用燃料碳足迹 亿欧智库：船艇不同推进器温室气体排放量（g/kg） 国际海事组织（IMO）不断加码船碳排放管理，加速全船运业低碳转型。各国都推出了相关激励政策，重点推动动力系统的低碳技术发展，加速船艇提高主机性能、采用新兴推进系统与动力装置的进程。 中国在高质量可持续发展道路上，对航运业碳减排有更高的要求，无论是远洋、近海还是内河船，都要求向低碳、零碳转型。 “十四五”规划发展目标：能源资源配置更加合理、利用效率大幅提高。全面实行排污许可制，推进排污权、用能权、用水权、碳排放权市场化交易。 2015年12月，工信部《船舶配套产业能力提升行动计划（2016-2020）》：到2020，基本建成较为完善的船用设备研发、设计制造和服务体系，关键船用设备设计制造能力达到世界领先水平。 2013年实施船能效设计指数（EEDI，数值越低碳排放越低），从2015年开始分为三阶段实施。 2017年1月，工信部等六部门《船舶工业深化结构调整加快转型升级行动计划（2016-2020）》：到2020年，船型的能耗 2018年 4月制定了航运业温室气体初步减排战 从技术角度，船艇电动化转型的必然趋势可以从电力推进技术自身优势，以及相关数字化、智能化技术发展两个层面解读。 相较于传统内燃机推进技术，电力推进技术在负载、维护、舒适性、灵活性、可靠性等方面具有明显优势，随着电池技术的不断成熟，在实用性和经济性上实现齐头并进。 电力系统更利于全船机电设备的集成控制，在整体空间受限的船艇使用环境中，集成化水平的提高更有利于数字化、智能化技术的应用。 近年来，交通领域绿色转型已成必然趋势，其整体规划也包含了船艇的低碳化转型。在政府的大力推动下，企业以及消费者对于环保低碳的理念进一步深化，选择零污染、零排放的水上出行方式，已经成为了全社会的共识。电动化船艇具有低能耗、零污染、低运行成本等优点，成为了整治航行污染、实现节能减排的重要路径。 处于电动化船艇产业链中的企业，自身便已经担起了船艇低碳技术创新以及推动行业标准制定的责任，顺应了全球产业低碳化发展的趋势，提升了在世界低碳市场的竞争力和话语权。 亿欧智库：企业碳中和社会责任五大内涵 与船艇电动化类似的新能源汽车制造企业在过去几年实现了社会效益和经济效益双丰收。 以特斯拉