2023船艇电动化低碳创新白皮书

©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) 2023船艇电动化低碳创新白皮书 ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) 亿欧智库https://www.iyiou.com/researchCopyrightreservedtoEqualOceanIntelligence,April2023 ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) 01船艇动力的定义及发展 02双碳背景下船艇电动化发展现状 ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) 03船艇电动化技术应用 04船艇电动化解决方案 ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) 05船艇电动化发展趋势及挑战 ©亿欧智库-daza(710) 目录 ©亿欧智库-daza(710) CONTENTS ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) 引言 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 ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) 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。 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。 ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) 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。 名词定义 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 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 ©亿欧智库-daza(710) 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 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 EMS：能量管理系统 PMS：功率管理系统 DC/DC：将固定的直流电压变换成可变的直流电压的元件 ©亿欧智库-daza(710) DC/AC：将直流电变换成交流电的元件 ©亿欧智库-daza(710) 3 船艇定义及分类：500吨排水量以内中小型船只 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： ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) 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。 船艇用途 休闲娱乐用 游艇、帆船、钓鱼艇 商业用 中小型轮渡、水上巴士、观光游览船、工作艇、中小型渔船、拖船 公务用 执法艇、救援艇、消防艇、军用艇 ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) 休闲娱乐用商业用公务用 帆船 钓鱼艇 中小型渔船 渡轮4 游艇 工作船 观光艇 ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) 执法艇 ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) 船艇动力0的定1义及发展 ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) 5 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。 ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) 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。 直流电网系统架构 岸电 储能 =/= 柴油发电机组 风力发电机组 燃料电池 燃料电池 =/= ~/= ~/= 光伏 =/= 船艇能源系统 风力发电机组 柴油发电机组 96/375/ ~/= ~/= =/= 光伏 =/= 储能 =/= 750/ ©亿欧智库-daza(710) 1500VDC =/~ =/~ =/~ =/= =/= =/~ =/~ =/~ ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) 船艇推进系统船艇推进系统 M MMM ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) 日用电 主推进器 侧向推进器 控制用电控制用电 侧向推进器 主推进器 日用电 6 ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) 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。 ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) 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。 应用船体能源系统能源类型 传统机械轴推船艇 燃油系统 目前，传统机械轴推船艇仍是以柴油与汽油机为主，应用十分成熟 因其自身结构和工作原理的影响，存在油耗高、污染高、噪音高的“三高”问题 柴油发动机以内机形式为主，如大艇柴油船内机；汽油发动机以外机形式为主，如小艇汽油船外机 柴油系统为压燃式，汽油机为点燃式 燃油 在船用低速柴油机中，最低油耗约为155~170g/kWh，热效率为50%~53%，而在中速柴油机和高速柴油机中，油耗更高，热效率更低 提高柴油热效率的技术发展上，经过几十年的的发展已经碰到了瓶颈 柴油一般排放比汽油少，经济性较高，且不易挥发，着火点较高，所以使用柴油比使用汽油更为稳定安全 电力推进船艇 电力系统 此处特指将电能直接存储利用，或以化学能直接转化为电能的能源形式，不包括通过机械能做功带动发电机组发电的方式 电力的来源以岸电及充电桩为主，配合各类新能源发电/储能形式，例如太阳能发电、风能发电、燃料电池以及动力电池等 具有零噪音、零污染、舒适度高的优点，是船艇动力源转型的主要趋势 电能 目前船艇的主要电力来源之一是使用磷酸铁锂动力电池，其质量能量比可达150~160Wh/kg，体积能量比高达200~250Wh/L 具有无污染、安全性高、充电快、动力强劲的特点 以氢燃料为源的燃料电池也从理论实验阶段逐步落地，其注氢速度快、能量密度高（高压气态和液态氢能量密度约为120MJ/kg）以及几乎零排放的特点在船艇动力低碳转型上将会起到重要作用 能源转换中心 ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) 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。 ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) 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。 功率与能量管理系统 自动化系统通导系统 可再生能源 风力发电机光伏板储能 优化调度 电能变换装置 DC/DCDC/DC 燃料预热设备供暖设备 热负荷 AC/DCAC/DC 生活用电设备通导设备 …… 电负荷 内燃机组 船艇动力系统 传统化石能源重油 油、轻柴油、滑 信息流 热能流 电能流 电力系统主要由电源、配电装置、船载电网与负载组成。 负载：也被称作为用能端，分为船艇机械的电力推动、船艇电气照明、船艇通信和导航设备、暖通空调设备以及其他用能设备 船载电网：负责输电部分，是全船电缆电线的总称，电网是联系发电机、主配电板、分配电板和负荷间的中间环节，是将电源的电能输送到负荷端的媒介 电力网按其供电范围可分为主电网、应急电网和充放电板等；按电力网电压等级可分为动力电网、照明电网和低压电网 配电装置：对电源和负荷进行分配、监视、测量、保护、转换、控制的装置，主要可分为主配电板、应急配电板、分配电板 （动力、照明）、充放电板等 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 亿欧智库：智能船艇综合能源系统基本结构框图 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。 ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) 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。 混动推进系统 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 纯电力推进系统 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 内燃机推进系统 ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-daza(710) 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 ©亿欧智库-daza(710) ©亿欧智库-da