Инновационные аккумуляторные технологии, приводящие в действие электрическое движение на морских судах

Мировая морская промышленность сталкивается с растущим давлением декарбонизации. На международные перевозки приходится почти 3% глобальных выбросов CO2, и без вмешательства эта доля может резко возрасти. В то время как альтернативные виды топлива, такие как СПГ, метанол и водород, привлекают заголовки новостей, самый непосредственный и практический путь к движению с нулевым уровнем выбросов лежит в передовых технологиях батарей. Недавние прорывы в электрохимии, терморегулировании и производстве делают электрические морские суда не только осуществимыми, но и все более конкурентоспособными с обычными дизельными судами. В этой статье рассматриваются инновационные системы батарей, способствующие этой трансформации, их эксплуатационные характеристики и препятствия, которые необходимо преодолеть для достижения широкого распространения.

Дело об электрическом тяге на морских судах

Электрическая тяга не нова для морского сектора - подводные лодки и паромы использовали электрические приводы в течение десятилетий. Что изменилось, так это резкое улучшение плотности энергии батареи, срока службы и стоимости. Там, где ранние литий-ионные морские установки требовали громоздких батарейных помещений и предлагали ограниченный диапазон, сегодняшние системы могут питать прибрежные паромы на 50-100 морских миль на одной зарядке, с пиковой мощностью, способной поддерживать динамическое позиционирование и ледокольные операции. Операционные преимущества выходят за рамки выбросов: электродвигатели обеспечивают мгновенный крутящий момент, более плавное управление скоростью и резко сниженный шум и вибрацию - критически важные для исследовательских судов, военно-морских гидролокационных операций и паромов, работающих вблизи морских заповедников.

Кроме того, строгие правила Международной морской организации (ИМО) и региональных органов, таких как Европейский союз, ускоряют принятие. Первоначальная стратегия ИМО направлена на сокращение выбросов парниковых газов на 50% к 2050 году по сравнению с 2008 годом, и многие прибрежные страны в настоящее время требуют нулевого выброса или гибридного электрического двигателя для новых судов, работающих в районах контроля выбросов. Суда на батарейках также могут соответствовать местным стандартам качества воздуха в портах, не требуя дорогостоящих систем улавливания выбросов на берегу. Эти нормативные и экономические факторы толкают технологию батарей из нишевых приложений в основное коммерческое судоходство.

Основные химические батареи, питающие морское электрическое движение

Не все батареи построены одинаково, и морская среда предъявляет уникальные требования: высокий срок службы, толерантность к вибрации и соленой воде, способность быстрой зарядки и способность обеспечивать устойчивую высокую мощность в течение нескольких часов. Ниже мы рассмотрим три доминирующие химические вещества и их пригодность для различных типов судов.

Литий-ионная: рабочая лошадка современной морской электрификации

Литий-ион (Li-ion) стал выбором по умолчанию для морских батарей, но в этом семействе различные катодные химии предлагают компромиссы между плотностью энергии, безопасностью и стоимостью.

Современные морские литий-ионные системы также включают в себя сложные системы управления батареями (BMS), которые контролируют напряжение, температуру и состояние заряда с точностью до миллисекунды. Многие установки используют термическое управление с водяным охлаждением для поддержания оптимальных рабочих температур, особенно во время мощного разряда для помощи в подруливании двигателя или быстрой зарядки. Corning и Leclanché являются двумя поставщиками, которые развернули крупномасштабные литий-ионные системы на коммерческих судах, включая паром FLT: 0 в Норвегии, который зарегистрировал более 110 000 рабочих часов без значительного инцидента с батареей.

Твердотельные батареи: следующий рубеж

Твердотельные батареи заменяют жидкий электролит, содержащийся в обычных литий-ионных элементах, твердым керамическим, полимерным или сульфидным проводником. Эта конструкция предлагает ряд теоретических преимуществ: плотность энергии, превышающая 400 Втч/кг, отсутствие воспламеняющегося жидкого электролита (значительно снижая риск возгорания) и возможность использовать литий-металлический анод для еще большей емкости. Для морских применений твердотельные батареи могут обеспечить дальнемагистральные электрические сосуды, которые в настоящее время требуют гибридных дизель-электрических или водородных топливных элементов.

Однако твердотельные технологии все еще находятся на стадии пилотного производства. Крупные производители, такие как Toyota и QuantumScape, продемонстрировали прототипы ячеек с многообещающим сроком службы цикла, но масштабирование до многомегаватт-часовых упаковок, необходимых для большого контейнеровоза, остается на годы. Текущие твердотельные элементы также, как правило, дороже литий-ионных и требуют сложного производства в инертных атмосферах. Несколько совместных предприятий, включая сотрудничество между DNV и разработчиками батарей, тестируют твердотельные модули для морской среды, уделяя особое внимание вибрационной устойчивости и толерантности к давлению. Если эти препятствия будут преодолены, твердотельные батареи могут стать стандартом для глубоководной электрической силовой установки к началу 2030-х годов.

Потоковые батареи: масштабируемая энергия для больших судов

Потоковые батареи хранят энергию в жидких электролитах, содержащихся во внешних резервуарах, которые могут быть независимо масштабированы: большие резервуары увеличивают энергетическую емкость, в то время как выходная мощность зависит от размера стека. Наиболее зрелой химией потоковых батарей для морского использования является окисление ванадия, которое обеспечивает неопределенный срок службы цикла (ванадий не разлагается) и отсутствие риска теплового бегства, потому что электролиты не воспламеняются. Это делает проточные батареи особенно привлекательными для крупных судов, требующих многодневной выносливости, таких как океанские грузовые суда и морские суда поддержки.

Основным недостатком является низкая плотность энергии - обычно 20-35 Втч / л - что означает, что системы аккумуляторов расхода занимают значительное пространство и вес по сравнению с литий-ионными. Для судна, такого как балкер Panamax, аккумулятору потока потребуется примерно в три-четыре раза больше объема литий-ионного пакета для той же энергии. Тем не менее, достижения в электролитах высокой концентрации и более эффективных конструкциях стека закрывают разрыв. Такие компании, как [FLT: 0] InCell [FLT: 1]] разработали модульные системы аккумуляторов расхода, которые можно легко заменить в портах, эффективно «подзаряжая» путем обмена обедненного электролита на свежую жидкость, аналогично бункеровочному топливу сегодня. Эта концепция может устранить необходимость в длительном времени зарядки и уменьшить вес батареи, перевозимой на борту.

За пределами химии: системная инженерия для морских аккумуляторных батарей

Для того чтобы выдержать суровую морскую среду, аккумуляторные батареи должны быть спроектированы с надежными корпусами, часто с использованием IP67 или более высокой защиты от проникновения, и включать активное охлаждение или отопление для управления экстремальными температурами. Структурная интеграция батарей в корпус судна является еще одной проблемой: батареи должны быть размещены низко для поддержания стабильности, оставаясь доступными для обслуживания. Некоторые конструкции судов теперь используют «батарейные комнаты» с выделенными системами пожаротушения - часто с использованием водяного тумана или чистых агентов, таких как Novec 1230 - вместо того, чтобы полагаться исключительно на функции безопасности на уровне ячеек.

Гибридные конфигурации, где батареи работают вместе с меньшим дизель-генератором или топливным элементом, также набирают тягу. В таких установках батарея обрабатывает пиковые нагрузки и позволяет двигателю работать в своей наиболее эффективной точке работы, снижая общий расход топлива на 15-30%. Класс E-ferry в Дании использует этот подход с пакетом NMC 4,3 МВтч и резервным дизель-генератором для расширенного диапазона. Расширенное программное обеспечение для управления мощностью от таких компаний, как Kongsberg Maritime ] оптимизирует разделение между батареей и двигателем на основе спроса на электроэнергию в режиме реального времени, состояния заряда батареи и предстоящей топологии маршрута.

Оперативные и экономические преимущества

Переход от дизель-механических или дизель-электрических двигателей к аккумуляторным электрическим системам дает ощутимые преимущества помимо сокращения выбросов.

Пример: Michele F, полностью электрический буксир, работающий в порту Каосюн, Тайвань, генерирует нулевые выбросы во время своих регулярных операций и может буксировать суда до 50 000 ДВт. Его аккумуляторная батарея LFP мощностью 2,5 МВтч длится в течение двух полных дней работы в гавани, прежде чем потребуется зарядка на ночь. Оператор сообщает о 30%-ном сокращении общей стоимости владения по сравнению с обычным дизельным буксиром, обусловленном более низкими затратами на энергию и сокращением технического обслуживания.

Проблемы, с которыми сталкивается широкое усыновление

Несмотря на достигнутый прогресс, остаются значительные препятствия, прежде чем электродвигатель станет нормой для глобального судоходства.

Плотность энергии и ограничения по диапазону

Плотность энергии даже лучших литий-ионных батарей (250 Втч/кг на уровне упаковки) примерно в 40-50 раз ниже, чем у морского дизельного топлива (≈12 000 Втч/кг, включая эффективность двигателя). Для контейнеровоза, пересекающего Тихий океан, необходимый вес батареи будет составлять тысячи тонн, что непрактично. Таким образом, полная батарея-электрическая тяга в настоящее время ограничена судоходством на короткие расстояния, паромами и внутренними судами, где маршруты находятся ниже 100 морских миль. Для более длинных расстояний батареи служат удлинителями дальности в гибридных конфигурациях, а не основным источником энергии. Новые химические вещества, такие как твердое тело, могут удвоить или утроить плотность энергии, но коммерциализация в морском масштабе займет по крайней мере десятилетие.

Зарядка инфраструктуры и влияние на сеть

Зарядка большого морского аккумулятора в короткие сроки требует огромной мощности. Паром, нуждающийся в перезарядке 5 МВт-ч пакета за 30 минут, требует скорости зарядки 10 МВт - больше, чем большинство небольших портов могут поставлять без модернизации сети. Некоторые порты инвестируют в специализированные системы хранения аккумуляторов или маховиков для буферизации сети, но модернизация береговых зарядных установок остается капиталоемкой задачей. Стандартизация зарядных разъемов и протоколов (например, мегаваттные зарядные системы, используемые в тяжелых грузовиках) все еще продолжается, и отсутствие совместимости между производителями создает барьер.

Время жизни батареи и рециркуляции

Морские батареи подвергаются большим циклам глубины разряда и высоким текущим показателям, которые ускоряют деградацию. В то время как ячейки LFP могут превышать 5000 циклов, ячейки NMC в морской службе часто нуждаются в замене после 2000-3000 циклов - эквивалентно 6-10 годам для ежедневного парома. Стоимость замены батареи может свести на нет экономию топлива. Кроме того, переработка батарей морского масштаба еще не созрела; безопасный демонтаж и восстановление материалов должны улучшиться, чтобы избежать создания нового потока отходов. Международный совет по чистым перевозкам призвал к стандартам анализа жизненного цикла, характерным для морских батарей, чтобы направлять удаление и применение второго срока службы.

Безопасность и сертификация

Пожары на батареях на судах особенно опасны, потому что экипаж не может легко эвакуироваться, а ресурсы пожаротушения ограничены. Пожар 2020 года на судне с валом/выкатом Höegh Xiamen , приписанный грузу батареи, подчеркнул риски. Морские аккумуляторные системы должны пройти строгую сертификацию от классификационных обществ, таких как Lloyd's Register или Bureau Veritas. Испытания включают распространение теплового брызга, коррозию солевого распыления, вибрацию и погружение в воду. Регуляторная база все еще развивается, и получение одобрения типа может занять 18-24 месяца, замедляя развертывание.

Будущий прогноз: от паромов до глубоководных судов

Будущее батарейно-электрических морских двигателей, вероятно, будет сегментированным. Короткоморские перевозки (паромы, буксиры, внутренние баржи) перейдут на полностью электрические до примерно 2030 года, к этому моменту твердотельные батареи или передовые литий-ионные пакеты будут продвигаться в диапазоне до 300-500 морских миль. Для судов средней дальности (контейнеровозы для кормов, танкеры для продуктов) будут доминировать гибридные системы с батареями и топливными элементами или низкоуглеродистыми капельными топливами. Глубоководные контейнеровозы и навалочные перевозчики будут продолжать использовать альтернативные виды топлива для базовой мощности, но они могут устанавливать аккумуляторные батареи для пикового бритья, холодного железа в портах и резервной мощности.

Новые технологии, такие как натрий-ионные батареи (более дешевые и безопасные, чем литий-ионные, хотя и с меньшей плотностью) и литий-серные элементы (теоретически до 600 Втч / кг), также исследуются для морских применений. Кроме того, интеграция судна в сеть может превратить большие флоты пришвартованных судов в диспетчерские активы хранения энергии, помогая стабилизировать прибрежные сети и создавать новые потоки доходов для судовладельцев. Европейский проект E-MAR уже пилотирует такие концепции с парком электрических паромов в Греции.

В конечном счете, успех электрического двигателя от батареи зависит от скоординированных достижений в области химии, техники, инфраструктуры и политики. Морская промышленность, как известно, консервативна, но сочетание нормативного давления, паритета затрат и продемонстрированной эксплуатационной надежности приводит к необратимому сдвигу. Как выразился один военно-морской архитектор: «Двигатель внутреннего сгорания имел хороший столетний пробег, но его время заканчивается. Батареи не серебряная пуля, но они являются наиболее практичным шагом, который мы имеем сейчас».