2022年3月29日，我國自主研制的世界上載電量最大的純電動游輪“長江三峽1”號，在湖北宜昌市秭歸新港碼頭首航。該游輪具有自主知識產(chǎn)權(quán)，配備總電量約7500kWh的電池系統(tǒng)，一次充電可續(xù)航100公里，每年可替代燃油530噸，減少有害氣體排放1660噸。

隨著動力電池技術(shù)不斷發(fā)展，船舶電動化趨勢漸升，純電池動力系統(tǒng)船舶在全球已得到廣泛推廣應(yīng)用。根據(jù)英國克拉克松研究的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截止2019年5月底，全球營運(yùn)中和擬建造的電動船舶數(shù)量為155艘，其中營運(yùn)中船舶75艘，擬建造船舶80艘。電動船舶的快速發(fā)展得益于電池動力自身的優(yōu)點以及政府和環(huán)境等各方面對行業(yè)的加持，本期帶大家一起來深入了解電動船舶的特點以及風(fēng)險評估研究。

★ 電動船舶有哪些優(yōu)勢？

船舶動力系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了蒸汽動力裝置、汽輪機(jī)動力裝置和目前主流的柴油機(jī)動力裝置三個主要階段。新興的純電力推進(jìn)和常規(guī)的柴油機(jī)機(jī)械推進(jìn)相比，具有如下優(yōu)點：

 (1) 經(jīng)濟(jì)性好。純電動船舶較常規(guī)柴油機(jī)船舶運(yùn)營成本具有較大優(yōu)勢，以拖輪為例測算，純電動船舶使用壽命30年內(nèi)動力消耗可節(jié)省一條常規(guī)拖輪的造價, 經(jīng)濟(jì)性可觀。

 (2) 操縱性好。純電動船舶的推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速易于調(diào)節(jié)，螺旋槳采用全回轉(zhuǎn)設(shè)計，在正反轉(zhuǎn)各種轉(zhuǎn)速下都能提供恒定的轉(zhuǎn)矩，因此能得到最佳的工作特性。具體來說船舶來車快，更利于船舶瞬時操縱。

 (3) 可靠性強(qiáng)。柴油機(jī)推進(jìn)的船舶，一旦主機(jī)重要部件或舵機(jī)、輔機(jī)出現(xiàn)故障往往會致船舶癱瘓。純電力推進(jìn)船舶使用多組電池組作為能源并互為備用，電池管理系統(tǒng)可以及時隔離故障組，不影響其它電池組正常供電。

 (4) 空間利用率高。傳統(tǒng)船舶軸系長度往往占到船長的40%左右，純電力推進(jìn)的船舶替代了傳統(tǒng)的傳動軸系、發(fā)電機(jī)、分油機(jī)、油柜、燃油鍋爐等設(shè)備設(shè)施以及燃油管線，改善了機(jī)艙的布置，可以更加合理地利用機(jī)艙空間。

 (5) 環(huán)保性能佳。純電力推進(jìn)船舶大大減少了船上振動和噪音，提高了船員和乘客的舒適度且工作期間無大氣污染物排放，也減少了燃油對水域污染的可能性。電池到達(dá)使用壽命后，廠家對廢舊電池進(jìn)行回收和集中處理，避免生態(tài)環(huán)境污染。

 (6) 為船舶智能化發(fā)展提供了路徑。純電動船舶摒除了大量燃油機(jī)器設(shè)備，取而代之的是操控便捷、集成化智能化更高的電氣設(shè)備，自動化程度高，更有利于實現(xiàn)“機(jī)駕合一”模式，甚至可以進(jìn)一步推進(jìn)船舶智能化發(fā)展，實現(xiàn)未來無人船舶愿景。

“E-ferry”號鋰電池客渡船

“Color Hybrid”號鋰電池客滾船

★ 電動船舶需要關(guān)注哪些風(fēng)險點？

電池動力船舶相對于傳統(tǒng)船舶的主要區(qū)別在于動力源的改變，將傳統(tǒng)以柴油為燃料的柴油機(jī)動力源改為動力電池，這將實現(xiàn)船舶航行過程中的無污染、低噪音，但也涉及了新的風(fēng)險點。

 (1)船舶失電風(fēng)險

作為全船唯一的動力來源，電池動力系統(tǒng)不僅要提供船舶航程所需的電力，還需要保障對船舶正常航行、船舶安全及冷藏貨物所必需的設(shè)備供電，并保證至少最低舒適的居住條件和生活條件的供電。在電池動力系統(tǒng)嚴(yán)重受損情況下，將造成全船同時失去動力和電力。而船舶的航行環(huán)境與陸上環(huán)境有很大不同，大多數(shù)水域水是流動的，受氣象、水文、航道和交通等因素影響，一旦失去動力，極有可能引發(fā)撞船、擱淺等船舶事故。因此，電池動力船舶設(shè)計需認(rèn)真考慮船舶失電風(fēng)險。

案例

2019年10月10日，挪威渡船公司Norled旗下“MFYtteroyningen”號客船的蓄電池室發(fā)生小型火災(zāi)事故，船舶通過另一半的傳統(tǒng)動力返回港口，乘客和船員安全撤離。在船舶回到港口以后，當(dāng)天晚間，船上鋰電池所在的處所(甲板下方的相關(guān)區(qū)域)發(fā)生了嚴(yán)重的氣體爆炸，造成重大破壞。而且由于不知情，趕去事故現(xiàn)場滅火的12名消防員因接觸與電池有關(guān)的有害氣體而被送往醫(yī)院。該船采用了三元鋰電池，其二次爆炸極有可能與三元鋰電池受損釋放氧氣及可燃?xì)怏w有關(guān)。

 (2)火災(zāi)風(fēng)險

2018年中國新能源汽車保有量為261萬輛，國家市場監(jiān)督管理總局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2018 年中國至少發(fā)生了40起涉及新能源汽車的火災(zāi)事故。2021年1月到9月，國內(nèi)已發(fā)生多起新能源汽車起火事件，平均一個月至少3起以上。幸運(yùn)的是電動汽車車主開門便可逃生，因此以上事故并無造成人員傷亡，但也提醒我們必須正視動力電池的火災(zāi)風(fēng)險和安全性。目前全球只有七十多艘電池動力船舶，營運(yùn)經(jīng)驗積累匱乏。船舶相對于汽車有著明顯的工作環(huán)境差異，不能僅借鑒現(xiàn)有電動汽車的經(jīng)驗來評估電動船舶的安全性。

案例

2021年3月，挪威另一艘全電動觀光船“MS Brim”號突發(fā)火災(zāi)。當(dāng)時該船�？看a頭，船上僅有4名船員。事發(fā)之后，船員迅速被疏散，該船被拖航至安全水域。盡管情況已穩(wěn)定，但火災(zāi)可能導(dǎo)致船上電池暴露在高溫下，在封閉的艙室中產(chǎn)生爆炸性及易燃?xì)怏w。因此，有關(guān)部門當(dāng)時禁止任何人登船甚至接近船舶，并在該船周圍設(shè)立了300米的安全區(qū)。

★ 電動船舶的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

 (1) IMO方面

目前，作為聯(lián)合國制定及通過海運(yùn)安全和保安方面國際規(guī)則的專門組織，IMO迄今為止還沒有制定有關(guān)鋰電池動力船舶安全方面的公約及規(guī)則，SOLAS公約雖然規(guī)定了電源及發(fā)電機(jī)組要求，IMDG規(guī)則規(guī)定了運(yùn)輸鋰電池相關(guān)要求，但一直沒有將純電池動力引入公約當(dāng)中，成為制約鋰電池動力船舶發(fā)展的一個重要因素。國際公約中尚沒有專門針對純電動船舶的構(gòu)造、機(jī)電設(shè)備、防火布置、防污染要求及船員培訓(xùn)、發(fā)證和值班等方面的具體規(guī)定，而現(xiàn)有的國際公約、國內(nèi)法律法規(guī)的要求無法完全適用到純電動船舶上，針對純電動船舶的法規(guī)要求還需進(jìn)一步討論和研究。

 (2) 各主要船級社

對于電池動力船舶，各主要船級社都制定了相關(guān)規(guī)范和指南，并根據(jù)實踐不斷進(jìn)行修訂和完善。國外船級社中，DNV最早于2012年在船舶入級規(guī)范中納入電池動力暫行規(guī)范，而后電池動力(Battery power)相關(guān)內(nèi)容也被納入2015 年推出的新DNV聯(lián)合規(guī)范第 6篇第2章第1節(jié)，經(jīng)過數(shù)輪修訂完善，目前最新版本為2020年版，章節(jié)名稱更改為電能儲備(Electric energy storage)。ABS 于 2017年頒布《鋰電池在船舶與海洋工程中的應(yīng)用指南》(Guide for use of lithium batteries in the marine and offshore industries)，目前最新版本為2020年版。

 (3) 國內(nèi)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

針對鋰電池動力船舶存在的主要相關(guān)風(fēng)險，我國選用安全性較高的磷酸鐵鋰電池作為船舶動力，并制定了與之對應(yīng)的法規(guī)、規(guī)范和檢驗標(biāo)準(zhǔn)，形成了比較完備的體系。截止到2020年，中國海事局和中國船級社發(fā)布的法規(guī)、規(guī)范和檢驗包括：《內(nèi)河小型船舶法定檢驗技術(shù)規(guī)則》(2019)、《內(nèi)河船舶法定檢驗技術(shù)規(guī)則》(2019)、《太陽能光伏電池系統(tǒng)和磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗指南》、《直流配電電力推進(jìn)系統(tǒng)檢驗指南》、《混合動力船舶檢驗指南》、《純電池動力電動船舶檢驗指南》(2019)。

★ 鋰電池?zé)崾Э匮芯?/p>

鋰電池作為船舶動力唯一來源，其系統(tǒng)安全關(guān)系到船舶本質(zhì)安全。鋰電池本身存在諸如電池自身安全性風(fēng)險、電池系統(tǒng)缺陷及保護(hù)系統(tǒng)不到位風(fēng)險、鋰離子電池使用環(huán)境溫升風(fēng)險、能量集聚風(fēng)險、碰撞風(fēng)險、電池管理系統(tǒng)故障或與船舶管理系統(tǒng)協(xié)調(diào)風(fēng)險、管理與維護(hù)不當(dāng)風(fēng)險等。這些風(fēng)險會直接或間接導(dǎo)致鋰電池發(fā)生熱失控事件，因此理解熱失控事件機(jī)理及熱失控事件帶來的后果對分析鋰電池動力船舶安全性及事故應(yīng)急處理等具有非常重要的意義。

電池系統(tǒng)熱失控原因及后果示意圖

電池發(fā)生熱失控事故時，如果電池已發(fā)生燃燒，會產(chǎn)生更多熱量而相應(yīng)釋放氣體量則減少。如沒有發(fā)生燃燒則相反。因此在進(jìn)行熱風(fēng)險評估時需在大量發(fā)熱與大量爆炸性和有毒氣體產(chǎn)生之間進(jìn)行權(quán)衡：

應(yīng)考慮是否在靠近地板和靠近天花板分別應(yīng)用與艙室爆炸風(fēng)險相關(guān)的氣體檢測；

鋰電池艙發(fā)生火災(zāi)后，工作人員進(jìn)行現(xiàn)場勘查時應(yīng)做好人身防護(hù)。進(jìn)入現(xiàn)場勘驗時，工作人員應(yīng)準(zhǔn)備防觸電設(shè)備，制定觸電應(yīng)急措施，并對艙內(nèi)氣體進(jìn)行采樣檢測，在確保人員安全的前提下展開現(xiàn)場勘驗，避免事故現(xiàn)場對人員造成次生傷害。

★ 電池艙通風(fēng)要求

熱失控事故不僅會造成溫度升高熱蔓延，還會釋放具有燃燒爆炸性及毒性氣體。分析磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э貙嶒灠l(fā)現(xiàn)，局域電池溫度并沒有明顯劇烈溫升但是存在大量氣體釋放現(xiàn)象。為了防止熱失控事件后果升級，可以通過應(yīng)急通風(fēng)減少或消除氣體釋放產(chǎn)生的氣體云團(tuán)。

★ 鋰電池機(jī)艙與燃油機(jī)艙安全比較

根據(jù)全球HIS Fairplay數(shù)據(jù)庫中登記的1998年至2017年期間報告的船上機(jī)艙火災(zāi)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，每艘船每年的機(jī)艙火災(zāi)總頻率為 6.8E-4。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)船舶機(jī)艙起火相比，電池起火的可能性似乎更低。然而在 HIS Fairplay 數(shù)據(jù)庫中登記的機(jī)艙火災(zāi)包括許多不同規(guī)模的火災(zāi)，不一定與電池系統(tǒng)QRA 中建立的全局火災(zāi)規(guī)模相關(guān)，全面評估電池系統(tǒng)是否比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)更安全需要更充分的數(shù)據(jù)支持。同時可見，火災(zāi)蔓延保護(hù)及電流中斷裝置是電池系統(tǒng)中最重要的保護(hù)措施。

★ 各種風(fēng)險威脅及相關(guān)保護(hù)措施評估

★ 電動船發(fā)展前景

當(dāng)前，電動船舶的大規(guī)模推廣應(yīng)用受制于電池動力船舶相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺失、充電設(shè)施不完善、電網(wǎng)供電能力有限、商業(yè)模式不清晰等問題，亟需多方合力解決。但是船舶電動化是重要的發(fā)展方向，也是船舶行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排和轉(zhuǎn)型升級的重要路徑。我國發(fā)展電動船舶具有得天獨厚的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，相信通過技術(shù)攻關(guān)解決關(guān)鍵瓶頸，通過示范運(yùn)行明晰商業(yè)模式，電動船舶將在船舶航運(yùn)市場占據(jù)一席之地。