採用混合動力系統的船舶技術
海事產業正步入重大轉型期。為了減少排放、節省燃料並滿足日益嚴格的環保法規，許多船舶營運商都在尋求更有效率的解決方案。在這項變革中，混合動力船舶技術脫穎而出，成為最引人注目的解決方案之一。混合動力系統結合了兩種或多種動力來源——通常是柴油引擎、電動馬達和電池——使船舶能夠以更經濟、更靈活、更永續的方式運作。
船舶上的混合動力系統是什麼？
簡而言之，混合動力船舶是指將傳統推進方式（例如柴油引擎）與電池或其他電源提供的電力推進方式結合的船舶。這種系統並不一定意味著船舶必須完全使用電力；相反，混合動力船舶的優勢在於其能夠根據營運需求調節能源使用。
在特定條件下，船舶可以完全由電動馬達驅動（純電動模式）；而在其他情況下，柴油引擎則負責推進或為電池充電。這種動力組合能夠提高效率，並在柴油引擎未處於最佳運行狀態時降低油耗。
混合系統的主要組成部分
為了使混合動力系統正常運作，船舶上通常需要幾個重要部件：
1. 柴油引擎或發電機組（發電機組）
柴油引擎是主要動力來源，尤其是在重載或長途航行時。在某些設計中，柴油引擎並非直接驅動螺旋槳，而是驅動發電機提供電力。
2. 電動機
電動馬達可以直接驅動螺旋槳，也可以透過傳動系統驅動。這些電動馬達在低速運轉時效率很高，並且能夠提供很高的啟動扭矩，因此非常適合在港口內進行操縱。
3. 電池（電池儲能係統/BESS）
電池儲存電能，供船舶使用電力航行或遇到緊急電力需求時使用。電池容量根據船舶的運作情況而定：港口船舶通常需要足夠的容量以進行操縱，而渡輪在某些航線上可能需要更大的容量。
4. 能源管理系統（EMS）
這是混合動力船舶的「大腦」。能源管理系統（EMS）控制柴油引擎何時啟動、電動馬達何時使用、電池何時充電，以及如何有效且穩定地分配動力。
5. 電力電子設備（變頻器、轉換器、配電盤）
調節能量流，根據需要改變電壓或電流，並保持船舶系統中穩定的電力供應。
混合動力船舶在不同運作模式下的工作原理
混合動力船舶通常具有多種運作模式，具體取決於設計和需求：
– 電動模式（純電動/零排放模式）
該船由電池供電的電動馬達驅動。這種模式非常適合港口區域、自然保護區或排放法規嚴格的地區。
– 柴油模式（傳統模式）
柴油引擎作為主要動力來源。這種模式通常用於長途行駛或重載工況。
– 混合/增強模式
柴油引擎和電動馬達協同工作。電動馬達在加速、穿越強流或船舶需要額外動力時提供輔助動力。
– 充電/飯店負載管理模式
當船舶停靠在碼頭或低負載運行時，發電機可以有效運行，為電池充電，同時為酒店負載（照明、冷卻、設備）供電。
這種靈活性使船舶營運商能夠根據實際情況調整運營，從而降低燃料消耗和排放。
混合動力船舶技術的優勢
1. 節省燃油
柴油引擎在特定負載下運作效率最高（“最佳工況”）。然而，船舶在實際應用中經常面臨負載波動，例如操縱、減速和港口作業等。混合動力系統可以「平衡」負載：電池和電動馬達滿足瞬時電力需求，而發電機組則可以更穩定地運作。
2. 減少排放和空氣污染
降低燃料消耗量自然就能減少二氧化碳排放。此外，船舶還可以減少氮氧化物、硫氧化物和顆粒物排放，尤其是在敏感區域使用電力驅動的情況下。這在全球脫碳政策中至關重要。
3. 降低噪音和振動
電動馬達比內燃機噪音更低。舒適性和低噪音是客船、遊艇和科考船的關鍵考慮因素。電動模式還能減少對船體結構和設備的影響。
4. 更有效率的維護
當柴油引擎不經常承受極端負荷波動時，其零件壽命可以延長。此外，由於部分運轉時間由電動馬達取代，引擎的運轉時間也可以減少。
5. 冗餘性和可靠性
混合系統增加了多種選擇。如果一個電源發生故障，另一個系統可以根據其架構和安全標準，幫助維持基本運作。
混合系統的挑戰與局限性
混合動力船舶雖然前景廣闊，但仍面臨挑戰：
1. 前期投資成本高
電池、控制系統和高功率電器設備價格不菲。除了設備本身，設計和整合也會增加成本。
2. 電池的重量和空間
大型電池需要空間、冷卻系統和防火措施。對於空間有限的船舶來說，這需要做出設計上的妥協。
3. 電池安全管理
電池若設計和操作不當，有熱失控的風險。因此，電池需要配備監控系統、通風設備、專用滅火器和嚴格的安全規程。
4. 港口充電基礎設施
為了最大限度地發揮混合動力系統的優勢，港口需要提供岸電或充電設施。在許多地區，這項基礎設施仍在發展中。
5. 人力資源與培訓需求
操作人員和技術人員必須了解高壓系統、能源控制和電氣安全規程。
適合使用混合動力系統的船舶類型
並非所有船舶都能從中受益。例如，混合動力船舶最適合走走停停的航線或短程至中程航線：
頻繁進出港口的渡輪航線
– 操縱時需要高扭力的拖船
巡邏艇有時會悄無聲息地行動
在敏感區域運作的遊船和河船
– 具有飯店式負載和動態作業的近海服務船舶
相較之下，遠洋貨輪在公海上航行數週可能需要其他方法，例如引擎優化、低碳燃料或與替代能源的混合動力組合。
發展方向：從混合動力到電氣化和清潔能源
混合動力技術通常被視為通往低排放海事未來的「橋樑」。隨著電池技術的進步、成本的降低以及港口基礎設施的完善，電力驅動的份額將會不斷增長。此外，混合動力系統還可與太陽能板、氫燃料電池或甲醇、氨等替代燃料結合。因此，混合動力系統不僅僅是柴油和電力的簡單組合，而是要打造一個適應性強的船舶動力系統。
結論
混合動力船舶技術兼顧經濟效益和環境永續性。透過結合柴油引擎和電池驅動的電力推進系統，船舶可以降低油耗、排放和噪音，同時提高營運靈活性。儘管初始成本、電池空間和基礎設施需求等挑戰仍然存在，但全球趨勢表明，混合動力船舶將成為船隊現代化策略的關鍵組成部分。最終，混合動力船舶不僅是一項技術創新，更是邁向更清潔、更智慧的海上運輸未來的實際一步。
