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为提高燃料和成本效率，对一艘海船的辅助动力系统进行Discover蓄电池改造
减少温室气体（GHG）排放的紧迫性和国际海事组织（IMO）和欧盟（EU）实施的日益严格的监管框架，产生了对海运领域经济且易于实施的能源效率解决方案的前所未有的需求。本研究调查了一艘远洋船舶的改装，重点是辅助动力系统，其中一台柴油发电机被锂离子电池组取代。使用等效电路模型对电池行为进行建模，并开发了一种基于规则的能源管理系统（EMS）来在系统组件之间分配功率。为了研究所提出的混合解决方案的性能，对四种航次进行了多次电池尺寸的模拟。结果表明，电池容量与燃油消耗和发动机运行时间的减少之间存在正相关关系，船舶辅助系统的平均节省率为5.43%和29.44%。可行性研究评估了船舶剩余使用寿命内的成本和节省情况，并确定了最佳电池尺寸，表明较小的电池组在经济上更可行。研究结果突出了改造解决方案在短期内支持遵守日益严格的脱碳要求的潜力。表明较小的电池组在经济上更可行。研究结果突显了改装解决方案在短期内支持遵守日益严格的脱碳要求的潜力。表明较小的电池组在经济上更可行。研究结果突显了改装解决方案在短期内支持遵守日益严格的脱碳要求的潜力。
关键词
混合船
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锂离子电池
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减排
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船舶改装
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脱碳
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海事法规
介绍
减少温室气体排放的紧迫性不可避免地影响了海运业，全球贸易的大部分通过海运进行（马士基·麦金尼·穆勒零碳航运中心，2022）。全球船舶每年消耗约3亿公吨的化石燃料（联合国贸易和发展会议，2022），由此产生的温室气体排放——包括二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）——在2012年至2018年间增加了9.6%，占全球人为排放的2.89%（国际海事组织，2020）。最重要的是，官方预测显示，到2050年，航运活动的排放量可能达到2008年水平的130%。
作为回应，国际海事组织（IMO）制定了一项减少排放的策略，该策略描述了一系列目标并定期进行修订。其中，到2030年将每运输工作量的二氧化碳排放量较2008年减少40%，以及到2050年实现净零温室气体排放尤为突出（International Maritime Organization, 2023）。过去十年左右所采取的技术和运营措施清单令人印象深刻：能源效率设计指数（EEDI）、能源效率现有船舶指数（EEXI）、船舶能源效率管理计划（SEEMP）、数据收集系统（DCS）、碳强度指标（CII）以及正在开发的净零框架（NZF）旨在将航运引导到更可持续的道路上。
欧盟也采取了与航运脱碳相关的重大监管举措。2021年，欧盟通过了“Fit for 55”计划，旨在到2030年将温室气体排放量在1990年的基础上减少55%。该计划包括将海运业纳入欧盟排放交易系统（ETS）以及引入FuelEU Maritime法规。后者旨在促进使用可再生和低碳燃料的船舶在访问欧盟港口时的增加使用（European Commission, 2023）。
这个快速变化的环境对行业的利益相关者提出了前所未有的挑战，特别是对船东，他们必须及时解决现有船队的效率问题，并为相当不确定的未来景观做好准备（Shih, 2021），（Saxon et al., 2022）。替代燃料、优化船体形式、风助和混合推进、燃料电池的利用、空气润滑和船上碳捕获等选项在航运界被广泛讨论，因为它们可以显著帮助新建船舶（DNV AS, 2023）。另一方面，现有船队的可用解决方案在数量和效果上都更加有限。先进的防污漆、节能装置的安装以及船上运营实践的优化，例如，更好地利用主机和辅机以及锅炉，可以将燃料消耗降至一定水平。然而，对于许多船舶来说，这些措施不足以符合每年越来越严格的法规。
在每一吨燃料都至关重要的情况下，船舶，特别是那些已经投入运营的船舶，需要易于实施且成本效益高的解决方案，这些解决方案可以带来显著的节省，并与上述措施协同工作。本文提出的船舶动力装置改装符合这些标准，并获得混合动力系统的好处。
混合配置促进了多种能源的协同合作，发挥了它们各自的优点（Damian et al., 2022）。通过负载均衡技术，可以优化内燃机的运行，并通过整合能源储存系统（ESS）实现这一目标。此外，这种安排使有效利用可再生能源成为可能，例如风能和太阳能，它们的间歇性本性否则会成为弱点。这些特性有助于减少化石燃料的消耗，从而减少有害排放（Geertsma et al., 2017, Kanellos et al., 2017, Ramli et al., 2015）。硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）和颗粒物等排放物可以通过分配瞬态负载的供应来进一步减少，这些排放物在这些负载中会增加（Rakopoulos and Giakoumis）。2006)，安装在发动机上。此外，发动机的降低运行时间减少了噪音，减轻了航运运输对环境和社会的影响。最后，混合技术可以有效地与替代海运动力（AMP）结合，通过这种方式，电力需求和/或电池充电可以从码头终端供应。该解决方案进一步降低了排放和噪音，这就是为什么在未来的几年里，它将成为许多欧洲主要港口船舶的要求（DNV，2023）。通过这种方式，电力需求和/或电池充电可以从港口码头供应。该解决方案进一步降低了排放和噪音，这也是为什么在接下来的几年里，许多欧洲主要港口的船舶将需要这一要求（DNV, 2023）。通过该解决方案，电力需求和/或电池充电可以从港口码头供应。这进一步降低了排放和噪音，因此在接下来的几年里，许多主要欧洲港口的船舶将需要满足这一要求（DNV, 2023）。
进行了广泛的研究来探索海洋混合动力系统的优点。研究了不同的系统架构和各种类型的船舶。除了更常见的涉及电池和光伏（PV）模块的解决方案外，还纳入了各种能源来源，包括燃料电池（Bassam等人，2017，Hemdan等人，2019，Vieira等人，2022，Xie等人，2024），超级电容器（Chen等人，2016，Bennabi等人，2021，Zhao，2022，Li等人，2024，Barone等人，2024），风能（Wang等人，2024b，Wang等人，2025，Zhang等人，2025，Liu等人，2025，Liang等人，2026）和飞轮（Hou等人，2018，Lan等人，2016）。
A great deal of investigative effort has concentrated on hybrid propulsion, with ships such as ferries (Wu and Bucknall, 2020, Wu et al., 2021), tugboats (Zhu et al., 2018, Roslan et al., 2023, Yang et al., 2025), offshore ships (Barcellos, 2013, Herdzik, 2013, Valera and Atutxa-Lekue, 2018), research vessels (Jang and Kim, 2026) and naval vessels (Castles et al., 2009, Sulligoi et al., 2012) being part of studies evolving around the subject of propulsion. In addition to these, hybrid propulsion arrangements were examined in smaller vessels like fishing (Xiang and Yang, 2021, Kim, 2025), dredger (Zhan et al., 2015) and leisure (Beatrice et al., 2022) boats.
其他作品将关注点扩展到不仅仅是推进，而是包括辅助负载的供应。这种方法已被应用于散货船（Dedes等人，2012，Dedes等人，2016）、滚装船（Arabnejad等人，2024）；海军舰艇（Mitropoulou等人，2020），以及海洋船舶（Zahedi等人，2014）、游轮（Wang等人，2021，Ghimire等人，2022，Wu等人，2024，Wang等人，2024a，Ding等人，2025）、 research vessels（Capasso等人，2016），渡轮（Letafat等人，2020，Dall’Armi等人，2021，Roy等人，2023，Maloberti和Zaccone，2026，Manias等人，2026）、拖船（Kalikatzarakis等人，2018），以及游艇（Bosich和Sulligoi，2013）和娱乐船（Han等人，2014，Chen等人，2020，Saadeldin等人，2026）。
最后但同样重要的是，有一部分研究围绕混合动力电源展开，仅关注辅助需求。Ovrum和Bergh（2015）研究了在小型散货船上增加电池对燃料消耗和支出的影响。混合解决方案模拟了船舶在装卸货物时船上起重机运行时的情况。确定了最佳电池组大小，并开发了两种控制策略，作者报告称每年节省的费用等于电池成本的三分之一。Lan等人（2015）还结合了太阳能板，并提出了一种优化其大小和电池的新型方法。该算法是多目标粒子群优化（MOPSO）和非支配排序遗传算法（NSGA-II）的结合。应用于油轮案例研究，并实现了高达28.5%的燃油成本降低。在Dolatabadi和Mohammadi-Ivatloo (2018)中，基于风险的随机方法推导出了油轮混合系统中相同组件的最佳尺寸。当前任务被建模为一个混合整数线性规划（MILP）问题，其中太阳能辐射使用蒙特卡洛方法进行建模。
Tang 等人 (2018) 将混合系统的最优能量调度问题建模为大规模全局优化 (LSGO) 问题，并采用粒子群优化算法求解。所提出的解决方案的性能与当前其他先进算法进行了比较，显示出更低的成本。除了光伏阵列、电池和柴油发电机外，所研究的海洋系统还使用了 AMP。Yuan 等人 (2018) 展示了一艘纯汽车和卡车载体 (PCTC) 的电力系统实际改造。在船上安装了电池组和光伏板，实验结果表明每年可节省高达 4% 的燃料消耗。Si 等人 (2022) 提出了一种用于散货船电力系统优化配置的多目标方法。作者还引入了风力涡轮机和燃料电池，并将延长硬件寿命作为优化目标之一。此外，基于量子计算的双目标能源管理系统被建议，发现其性能优于其他方法，并能降低成本和排放。最后，Kistner等人（2022）研究了一种在游轮案例研究中的分散式混合系统，该系统由液化天然气（LNG）驱动的固体氧化物燃料电池（SOFC）和电池组成。进行了设计优化，并使用了基于规则的能源管理系统，据报道，年度输电系统成本减少了76%。该方法被发现比其他方法更优，能够降低成本和排放。最后，Kistner等人（2022）研究了一种在游轮案例研究中的分散式混合系统，该系统由液化天然气（LNG）驱动的固体氧化物燃料电池（SOFC）和电池组成。进行了设计优化，并使用了基于规则的能源管理系统（EMS），据报道，年度输电系统成本减少了76%。该方法被发现比其他方法更优，能够降低成本和排放。最后，Kistner等人（2022）研究了一种在游轮案例研究中的分散式混合系统，该系统由液化天然气（LNG）驱动的固体氧化物燃料电池（SOFC）和电池组成。进行了设计优化，并使用了基于规则的能源管理系统（EMS），据报道，年度输电系统成本减少了76%。
如上所述，大多数现有研究都集中在涉及船舶推进的海洋混合系统上，并且是在新建船舶的背景下进行的，其中船上系统可以在设计阶段进行优化。因此，它们在改造场景和辅助动力系统中的直接适用性有限。此外，技术经济方面的研究通常不够深入，很少涉及与最近引入和即将推出的脱碳法规相关的利益。从方法论的角度来看，实际运营数据或基于航次的模拟的使用是有限的，而提出的许多能源管理系统具有相当大的计算复杂性。最后，大多数专注于辅助负载的研究考虑了具有多个能源来源的混合配置，通常包括光伏系统。这不仅增加了系统复杂性，还可能由于空间和操作限制，使这些解决方案在广泛的船舶上变得不可行，例如货物装卸操作期间的损坏风险。
为了解决这些局限性，本文研究了在大型海洋船舶寿命中期将其常规动力装置改装成混合配置，重点是辅助负载供应。这项工作的动因是需要实用且经济可行的解决方案，使船东在减少燃料消耗和排放的同时，支持符合具有挑战性的脱碳要求。它提出了一种简单且成本效益高的解决方案，可以轻松应用于现有船队。
一个锂离子（Li-ion）电池组被整合到电力系统中，取代了一台柴油发电机，目的是提高辅助电力的效率，并设计了一个计算上廉价的基于规则的能源管理系统来控制混合安排。通过基于航次的模拟，系统地讨论和评估了电池容量对燃料消耗、二氧化碳排放和发电机运行时间的影响，这些模拟捕捉到了船舶操作状态的整个范围。最后，进行详细的 techno-economic 分析，以确定最具成本效益的电池尺寸，并量化在新采用的监管框架下的潜在成本节约。