電動船舶的技術現狀和風險研究

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權，配備總電量約7500kWh的電池系統，一次充電可續航100公里，每年可替代燃油530噸，減少有害氣體排放1660噸。

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

★ 電動船舶有哪些優勢？

船舶動力系統的發展經歷了蒸汽動力裝置、汽輪機動力裝置和目前主流的柴油機動力裝置三個主要階段。新興的純電力推進和常規的柴油機機械推進相比，具有如下優點：

 (1) 經濟性好。純電動船舶較常規柴油機船舶運營成本具有較大優勢，以拖輪為例測算，純電動船舶使用壽命30年內動力消耗可節省一條常規拖輪的造價, 經濟性可觀。

 (2) 操縱性好。純電動船舶的推進電機轉速易于調節，螺旋槳采用全回轉設計，在正反轉各種轉速下都能提供恒定的轉矩，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。柴油機推進的船舶，一旦主機重要部件或舵機、輔機出現故障往往會致船舶癱瘓。純電力推進船舶使用多組電池組作為能源并互為備用，電池管理系統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。傳統船舶軸系長度往往占到船長的40%左右，純電力推進的船舶替代了傳統的傳動軸系、發電機、分油機、油柜、燃油鍋爐等設備設施以及燃油管線，改善了機艙的布置，可以更加合理地利用機艙空間。

 (5) 環保性能佳。純電力推進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。電池到達使用壽命后，廠家對廢舊電池進行回收和集中處理，避免生態環境污染。

 (6) 為船舶智能化發展提供了路徑。純電動船舶摒除了大量燃油機器設備，取而代之的是操控便捷、集成化智能化更高的電氣設備，自動化程度高，更有利于實現“機駕合一”模式，甚至可以進一步推進船舶智能化發展，實現未來無人船舶愿景。

“E-ferry”號鋰電池客渡船

“Color Hybrid”號鋰電池客滾船

★ 電動船舶需要關注哪些風險點？

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

 (1)船舶失電風險

作為全船唯一的動力來源，電池動力系統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。在電池動力系統嚴重受損情況下，將造成全船同時失去動力和電力。而船舶的航行環境與陸上環境有很大不同，大多數水域水是流動的，受氣象、水文、航道和交通等因素影響，一旦失去動力，極有可能引發撞船、擱淺等船舶事故。因此，電池動力船舶設計需認真考慮船舶失電風險。

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生小型火災事故，船舶通過另一半的傳統動力返回港口，乘客和船員安全撤離。在船舶回到港口以后，當天晚間，船上鋰電池所在的處所(甲板下方的相關區域)發生了嚴重的氣體爆炸，造成重大破壞。而且由于不知情，趕去事故現場滅火的12名消防員因接觸與電池有關的有害氣體而被送往醫院。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氣體有關。

 (2)火災風險

2018年中國新能源汽車保有量為261萬輛，國家市場監督管理總局數據顯示，2018 年中國至少發生了40起涉及新能源汽車的火災事故。2021年1月到9月，國內已發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風險和安全性。目前全球只有七十多艘電池動力船舶，營運經驗積累匱乏。船舶相對于汽車有著明顯的工作環境差異，不能僅借鑒現有電動汽車的經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”號突發火災。當時該船�？看a頭，船上僅有4名船員。事發之后，船員迅速被疏散，該船被拖航至安全水域。盡管情況已穩定，但火災可能導致船上電池暴露在高溫下，在封閉的艙室中產生爆炸性及易燃氣體。因此，有關部門當時禁止任何人登船甚至接近船舶，并在該船周圍設立了300米的安全區。

★ 電動船舶的標準化進程

 (1) IMO方面

目前，作為聯合國制定及通過海運安全和保安方面國際規則的專門組織，IMO迄今為止還沒有制定有關鋰電池動力船舶安全方面的公約及規則，SOLAS公約雖然規定了電源及發電機組要求，IMDG規則規定了運輸鋰電池相關要求，但一直沒有將純電池動力引入公約當中，成為制約鋰電池動力船舶發展的一個重要因素。國際公約中尚沒有專門針對純電動船舶的構造、機電設備、防火布置、防污染要求及船員培訓、發證和值班等方面的具體規定，而現有的國際公約、國內法律法規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要求還需進一步討論和研究。

 (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規范和指南，并根據實踐不斷進行修訂和完善。國外船級社中，DNV最早于2012年在船舶入級規范中納入電池動力暫行規范，而后電池動力(Battery power)相關內容也被納入2015 年推出的新DNV聯合規范第 6篇第2章第1節，經過數輪修訂完善，目前最新版本為2020年版，章節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) 國內法規標準

針對鋰電池動力船舶存在的主要相關風險，我國選用安全性較高的磷酸鐵鋰電池作為船舶動力，并制定了與之對應的法規、規范和檢驗標準，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布的法規、規范和檢驗包括：《內河小型船舶法定檢驗技術規則》(2019)、《內河船舶法定檢驗技術規則》(2019)、《太陽能光伏電池系統和磷酸鐵鋰電池系統檢驗指南》、《直流配電電力推進系統檢驗指南》、《混合動力船舶檢驗指南》、《純電池動力電動船舶檢驗指南》(2019)。

★ 鋰電池熱失控研究

鋰電池作為船舶動力唯一來源，其系統安全關系到船舶本質安全。鋰電池本身存在諸如電池自身安全性風險、電池系統缺陷及保護系統不到位風險、鋰離子電池使用環境溫升風險、能量集聚風險、碰撞風險、電池管理系統故障或與船舶管理系統協調風險、管理與維護不當風險等。這些風險會直接或間接導致鋰電池發生熱失控事件，因此理解熱失控事件機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急處理等具有非常重要的意義。

電池系統熱失控原因及后果示意圖

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

應考慮是否在靠近地板和靠近天花板分別應用與艙室爆炸風險相關的氣體檢測；

鋰電池艙發生火災后，工作人員進行現場勘查時應做好人身防護。進入現場勘驗時，工作人員應準備防觸電設備，制定觸電應急措施，并對艙內氣體進行采樣檢測，在確保人員安全的前提下展開現場勘驗，避免事故現場對人員造成次生傷害。

★ 電池艙通風要求

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。分析磷酸鐵鋰電池熱失控實驗發現，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象。為了防止熱失控事件后果升級，可以通過應急通風減少或消除氣體釋放產生的氣體云團。

★ 鋰電池機艙與燃油機艙安全比較

根據全球HIS Fairplay數據庫中登記的1998年至2017年期間報告的船上機艙火災數據可以發現，每艘船每年的機艙火災總頻率為 6.8E-4。與傳統內燃機船舶機艙起火相比，電池起火的可能性似乎更低。然而在 HIS Fairplay 數據庫中登記的機艙火災包括許多不同規模的火災，不一定與電池系統QRA 中建立的全局火災規模相關，全面評估電池系統是否比傳統內燃機更安全需要更充分的數據支持。同時可見，火災蔓延保護及電流中斷裝置是電池系統中最重要的保護措施。

★ 各種風險威脅及相關保護措施評估

★ 電動船發展前景

當前，電動船舶的大規模推廣應用受制于電池動力船舶相關標準缺失、充電設施不完善、電網供電能力有限、商業模式不清晰等問題，亟需多方合力解決。但是船舶電動化是重要的發展方向，也是船舶行業實現節能減排和轉型升級的重要路徑。我國發展電動船舶具有得天獨厚的技術和產業優勢，相信通過技術攻關解決關鍵瓶頸，通過示范運行明晰商業模式，電動船舶將在船舶航運市場占據一席之地。