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中国工程院院士严新平:水运交通与新能源融合的路径与前景
青岛海洋发展网
2023-08-26 20:31 | 阅读次数:36158

由中国科学技术协会、北京市人民政府、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、国家市场监督管理总局、国家能源局联合主办的第四届世界新能源汽车大会(WNEVC 2022)于8月26-28日在北京、海南两地以线上、线下相结合的方式召开。其中,北京会场位于北京经济技术开发区的亦创国际会展中心。

大会由中国汽车工程学会等单位承办,将以“碳中和愿景下的全面电动化与全球合作”为主题,邀请全球各国政产学研界代表展开研讨。本次大会将包含20多场会议、13,000平米技术展览及多场同期活动,200多名政府高层领导、海外机构官员、全球企业领袖、院士及行业专家等出席大会发表演讲。

其中,在8月26日举办的专题论坛:“交通与能源融合论坛”上,中国工程院院士、武汉理工大学首席教授、水路交通工程技术专家严新平发表精彩演讲。

以下内容为现场演讲实录:

严新平:

非常感谢大会邀请我分享最近刚刚结束的我国交通能源融合研究课题。这个课题是由我、贾利民教授和杨勇平校长共同承担的。我主要从事水路交通方面的研究,下面给大家汇报一下我们这方面的研究情况。

一、水路交通与能源融合的背景及意义

绿色、低碳是国内外水路交通发展的必然趋势,是实现双碳目标和交通强国战略的有力支撑。水路交通运输特点是运载能力大,占全球90%以上进出口货物运输,在双碳目标背景下,我们国家水路交通仍然面临着减排的压力,碳排放2020年1.2亿吨,2030年1.45亿吨。水路交通国际海事组织IMO进行各种标准规范和法规的治理,也提出了航运业的双碳目标,2018年IMO发布温室气体减排初步战略,提出至2050年将航运业的二氧化碳总排放量削减50%,并努力逐步实现零碳目标。

水路交通与能源融合的内涵是以可再生能源充分利用、能源自洽为目的的水路交通与能源融合发展模式。国际范围来看,各个国家努力探索各方面的技术,新加坡搭建了大规模的光伏发电系统。水路交通装备能源自洽方面国外也正在积极探索,比如说挪威提出零排放氢动力船舶,荷兰也在进行多能源混动系统的设计,内燃机也一直会存在,氨和氢可以用燃料电池,把燃油换成氨或者氢燃料是水路交通业界积极探索的一个技术。

国外也在研究如何向陆地基础设施加油站或者换电站模式,在海上建立新型设施,利用太阳能、风能进行发电制氨,然后沿途船舶穿梭加油,这些技术都在探索之中。

我国江阴港、青岛港、天津港都在利用太阳能和氢能的应用,大型船舶上也探索光伏系统进行电力补充。

尽管国内外都有这方面的探索,但是一些关键技术,特别是成套的技术体系和装备仍然有很多需要发展的方面。比如说目前主要是应用模式比较单一,绿能占比比较低,难以实现双碳战略需求。风光占比比较低,高比例新能源接入的电力系统的调控技术存在瓶颈。港口绿氢制-储-注-供一体化应用空白。所以水路交通基础设施绿色化与能源自洽,作业装备绿氢供能,船舶绿色岸电等技术需要系统研究。水路交通与能源融合的意义是饯行国家战略,促进经济发展,也可以推动产业发展。

二、水路交通用能特征及能源化潜力

水路交通用能特征主要从水路交通几个主要元素来看。比如船舶是水路能源最重要的运载装备,主要运能有两个问题:一个是用能形式的特征分析,包括用柴油机,也有用电力推进,目前主要是柴油机发电,再采用电动化。也有少量的船舶,还有一些就是多能源混合动力。另外从运行状态来说,船舶包括正常航行的用能,以及在进港之前进行靠泊,还有作业的时候的用能这三个方面的形式。水路交通基础设施方面,我们的用能包括用柴油,也有太阳能、风能以及公网电源供应,它的消耗形式包括港口、枢纽装备用能、交通用能、在港船舶用能等。

水路交通用能形态方面,船舶用能形态有柴油、风能、太阳能,很多是二次能源,像太阳能和LNG,这些都有它的应用特点和应用场景。对于基础设施主要是柴油和汽油这种二次能源,停泊的船舶用能大部分以柴油发电为主。其他的可再生能源正在逐步得到应用和推广。

在用能模式方面,对于船舶来说,多能源综合应用是将来发展的一个非常重要的方向。包括油电混合动力系统,气电混合动力系统,油电混合和储能的装置以及余热回收和辅助动力。基础设施的用电方式也包括了靠岸的船舶要求使用岸电减少船舶辅助发电对港口排放的影响,同时港口积极探索蓄电池储能技术和油改电等技术。

从未来水路交通用能研发趋势来看,以不同的角度来看,比如以燃料角度,中碳燃料到低碳到未来零碳,用氨或者氢。从低品位能源向高品质能源发展。从运载工具,船舶和港口装备,自供能源到目前自洽,还有柴油机一统天下的格局,作为船舶动力这种格局肯定会打破,未来肯定是多能源发动的趋势。

Lloyd’s List和 LR 最近对航运业利益相关者进行的一项调查预示未来水路交通用能变化趋势,2030年液化天然气和现有的柴油动力仍然是主题,各占20%。其他的包括氨和氢只有7%和8%的份额。但是到2050年,这个结构预计有很大的变化,氨和氢分别上升到19%和20%。所以柴油机一统天下这种船舶动力格局肯定会打破。未来不可能找到一种终极的能源作为船舶动力。但是多能源也在不断的变化,这也是为什么国外的这些航运公司包括我们国家都在努力寻找新型能源因素的原因。

对于用能需求演化,传统的船舶动力推进模式主要是柴油主机,加齿轮箱和传动轴还少不了一个舵,随着电力系统的推动发展,逐步实现从传统主机、齿轮箱+传动轴+螺旋桨,到电机+传动+螺旋桨的模式,到电机/螺旋桨,直驱模式。

水路交通有多样化的特点,风、光、海洋能,不同的场景都有所应用,同时这些能源各有它的一些差异。

我们国家交通资产能源化潜力,在战略研究的时候也做了一些分析,我们也是参照贾利民教授他们在道路交通、轨道交通从乐观场景到一般场景在港区有30%/10%的面积都能够铺设太阳能光伏系统进行发电,这样的场景我们进行了一些数据计算。还是非常可观的,如果真的能实现的话,对于航道来说也可以实现这方面的应用,我们在航道暗线方面,除了有城市有观光的平台,更重要的能不能在沿线布设太阳光伏系统,实现能源资产化。还有一个水路交通,在服务区如何利用风光进行发电,长江干线有31个水运航运服务区,真正能够利用起来进行风光发电也是非常可观的。

从交通用能需求来说,有一个数据,2019年我国交通运输仓储和邮电通讯业能源消费总量约为43909万吨标准煤约合35688.8亿千瓦时;水路交通2084.8亿千瓦时。从这个方面来看未来随着交通发展这种数据还会增加。这就是我们为什么一定要开展能源交通融合一个非常重要的前提。

三、水路交通与能源融合的关键技术

要实现交通能源融合,有五个方面的关键技术:

第一、水路交通基础设施自然禀赋能源体系设计。这个至关重要。我们现在做的所有工业都是后处理,能不能在航道建设的同时,运输网络,基础设施网和能源供给网和通讯设施保障网,四网融合有几年了,理念非常好。但是我们在设计的时候,我们的规划设计部门是不是能够在规划一个。比如说我最近去南宁,南京广西要开通出海通道,广西现在的出海通道是要通过西江到珠江到广州出海,他们要建140公里的平路运河,从南京开挖到青州港,大部分是既有的,没有利用的航道。最近给刘书记他们提了建议,我们不仅要有一江好水,一江好水要行好船,关键是基础设施建设的时候如何把能源供给,未来在这个航道里的运行船舶肯定是新能源船舶,不能是冒烟的船舶。这样的话就应该把能源基础设施和包括通讯网络都能够同步加以建设,而不仅仅是把航道挖好就行。所以如果真的实现交通能源融合,设计规划的时候如何把这个理念植入?如果设计规划工作的时候就给它加以考虑,这是至关重要的。

第二,如何实现“风、光、电、氢”多能源系统融合模式及匹配方法。不同的能源各有特点,在什么样的场景下采用什么能源最合适。

第三,多能源系统的能源捕获与稳定控制技术问题。

第四,每一种能源利用一定要考虑能源的制造生产,加注,储,供,用多个环节。

现在所有船舶目前利用的新能源都是储,现在很多能源可以便捷加上油,如同汽车在陆地上很多加油站可以加汽油柴油一样的道理。所以工信部和交通运输部,以及能源局也要发布一个绿色智能船舶发展指导意见,当时征求我的意见,我非常明确提出来,我建议3000吨以下的船要采用船电池,3000吨以上的纯电池动力的续航力和纯电池动力安全性有很大的挑战,应该以LNG,低碳能源作为过渡。2030年或者2050年以后直接用氨能源。意思就是我们不应该在不同的航道航线上部署多种能源。如果3000吨以下运河水网地区,将来只要建充电站换电装置。我们在水路交通也是船电分离,我们做成标准模块化集装箱电池动力组,港口装卸货的时候同是换电。传统是买油开船,未来是租电开船,这是一种新的业态。如果在水网地区又是LNG动力,又是纯电池动力,又是传统的产业动力,那么能源供应体系就非常复杂会造成很大的浪费。

第五,多能接入局域电网优化运行控制技术。

四、水路交通与能源融合的发展思路

第一是发展原则。我们也提到三步走,2021年到2025年,主要是在一些港口进行探索。到2030年在锚地和动力设备上探索。未来在沿海和内河自然禀赋缺乏的区域实现余电上网模式,构建多层级一体化水路交通能源融合的体系。

第二是发展思路。包括如何解决源属性、网属性、荷属性、储属性。构建新型的能源交通体系。

第三是水路交通与能源融合场景。场景包括港口和运载工具、水上服务区、锚地和航道这些环节和要素都有待交通能源融合发展,充分挖掘太阳能、风能、潮汐能的融合。

第四是发展路径。逐步从沿海港向内河港推进的策略。

第五,我们也分析了水路交通能源融合存在六个方面的难点。一个是如何实现战略定位。第二能源融合扶持政策,现在有些省和市出台了新能源船舶造新船的补贴,包括广东和江苏都有。第三就是投入的成本问题,我们在浙江湖州做64箱纯电池动力,湖州到上海275公里的集装箱运输船,传统的集装箱船造一艘只要300万,动力系统100万,光电池就要500万,用不起,但是我们用租电的模式,用另外一个系统建电站建充电设施,负责租给使用者,投入成本也是能源融合非常重要的一个影响因素。还有关键技术、标准法规的出台。因为电池在船舶运输里作为九类路线图,到一个港口不是随便可以装卸,有指定区域才能装卸。这样的法规你要是不突破的话,是很难的。所以我们跟海事局都在做这方面的交流。最后很重要的是人才队伍这方面要有这种理念和这方面的技术的推进。

第六,我们在政策层面、技术层面和十博吧层面提出了一些建议,时间关系不一一汇报。

五、水路交通与能源融合的发展前景

最后给大家汇报一个案例,这也是贾利民教授和大家的支持下,我们团队承担了水运港船多能源融合技术集成应用项目,宁波舟山港作为牵头单位,研究我国港区“风、光、储、氢”等多能源融合系统网络构架;研究不同负荷及特征各异能源的捕获、变换与控制技术;研发与港-船多能源融合系统相适应的氢气注-储-供系统和能量管理系统等关键装备;研究港-船多能源融合系统与港区负荷的匹配与优化控制技术。这个项目我们针对几个典型应用场景,包括在流动基建,还有大型船舶进港通过拖轮才能进到码头。还有启动设备,这三个典型场景,通过风和电发电再制氢。这就是宁波舟山港在北山集装箱公司穿山港区进行的多能能源融合示范区的项目,包括绿氢制备系统,风光发电系统和光伏发电系统和储能子系统等等。

这是它整个示范区系统的拓扑结构,包括能源层、电网层、负荷层和控制层,这个项目正在执行之中。

在此给大家汇报这些,感谢领导专家多年来对我们团队关心指导和帮助。谢谢大家!

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)

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