潮汐的转变:新一波电子船出海

据估计，海上温室气体排放约占全球总量的2.5%，略高于航空排放的2%。如果海运是一个国家，它将是排在中国、美国、印度、俄罗斯和日本之后的第六大二氧化碳排放国。国际航运——很像长途飞行——短期内不会实现电气化，因为电池的能量密度根本无法实现。对于一个最近承诺到2050年将排放量减半的行业来说，这是一个相当严重的问题。

马士基(Maersk)等公司正在寻找绿色甲醇等解决方案来为远洋船只提供动力，而对于那些不太冒险离开海岸、可以定期充电的船只来说，电气化是可行的。从快艇到轮渡，甚至小型集装箱船，电子船开始在海事领域取得进展，激发了一些尖端工程来补充它们的绿色证书。

其中一家公司是瑞典公司烛光．2014年，该公司创始人古斯塔夫·哈塞尔斯科格在斯德哥尔摩群岛划船时突然灵光一现。他意识到，从避暑小屋往返给孩子们买冰淇淋所需的燃料大约是买乳制品所需燃料的10倍，于是他开始建造一艘更节能、更环保的船，它不会耗费地球的能源。

坎德拉公司的通讯经理兼试飞员Mikael Mahlberg向《工程师》杂志解释说:“他意识到，化石燃料、动力船是世界上能耗最高的船只。”

“由于船壳的高阻力，它们消耗的能量是普通家用汽车的15倍左右。你不能用现有的电池给它们充电。即使是最好的锂离子电池的能量密度也只有汽油的十五分之一。”

哈塞尔斯科格想出的解决方案是用水下水翼船将船体抬出水面，几乎消除了摩擦和阻力这两个孪生敌人。经过数年的工程努力，Candela Seven号诞生了，这是一艘能在海浪上飞行的电动箔翼快艇。这艘船的巡航速度为20节，充电一次可以行驶50海里——足够从多佛返回加莱。如果最高航速为30节，那么航程将缩小到32海里。

“坎德拉真的更像一架飞机，而不是一艘船，”马赫伯格说。“它不稳定，它会‘飞’，有很多软件和电脑来稳定它。所以水动力部分非常具有挑战性。”

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考虑到项目的性质，该公司从空中客车直升机公司(Airbus直升机)和萨博公司(Saab AB)引进团队成员，以及来自美洲杯(America’s Cup)比赛的经验也就不足为奇了。在最近几届传奇帆船比赛中，水翼船已成为必备项目。“坎德拉七号”的尾部有一个小水翼，与舵和螺旋桨整合在一起，另一个大得多的可伸缩水翼从腹部突出来，负责起重。真正聪明的事情发生在后者，液压执行器在100Hz的频率下工作，在飞行计算机和令人印象深刻的传感器阵列的帮助下，以每秒100次的速度调整水翼上的支柱，以保持船舶的稳定。

马赫伯格说:“平衡这艘船的秘密是，机翼没有飞机机翼那样的襟翼或副翼。”“相反，我们使用前后移动的独立支柱来扭转整个机翼，弯曲和扭转机翼，机翼中部是灵活的。

“船的大脑是飞行控制器，这基本上是我们内部开发的一台计算机。有六种不同类型的传感器。船首的超声波传感器以100Hz或每秒100次的频率测量船前的波浪高度，以优化箔片的角度并对抗波浪。但由于船不稳定，你必须一直使用箔来保持平衡。”

将一艘7.7米长的船从水中抬起不仅需要水翼船，还需要一些令人印象深刻的轻量化。“七号”的整个船体——船体、甲板和翼板——都是在瑞典当地使用碳纤维制造的，其240公斤重约为同等玻璃纤维的50%。40千瓦时的电池组使用了改装的BMWi3模块，大大增加了1350公斤的总重量，但仍比Candela的化石燃料前身轻30%左右。

在水面上，这艘船基本上在四英尺高的海浪上飞行，没有砰砰声或颠簸，几乎没有噪音或尾流。它可以容纳一名飞行员加上700公斤的重量，所以六七名乘客和几件行李或几个储备充足的野餐篮子。定制的，纤细的螺旋桨轮毂与二级水翼集成在一起，并封闭在自己的情况下，进一步帮助船的水动力学。

Mahlberg说:“这显然对减轻阻力有很大帮助。“它的效率可能比25英尺高的传统动力艇上的较低装置高6到7倍。当我们以20节的速度飞行时，我们使用24马力的发动机，而传统内燃机艇可能使用120马力，所以这是一个巨大的差异。”

然而，创新是要付出代价的，Candela Seven的售价约为20万英镑。这不是一笔小数目，但距离划船界的上层阶层还有很长的路要走。当谈到每英里的成本时，船东们真的可以开始收回部分投资了。三相11千瓦充电器——在大多数港口和码头都很常见——可以在4小时内将“七号”从无电状态充电到充满电，成本约为5英镑，比“七号”每英里耗油量大的同类船低大约95%。

Mahlberg说:“在美国，汽油的价格可能有点不同，但我还是会说节省了90%。”“我们在斯德哥尔摩群岛有一个船主，他说开坎德拉号比开他的化石燃料船每年能省1万欧元。”

对于那些没有20万英镑的闲钱的人来说，一个稍微不那么令人兴奋但同样重要的电子船项目将很快在英格兰南海岸开业。E-Voyager，正式名称为柴油驱动的“美人鱼”，是一艘12人渡轮，现已改装为全电动渡轮。开发的“航行者”号海洋它与普利茅斯船务公司和E-Marine Solutions合作，将于今年夏天开始载客，成为英国第一艘海上电动客轮。

Voyager Marine的项目经理Andy Hurley告诉《工程师》杂志:“E-Voyager安装了一台140千瓦的电机，取代了老式的福特60马力(45kW)柴油发动机。”“这些电池是由日产Leaf电池改造而成，封装在设计和制造的船用外壳内。逆变器和DC-DC转换器的设计也非常耐用，能够在海上环境中工作。”

该项目由“清洁海事呼吁”(Clean Maritime Call)资助，“清洁海事呼吁”是由英国交通部支持的英国海事研究与创新(mary -UK)倡议，并得到了埃克塞特大学和普利茅斯大学的学术支持。在开发过程中，该团队使用了占空比建模和螺旋桨性能的高级模拟，以确保从20kWh电池模块中有效地获取每一点电力。e-Voyager的巡航速度为5节，可以运行4个多小时，最近还增加了1千瓦的太阳能电池板，以努力扩大航程。

当光靠太阳无法完成任务时，“e-Voyager”将在乘客登机和下船时，使用普利茅斯市议会最近在港口登陆台安装的两台22千瓦2型充电器中的一台进行充电。考虑到Voyager Marine公司计划建造两艘更大的电子船，普利茅斯议会可能不得不在不久的将来增加其码头充电基础设施。

赫尔利解释说:“首先是普利茅斯公主号的改装，这是一艘国内客轮，长约16米，经认证可搭载100多名乘客。”“大部分的基础工作已经完成，准备在2021年秋季转换。只需一次夜间充电，她就可以每天工作12小时。

“我们的新渡轮设计也取得了进展，将在连接康沃尔和普利茅斯的著名的Cremyll渡轮航线上运行。这将是一艘双体船，双螺旋桨由与e-Voyager上使用的类似但更大的发动机驱动。该船长20米，最多可搭载150名乘客。我们希望在2022年建造这艘船。”

Voyager Marine公司的这些最新计划证明，电子船绝不局限于小型休闲船和翻新工作船。在成本效益和环境要求的推动下，海事部门正在向一个更清洁、更绿色的未来迈出真正的步伐，这得益于卓越的工程和真正创新的技术。

想要了解未来会是什么样子，我们可以再次转向斯堪的纳维亚半岛，那里的一个开创性项目正在以前所未有的规模将电气化和自动驾驶相结合。Yara Birkeland号将于今年晚些时候开始运营，它是世界上第一艘电池驱动的自主船，是一艘120 TEU的集装箱船，设计用于装载、航行和卸货，几乎不需要人工操作。

为挪威农业公司开发雅拉国际公司该船全长80米，是该公司将化学品和化肥从Herøya基地运输到附近的Brevik集装箱港口的替代解决方案。Yara每年从Herøya出口约2万个集装箱，这意味着总共需要4万个柴油动力旅程，以方便所有货物的第一段短途运输。Yara Birkeland号的目标是用零排放的往返航行来取代布雷维克和约31海里外的拉维克深水港的补给船。

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这艘3200 DWT的船只将由一个7兆瓦时电池提供动力，将驱动两个900千瓦方位角推进器舱和两个700千瓦隧道推进器，提供13节的最高航速和6-7节的巡航速度。挪威科技公司Kongsberg负责导航、传感器、控制、通信和电气系统。在经历了一些令人沮丧的延误(其中一些是与流行病有关的)后，该船终于在去年11月交付，并将在2021年晚些时候开始自主任务之前进行有人驾驶海试。

然而，这项任务的关键部分仍在进行中。虽然该船似乎已经准备就绪，但事实证明，陆地上的自主物流是一个更艰巨的挑战，Yara承认，正在与装载Birkeland的电气化货运解决方案进行斗争。这些问题提醒我们，尽管基础技术近年来迅速成熟，但集成复杂的、自主的电气化系统并不容易。

对于像Yara Birkeland这样的世界第一项目，一些延迟和停顿是可以预料的，但它所面临的挑战似乎并没有阻止其他项目采用类似的想法。挪威食品杂货经销商ASKO目前正与康士伯公司合作，在奥斯陆峡湾运营两艘新的电池电动货运渡轮，以减少首都水道周围的迂回道路运输。这两艘船将在霍顿和莫斯之间作业，距离约5海里，航行大约需要一个小时，但有可能显著减少该公司在奥斯陆及其周边地区的排放。

Yara和ASKO这两家对货物有独特和具体要求的非航运公司率先涉足电气化、自主航运这一波涛汹涌的领域，这或许并不令人意外。专门为某条路线设计可以优化船体和动力系统，以及必要的充电和物流基础设施。它们是否可以作为更广泛采用的探索者项目还有待观察，但如果航运业认真对待即将到来的排放目标，那么大型船舶——以及小型船舶——将需要乘上电气化浪潮。