全球电动船市场概述
2022年11月，Insight Partners发布了最新的关于“电动船艇市场规模、需求、增长战略、行业趋势、电池类型、应用场景等”主题的研究报告，该报告称电动船艇市场预计将从2022年的52.6亿美元增长到2028年的113.5亿美元，预计2022年至2028年的复合年增长率将达到13.7%。美国北极星市场研究公司（Polaris Market Research）也同样发布了电动船未来10年的主要表现趋势预期报告，从动力来源看，电动船市场主要集中在全电动和混动两种；船型包括商船、防务船艇及特种船舶等；输出功率范围分为四种，分别为＜75kW，75-745kW，746-7 560kW，＞7 560kW；自动化程度分为半自动化与全自动化两种；主要供应商包括ABB、Kongsburg、Corvus Energy等（详见下图1）。
对温室气体排放的日益担忧、政府控制温室气体排放的支持性举措，以及旅游业对休闲船艇的需求增长倾向，将推动未来预测期内（2022至2028年）对电动船艇的需求。哪些船型，哪些海域航程支持全电力推进则是个值得思考的问题。在过去三年新冠疫情的冲击下，防疫政策下实施的封锁限制严重影响了供应链、原材料（木材和金属）的供应及制造设施。电动船建造商正面临诸多困境：生产过程的供应链中断无法满足对电动船的高需求；对钢铁、塑料、金属部件和机械设备等原材料征收的进口关税影响了电动船建造和零部件的出口，包括电池驱动系统（如铅酸、锂离子和镍基产品），电机和电池系统供应链中断进而阻碍了电动船市场的发展。
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电动船市场分类：
纯电动VS混合动力船舶
根据船艇类型，全球电动船市场分为纯电动和混合动力船舶两种。由于电池产品技术不断更新换代，纯电动细分市场正主导电动船市场，然而，混动领域的电动船市场有望在未来几年内实现增长。目前，即使是备受吹捧和期待已久的锂空气电池所提供的电量可能也只比如今的锂离子电池大四倍，相比较下，重燃油（HFO）的能量密度则为6 000 Wh/kg（基于工作效率为55%的柴油发动机）。从这个角度看，使用电池作为混合动力系统的一部分具有明显的优势，其主发动机能更有效地运行。到2030年，即使是应对大部分电网的存储需求，采用锂电池也很可能是最经济的做法。近年来，世界各地都出现了短程航线的电池驱动式轮渡（到目前为止，充电一次可令航程最大达到36公里，即19海里）。新式电力渡轮也需要高功率的岸电设施，其成本与电池本身成本相当。纯电力推进确实能带来广泛的优势：更低频率的维护，显著简化的传动系统，更快的动力响应，并且不需要预留一台旋转发动机作备用。另有全电动的工程船和拖船，主要用途限于港口作业，工作周期可实现定期充电。对于长距离航线的船舶而言，经证实采用混合动力系统则具有明显优势。混合动力系统仍使用电动机来驱动螺旋桨，但其电力既来自电池，也来自柴油发电机。在未来，燃料电池也可能取代柴油发电机。燃料电池和柴油发电机的共同点是对功率需求的变化反应迟缓，并且在非最佳工况下运行效率较低。在更高速度与负载区间下，电动机和电池则保持了更高的效率，因此柴油发动机/燃料电池可用于基本负载应用，而电池可为波动负载提供电力，比如，动力定位、起重机、高速工况负载和船舶日常生活用电负载。此外，混动船可以在港口或受保护水域使用电池供电，以确保零排放运行。最后，大电池容量的插电式混合动力船可依靠从电网获得的电能航行更远的距离，从而减少燃料消耗。
图2：船舶混合动力系统的电力特征
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船用电池类型的未来选择
关于使用哪种类型电池的问题始终存在。锂离子电池是目前不断发展的电池类型，主要在于负极材料的选择。船舶和汽车领域应用最受欢迎的负极材料是镍锰钴（NMC），能提供较高的安全性，且具有非常良好的比能量(见下图3)。然而，NMC自身存在热稳定性问题，且高度依赖钴这种稀缺且昂贵的材料，此外还有供应链的道德风险问题。
图3：未来5-20年内预期用于船舶领域的电池化学材料比能量可以肯定的是，预计在未来3至5年内，固态锂电池的广泛应用将是储能领域的下一个重大进步，在未来10年内，将出现能提供更接近其理论性能的第二代新固态锂电池。固态电解质可以有效防止树突生长引发电池短路的风险，并有助于锂金属正极发挥作用。固态锂电池具有比目前最优锂离子电池高达75%的比能量。而在安全方面可能影响更大：随着火灾风险甚至冷却要求几乎被消除，船用电池组的比能量可能在10年内增加两倍，在可实现的范围内也有同样程度的增长。未来10年，负极材料也将出现一系列渐进式增长，包括高镍和富锂，相比如今的负极材料，这两种材料均具有更高的电压和容量。就负极稳定性而言，会存在一定的妥协问题，但这种问题可通过固体电解质的固有安全性得以充分化解。负极材料的发展趋势是减少或不含钴，同时提高比能量和电压。目前来看，未来短期内不太可能用于船舶应用的一种负极材料为锂硫。尽管其能量密度是当今锂离子电池的两倍，但它并不能改善锂NMC的体积能量密度。它也存在不能完全解决的生命周期问题，但它逐渐被认为是适合航空应用的理想电池材料，如无人机（重量是至关重要的因素）。钠被吹捧为锂的潜在替代品，因为它储量丰富（在海水中），在制造、电极和电解质技术方面与锂离子存在许多交叉，但是钠离子实际上是体积更大、更重的离子，具有偏低的电化学势。除了比能降低外，较大的钠离子嵌入/脱出电极从而也缩短了电池的循环寿命。其他替代方案则往往性能方面与铅酸电池相当（低于50Wh/kg），包括液流电池（已商业化用于电网储能）和铝电池(当前发展还停留在实验室阶段)。从实用立场来看，2050年之前，这些电池很大程度上不会应用在未来船舶。最后，在未来15至20年里，锂空气电池（或其他金属-空气电池）可能问世。尽管锂空电池的理论比能量为3 500 Wh/kg，但现实应用中最大比能量值为950 Wh/kg。金属-空气电池也可能面临与燃料电池相同的问题，即放电速度缓慢，而且可能还需要大功率电池类型的支持。然而，这种电池类型仍处于实验室研究阶段，几乎没有证据表明即将取得突破。锂空电池的比能量若达到如今锂离子电池比能量的四倍，则有望成为未来运输储能的重要贡献者。
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船用电池使用/安装标准
目前，全球有几个分类组织和监管机构已经开始制定船用电池使用指南，并为这些电池系统提供型式认证服务。例如，英国海事和海岸警卫队（Maritime and Coastguard Agency，简称MCA）已为锂离子电池的安全设计、安装和操作提供了指南，其涵盖了船用电池系统设计的各种元素，从概念到储存、运输、安装、维护和安全程序，以及作废/再利用。考虑到挪威在船舶电气化方面的引领作用，挪威已就此进行了大量相关研究和试验，并对运营中的各种电动船舶和混动船舶授予电动/混动设计认证，其中包括消防安全系统和型式批准，从设计到测试等系列服务。已获得挪威船级社（DNV-GL）批准的电动船舶包括维京女士号（Viking Lady），安培号（Ampere），埃达·费尔德号（Edda Ferd），埃达·弗雷亚号（Edda Freya）和十字军岛号（Island Crusader）。
图4：Viking Lady号近海供应船（OSV）的燃料电池集成改造船
图5：MF Ampere号渡轮的动力系统示意图
总部位于英国的船级社-劳埃德船级社基金会（LRF）已公开发布了大型电池安装指南。他们认为电化学的快速发展与安全标准应同步并行。该指南文件提供了涉及电池安装的一般性指导。相比根据一系列法规来评估新的电池安装方法，LRF更倾向于采用综合法，从概念设计阶段就开始参与，以避免日后的方案更改所带来的诸多问题。据2021年11月消息，美国船级社（ABS）发布了关于新型、新兴电池技术的全新指南，内容涵盖了金属空气电池、氧化还原液流电池和固态电池技术。2022年1月，ABS发布了《锂离子电池在船舶及海工行业应用指南（2022）》，内容包含了目前行业中使用的锂离子电池类型，如锂钴氧化物、锂锰氧化物、锂镍锰钴氧化物、锂镍钴铝氧化物、锂磷酸铁和锂钛酸盐等。文件指出锂离子电池在大规模能源应用方面的发展还处于相对初级阶段，尤其是在船舶和海工行业。ABS制定该指南，旨在提供技术要求及参考标准，为锂离子电池系统的有效安装和使用提供便利。
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当前和未来的燃料、燃料电池和超级电容器
任何关于未来船用电池的评论都必须以可替代能源为参考背景。电池不太可能储存航程超过500-1 000公里（约270至540海里）所需的全部电力。因此，作为混合动力系统的一部分，虽然电池技术与长距离航程有关，但仍需要用碳密集度较低的其它能源来取代燃料的巨大消耗，以最终实现碳中和。这一点尤其重要，因为能依靠电池驱动的船舶仅占全球航运的很小一部分，而船舶重燃油使用量占到了全球总量的77%，货船所使用的燃料占到了90%；只有10%用于客船、渔船、拖船、军船等。虽然有些货运船的航程很短，可以采用电池供电，但实际大多数船舶并未采取此方案。燃料电池是未来船舶推进的另一个有吸引力的电池类型选择。燃料电池将燃料转化为电力，效率可达50%(如果实施余热回收则可达到更高的总效率值)。然而，燃料电池因其膜电极与催化剂的成本问题，它仍然非常昂贵。燃料电池可以直接依靠氢气、甲醇或氨气作为燃料供给源。氢的储存需要非常大的容量，即使是在液化状态下存储，这对长航程船舶而言充满挑战。甲醇或氨则都是能量密集型的燃料，可以在环境温度下以液体形式储存，不过氨若释放到大气中会形成有毒气体。由于氢存在大容量以及对极低温液体储存温度方面的要求，未来的应用前景可谓挑战重重。对于航行距离较短的船舶来说，这是一个相当有吸引力的选择，包括工程船和港口拖船。在很大程度上这种选择与制氢过程比较简单有关，仅需要一台电解水制氢装置，一个电源供应系统和一个供水系统。因此，只需在港口安装一台电解器即可。制氢也正在一些城市列入重点推进项目：汉堡市正在其港口建造一座100兆瓦的电解装置，这是世界上最大的电解器，符合德国将氢能作为未来潜力能源重点的电气化发展规划。超级电容器是一种比较特殊的技术，其比能量小于20 Wh/kg，但比功率却高达30 kW/kg。它们通过电荷的分离来储存能量；这种过程发生在电解质中以及电极表面，不涉及任何离子嵌入电极。它们可以持续成千上万个循环周期。举例来说，法国的Ar Vag Tredan号渡轮就是完全依靠超级电容器提供动力。该船在4分钟的乘客登船时间内就可完成一次充电，每天往返航行28次，单程航行时间为7分钟。这意味着超级电容器每年循环近7000次，预计可持续使用15-20年。由此表明，船舶用途的多样性也意味着，随着越来越多的船舶转换为电力驱动，各种储能解决方案都可能成为特色。虽然超级电容器/电池混动系统可以作为船舶动力方案选项，以便将电池的大量储能与产生类似起重机操作所需快速爆发型动力结合起来，但在现实世界中还没有这样的案例。目前船舶行业所使用的锂镍锰钴/磷酸铁锂电池的化学特性本身就可提供足够大的电力支持。未来的固态电池的功率可能会略低，因为它的离子电导率较低（尽管这点还未得以确定）。此外，未来任何类型的金属-空气电池由于其固有的氧还原反应缓慢问题，可能比功率不高，因此，超级电容器/电池混合动力可能会在未来有应用前景。
