HAWKER蓄电池麦基诺岛渡轮能由太阳能驱动吗？

摘要
美国密歇根州的麦基诺岛是全美夏季最热门的旅游目的地之一。在短短6个月的时间里，该岛吸引了超过一百万名游客。前往该岛的唯一交通方式是乘坐从麦基诺城和圣伊格纳斯出发的渡轮。2022年，密歇根理工大学高级电力系统研究中心（APSRC）开展了一项研究，从技术、环境和经济角度探讨了渡轮电气化的潜在益处。研究结果表明，虽然基于市场上现有的零部件，将麦基诺岛渡轮改装为电动渡轮是可行的，但电气化将导致CO2排放。经济分析表明，运营电动渡轮的任何公司都将面临重大财务损失。总体结论是，基于碳排放和总拥有成本（TCO），由密歇根州电网供电的电动渡轮在当时并非最佳解决方案。当前的研究是在2022年完成的研究基础上进行的，旨在确定由当地太阳能供电的电动渡轮是否能帮助减少CO2与基准柴油发动机渡轮相比的排放量。该分析包括根据麦金诺城接收到的太阳辐射量来确定太阳能电池阵列的尺寸，以及CO2基于太阳能光伏的生命周期评估（LCA）以及在渡轮航行间隙增加电池储能作为储能手段，来确定通过太阳能光伏能源为电动渡轮供电是否能降低其碳足迹，从而确定太阳能电池板制造过程中的排放量。本分析所使用的渡轮行驶循环数据与原始研究收集的数据相同，尽管与密歇根州电网相关的适当参数以及电池制造排放量已根据技术变化和密歇根州电网新增的能源类型进行了更新。本研究还包含了对本文讨论的所有潜在电气化情景的经济性考量。
关键词：太阳能; 光伏; 麦基诺岛渡轮; 电气化; 电动渡轮; 排放
1. 引言
为了实现交通工具的脱碳，目前正在对陆地、水上和空中交通工具的推进系统进行大量研究。为了减少水上交通的二氧化碳排放2国际海事组织（IMO）制定了其2023年温室气体策略，并设定了以下目标[1].
到2030年，与2008年相比，将国际航运的年度温室气体排放总量至少减少20%，力争减少30%；
到2040年，与2008年相比，将国际航运的年度温室气体排放总量至少减少70%，力争减少80%。
过去几年，渡轮电气化和混合动力化取得了显著进展。截至2024年4月，约有100艘全电动和混合动力渡轮投入运营（41艘全电动，59艘混合动力）[2]。其中，56艘在挪威运营（28艘全电动，28艘混合动力）。过去十年，挪威一直处于渡轮电气化的领先地位[3]。第一艘有据可查的电动渡轮MF Ampere于2014年在挪威开始运营[3,4]。从排放角度来看，挪威推动渡轮电气化是合理的，因为挪威99%的发电量来自可再生能源（无核能），如表1所示 [5]。美国在电网脱碳方面正取得进展。尽管2022年至2024年间，核能和可再生能源的发电量增长了3%，但美国仍有超过57%的电力来自化石燃料燃烧（主要是天然气占42%，其次是煤炭占15.2%），如表1所示 [6].
表1。(a)挪威和(b)美国的发电来源分布。

在考虑电气化（全纯电动或混合动力）在减少温室气体（GHG）排放方面的有效性时，必须考虑发电的分布情况，因为由于电网构成，电气化反而可能导致排放量增加。对于挪威这样的国家，这并非争议点，因为其发电几乎完全不含化石燃料。对于美国这样的国家，则需要根据项目所在地和州电网进行逐案分析。
Gopujkar和Worm[7]对麦基诺岛渡轮从柴油发动机渡轮改造为电池电动渡轮的潜在效益进行了工程评估。该分析基于为麦基诺经济联盟（MEA）开展的一个项目，该项目由密歇根州经济发展公司（MEDC）资助。该项目重点关注三个关键领域。
将柴油发动机驱动的渡轮改装为电池电动渡轮的可行性。
基于两种架构的从油井到车轮（WTW）分析，CO的排放变化2%% %%
两种架构的经济预测。
项目结论认为，虽然改造渡轮所需的装备在市场上已有售，但渡轮电气化将导致从麦基诺市到麦基诺岛往返的整体CO2排放量在WTW基础上增加48%，如果仅考虑将渡轮从岛上推进至大陆往返所需的能量，排放量将增加30%[7]。其主要原因是密歇根州电网，2022年6月，该电网65.7%的电力是通过燃烧天然气和煤炭产生的。此外，该项目指出，柴油发动机渡轮在大部分行驶循环中以41%的高效率运行。
本研究基于作者之前的分析[7] 而不是重复它。早期的研究将现代柴油发动机配置与从密歇根电网充电的电池电动渡轮进行了比较。本研究引入了两种额外的系统架构，其中本地生成的太阳能电力供应或抵消了渡轮的充电需求。比较对象是柴油发动机渡轮（称为内燃机（IC）发动机渡轮）和电动渡轮（称为BEV渡轮）。这两种架构在两种不同情景下基于排放和经济基础进行了比较。
(i)
由光伏发电驱动的纯电动渡轮。
(ii)
2025年6月起，由升级后的密歇根州电网提供能源的BEV渡轮。
渡轮运行数据沿用自之前的研究，以确保不同配置之间的差异源于能源供应和储存系统，而非船舶作业周期的变化。“讨论”部分包含了作者对结果的见解，并且明确说明了分析中做出的任何假设。读者应注意，为了简洁并专注于本研究的新颖之处，本文未重复使用Gopujkar和Worm最初研究中的任何计算[7]
2. 目标与动机
麦基诺岛是美国最受欢迎的夏季旅游目的地之一。麦基诺岛位于密歇根州大陆东侧的休伦湖中，是一座州立公园，前往该岛的唯一途径是乘坐从大陆出发的渡轮。现有的渡轮电气化研究表明，短途且重复的渡轮航线在技术上适合采用电池驱动推进系统。然而，其环境和经济效益取决于船舶与岸基能源系统的整合方式。本研究将麦基诺岛渡轮视为一个综合能源系统进行评估，该系统由船舶、车载电池、光伏阵列、可选的岸基储能系统以及区域电网组成。研究对比了两种太阳能充电方案与更新后的电网供电纯电动渡轮配置，以及现代柴油发动机基准方案。
太阳光伏技术的改进
在全球范围内，过去二十年间已安装的光伏装机容量呈指数级增长[8]，如图图1. The global installed capacity went up from 3.34 GW in 2004 to 1866.31 GW in 2024. Although the majority of new installed capacity has been in China (0.08 GW in 2004 to 887.10 GW in 2024), other countries are beginning to see the potential. The reader may notice that the total global installed capacity is higher than the sum of the capacities of the six countries shown. This is due to the fact that besides the six countries shown, there are multiple countries with lower installed solar photovoltaic capacities, which when combined add up to a significant amount.

图1所示。2004-2024年已安装的光伏装机容量。
对光伏材料的研究、效率的提升以及需求和装机量的增加，使得太阳能光伏组件的成本大幅下降。经通胀调整后，太阳能光伏每瓦的安装成本已从$1975年的每瓦128.26美元降至$2024年的每瓦0.26美元[9]。据估计，每当装机容量翻倍，价格就会下降20%[10]。除了装机容量的增加和价格的降低，太阳能光伏电池的效率也得到了提升。自1954年贝尔实验室开发出第一款实用硅太阳能电池（效率约为6%）以来，现代商用太阳能电池的效率通常已超过20%，而研究级多结电池的效率更是达到了40%以上[11].
装机容量的增长、价格的下降以及效率的提升，共同推动了太阳能光伏技术从一种小众技术转变为近乎无处不在的电力来源——这正是探讨太阳能驱动的BEV架构是否是推动麦基诺岛渡轮的合理方式的动力所在。先前的分析表明，密歇根电网对化石燃料的依赖程度如此之高，以至于增加了BEV渡轮的排放量。对于使用光伏发电的电力，为了进行全面分析，必须考虑制造光伏材料的挖矿过程产生的温室气体排放，以及太阳能电池板制造过程中的温室气体排放。但在安装之后，从电池板中产生的所有电力在其实际运行期间，从所有实际意义上来说都是零排放的。处置或回收过程中的排放量已包含在太阳能电池板的生命周期评估（LCA）中。
密歇根州电网的脱碳
2022年首次进行分析时，用于支持计算的电网构成数据来自2022年6月。之所以专门选择6月份而非密歇根州电网的年平均数据，是因为麦基诺岛渡轮在4月至9月间运营，且6月和7月是旅游高峰期。电网构成会随季节变化，因为冬季风能发电量较高，而夏季太阳能发电量较高。表2展示了2022年6月至2025年6月密歇根州按能源类型划分的发电量分布变化[12]. 图2展示了各类型发电厂百分比的对比变化。

图2。密歇根州发电构成（2022年6月和2025年6月）。
表2。密歇根州按能源来源划分的发电量（2022年6月和2025年6月）。

2022年6月至2025年6月期间，能源结构的主要变化是煤电发电量的减少，这主要被天然气发电所取代。另一方面，尽管核能和可再生能源发电量在绝对值上有所增加，但它们在能源结构中所占的比例却有所下降，这也由天然气发电厂发电量的显著增加所弥补（核电站与可再生能源一样，在建成后是零排放的）。天然气发电厂产生的二氧化碳排放量显著降低2与燃煤电厂相比的排放量，对于输送到电网的每千瓦时（kWh）能量（天然气发电厂为450.9 g/kWh，而基于EIA对这两类发电厂的效率数据，燃煤电厂为1065.8 g/kWh [13]).
电网结构的改变使密歇根州的二氧化碳排放量从481.4克/千瓦时降至452.9克/千瓦时（约减少5.92%）。原论文建议每隔几年需要重新运行分析，以反映更新后的数据。密歇根州的电网在2022年至2025年间发生了显著变化，这正是该项目第二个目标的研究动机。2图3。
基于上述动机，本研究的目标可阐述如下：
进行工程分析，以确定将“旅行者号”轮进行电气化改造，并使用太阳能光伏技术提供推进渡轮所需的能源，与使用现代柴油发动机重建渡轮相比，是否具有减少二氧化碳排放的潜力。2重新运行Gopujkar和Worm[所做的分析
] 在2022年的原始研究中，旨在确定如果“旅行者号”渡轮从电网充电，密歇根州更新后的电力网构成是否足以支持其电气化。7] in the original study in 2022 to determine if Michigan’s updated electric grid mix justifies electrification of the Voyager if the ferry is to be charged from the grid.
本文未收集渡轮运行的新数据。重新利用了原研究中关于柴油发动机推进渡轮运行的数据。
3. 研究方法
从美国密歇根州麦基诺城到密歇根州麦基纳岛的行驶循环是一个定义明确的行驶循环，如图所示图3 [7]。该路线记录于运动追踪应用Strava。单次往返岛屿的行驶循环总距离为25.3公里（15.7英里）。

使用Strava应用程序记录的从麦基诺城到麦基纳岛的渡轮路线[图4。7].
自由II号和旅行者号的速度剖面图，如图4所示，是使用多个GPS传感器（包括安卓和苹果设备）记录的，以确保数据的准确性。正如图4 shows, the performance of the Voyager was not up to the mark as compared to the Liberty II, which is why rebuilding the Voyager was being considered in 2022. The drive cycle shows one trip of the ferry, which from here on out refers to a single trip from Mackinaw City to Mackinac Island and back. As mentioned in the ‘Goals and Motivation’ section, one trip is approximately 25.3 km (15.7 miles). It should be noted that the drive cycle data used for this work is from the original study by Gopujkar and Worm [7] and was not recollected for this work.

“旅行者号”和“自由II号”轮渡从麦基诺城到麦基纳克岛往返单程的速度与时间数据 [ Speed vs. time data for one trip of the Voyager and Liberty II ferries from Mackinaw City to Mackinac Island and back [7].
发动机读档和燃油消耗数据通过基于发动机ECU的参数获取。渡轮采用非常激进的运行方式，离开码头后发动机被控制在极高读档状态，这可以从两艘渡轮的速度曲线中看出。在整个行驶循环的大部分时间内，发动机都运行在高读档和高效率状态下。渡轮船长透露，渡轮采用的是“即停即走”模式，在岛上的停靠时间尽可能短，这意味着在岛上充电是不可能的（在岛上设置充电桩本身就是另一项挑战）。BEV渡轮所需的电池容量是基于渡轮往返岛屿所需的总能量、充电、电力电子设备、放电和推进电机中的能量损耗、80%的放电深度（DoD）以及20%的安全系数来计算的。80%的放电深度是基于与一家船舶电池制造商的讨论得出的，详见原始研究[7]。渡轮行驶循环的相关计算数值显示在表3单次行程所需的能量是根据行驶循环测得的单次行程燃料消耗量、燃料的低位发热量（LHV）以及工作条件下的制动比油耗（BSFC）（可由此计算发动机的制动热效率（BTE））计算得出的，如公式(1)所示。