Технические пути и практика применения источников питания постоянного тока для берегового электроснабжения в поддержку целей «двойного углерода» в портах
Порты, являясь ключевыми узлами глобальной цепочки поставок, одновременно выступают одним из значительных источников углеродных выбросов. По данным Международной морской организации (IMO), потребление топлива судами в период стоянки в порту составляет 10%~15% от общего потребления,
lcxpower.com
7/3/20261 мин чтение
Порты, являясь ключевыми узлами глобальной цепочки поставок, одновременно выступают одним из значительных источников углеродных выбросов. По данным Международной морской организации (IMO), потребление топлива судами в период стоянки в порту составляет 10%~15% от общего потребления, а годовые выбросы углекислого газа достигают примерно 120 миллионов тонн, оксидов азота — около 8 миллионов тонн, что делает их основным источником загрязнения атмосферы в портовых зонах. Для реализации целей «двойного углерода» Китай четко поставил задачу обеспечить покрытие портов системами берегового электроснабжения более чем на 70% до 2030 года. При этом источники питания постоянного тока для берегового электроснабжения благодаря своим характеристикам высокой эффективности, гибкости и совместимости с новыми источниками энергии постепенно заменяют традиционные системы переменного тока, становясь ключевым техническим решением для снижения выбросов в портах. В данной статье, исходя из проблемных аспектов углеродных выбросов в портах, систематически излагаются технические преимущества источников питания постоянного тока для берегового электроснабжения и ключевые пути достижения целей «двойного углерода».
1. Проблемные аспекты углеродных выбросов в портах и технические требования к системам берегового электроснабжения
1.1 Ключевые источники углеродных выбросов в портах
Углеродные выбросы в портах в основном делятся на три категории:
· Выбросы от судов в период стоянки: При стоянке судно должно поддерживать работу главного или вспомогательного двигателя для выработки электроэнергии. Потребление топлива одним судном-балкером грузоподъемностью 50 000 тонн в течение суток стоянки составляет около 10 тонн, что приводит к выбросам примерно 31,8 тонны углекислого газа и 0,3 тонны оксидов серы.
· Выбросы от собственного энергопотребления порта: Потребление электроэнергии погрузочно-разгрузочной техникой, системами освещения, холодильным оборудованием и т.д. При зависимости от традиционной тепловой энергетики это приводит к косвенным углеродным выбросам.
· Выбросы от логистических перевозок: Потребление топлива автомобильными контейнеровозами, тягачами и другими наземными транспортными средствами составляет 20%~30% от общих выбросов порта.
1.2 Ограничения традиционных систем берегового электроснабжения переменного тока
Хотя системы берегового электроснабжения переменного тока способны заменять выработку электроэнергии судовыми дизель-генераторами, они имеют три существенных недостатка:
· Относительно низкая эффективность: Системы переменного тока требуют многоэтапного преобразования «переменный ток сети → судовой трансформатор → нагрузка судна»,Комплексный эффективность составляет всего 80%~85%, при этом присутствуют потери реактивной мощности и гармонические искажения.
· Плохая совместимость: Различные суда имеют разные уровни напряжения (400 В, 6,6 кВ, 10 кВ) и частоты (50 Гц/60 Гц), что требует оснащения систем переменного тока сложным оборудованием для преобразования напряжения и частоты, что увеличивает стоимость и снижает скорость реакции.
· Трудности интеграции с новыми источниками энергии: Распределенные новые источники энергии, такие как фотоэлектрические и ветровые установки, в основном выдают постоянный ток. Для их подключения к системам берегового электроснабжения переменного тока требуется дополнительное выпрямительное оборудование, что увеличивает количество этапов преобразования энергии и потери.
1.3 Технические преимущества систем постоянного тока
Источники питания постоянного тока для берегового электроснабжения подают электроэнергию на суда непосредственно в форме постоянного тока и по сравнению с системами переменного тока обладают значительными преимуществами:
· Высокая эффективность и энергосбережение: Сокращение этапов преобразования «переменный ток-постоянный ток-переменный ток» позволяет достичь эффективности 92%~95%. Одно судно в течение суток стоянки может сократить выбросы углекислого газа примерно на 1,5 тонны.
· Широкий диапазон совместимости: Благодаря двунаправленным преобразователям DC/DC возможна гибкая адаптация к судовым сетям постоянного тока напряжением 200 В~10 кВ без необходимости в сложном оборудовании для преобразования напряжения и частоты, что обеспечивает более высокую совместимость.
· Экологичность по отношению к новым источникам энергии: Возможность прямого подключения фотоэлектрических, ветровых и других новых источников энергии постоянного тока, реализация соединения «источник-сеть-судно» по постоянному току, повышение уровня потребления возобновляемой энергии.
· Синергия с системами накопления энергии: Системы берегового электроснабжения постоянного тока могут бесшовно интегрироваться с аккумуляторными накопителями, обеспечивая арбитраж тарифов пиковых и полупиковых периодов, аварийное электроснабжение и сглаживание колебаний новых источников энергии, что дополнительно снижает углеродные выбросы.
2. Ключевые технические пути применения систем постоянного тока для Содействовать достижения целей «двойного углерода» в портах
2.1 Проектирование архитектуры высокоэффективной системы берегового электроснабжения постоянного тока
Основой системы берегового электроснабжения постоянного тока является создание энергетического хаба постоянного тока «сеть-новые источники энергии-накопитель-судно». Типичная архитектура включает:
· Двунаправленный выпрямительный блок AC/DC: Реализует двунаправленное преобразование между переменным током сети и шиной постоянного тока. Использование широкозонных приборов SiC/GaN позволяет достичь частоты переключения более 20 кГц, эффективности преобразования ≥98%, одновременно подавляя гармонические загрязнения.
· Шина и распределительная сеть постоянного тока: Применение высоковольтной шины постоянного тока ±10 кВ для снижения потерь при передаче. Интеллектуальные автоматические выключатели обеспечивают гибкое электроснабжение нескольких судов, потери при распределении ≤1%.
· Блок адаптации DC/DC на стороне судна: Для различных уровней напряжения судов устанавливаются модульные двунаправленные преобразователи DC/DC, обеспечивающие адаптацию к широкому диапазону напряжений 200 В~10 кВ. Мощность одного модуля может достигать 1 МВт, поддерживается горячая замена и резервирование.
2.2 Технология интеграции распределенных новых источников энергии
Прямое подключение распределенных фотоэлектрических и ветровых установок порта к шине постоянного тока для эффективного потребления возобновляемой энергии:
· Параллельная работа фотоэлектрических установок постоянного тока: Строительство распределенных фотоэлектрических станций на крышах портовых сооружений, площадках для хранения грузов, вдоль дорог. Выход постоянного тока напрямую подключается к шине берегового электроснабжения постоянного тока без дополнительного выпрямительного оборудования, эффективность преобразования энергии повышается на 5%~8%. Например, фотоэлектрическая станция мощностью 10 МВт, построенная на терминале Вайгаоцяо Шанхайского порта, ежегодно вырабатывает около 12 миллионов кВт·ч, что может удовлетворить потребности в электроэнергии примерно 300 судов в год, сокращая выбросы углекислого газа примерно на 9500 тонн в год.
· Синергетическое управление ветро-солнечными и накопительными системами: Установка аккумуляторных накопителей (например, литий-железо-фосфатных) для сглаживания колебаний новых источников энергии. При превышении выработки новых источников энергии над потребностью судов избыточная энергия накапливается в батареях; при нехватке новых источников энергии батареи разряжаются для компенсации. Благодаря интеллектуальной системе управления уровень потребления возобновляемой энергии может быть повышен до более чем 90%.
2.3 Технология модернизации судовых сетей постоянного тока
Для адаптации к береговому электроснабжению постоянного тока на стороне судна требуется модернизация сети постоянного тока, включающая:
· Перевод вспомогательных механизмов судна на постоянный ток: Модернизация традиционных вспомогательных механизмов переменного тока (например, кондиционеров, насосов, освещения) в двигатели постоянного тока, сокращение потерь преобразования AC/DC внутри судна, повышение эффективности собственного энергопотребления судна примерно на 10%.
· Строительство распределительной сети постоянного тока: Создание низковольтной шины постоянного тока (400 В/800 В) внутри судна для реализации соединения по постоянному току берегового электроснабжения, судовых аккумуляторов и вспомогательных механизмов, формирование микросети судна, дальнейшее снижение энергопотребления.
· Технология быстрого подключения берегового электроснабжения: Использование стандартизированных разъемов постоянного тока и коммуникационных протоколов для реализации автоматического распознавания и быстрого подключения судна к системе берегового электроснабжения, сокращение времени подключения с традиционных 30 минут до менее чем 5 минут, повышение эффективности использования берегового электроснабжения.
2.4 Интеллектуальное управление энергией и учет снижения углеродных выбросов
Реализация интеллектуального управления системой берегового электроснабжения и количественная оценка снижения углеродных выбросов посредством цифровой платформы:
· Многоисточниковое синергетическое оптимизационное управление: На основе алгоритмов искусственного интеллекта в реальном времени прогнозируются планы стоянки судов, выработка новых источников энергии, тарифы на электроэнергию сети и другие данные, оптимизируется стратегия распределения энергии, реализуется «приоритетное использование новых источников энергии, зарядка в полупиковый период, разрядка в пиковый период», снижение затрат на покупку электроэнергии из сети и углеродных выбросов.
· Учет снижения углеродных выбросов на протяжении всего жизненного цикла: Создание модели углеродного следа системы берегового электроснабжения, охватывающей всю цепочку «производство оборудования-строительство-эксплуатация-утилизация», количественный расчет снижения углеродных выбросов за счет замены выработки электроэнергии на топливе, повышения энергоэффективности, потребления новых источников энергии. Например, система берегового электроснабжения постоянного тока мощностью 10 МВт ежегодно сокращает выбросы углекислого газа примерно на 35 000 тонн, что эквивалентно посадке 190 000 деревьев.
2.5 Синергетическое снижение выбросов за счет перевода наземного оборудования на постоянный ток
Расширение системы берегового электроснабжения постоянного тока на наземное оборудование порта для реализации полной электрификации порта постоянным током:
· Модернизация погрузочно-разгрузочной техники на постоянный ток: Перевод традиционных козловых кранов переменного тока, контейнерных погрузчиков на привод постоянного тока, прямое электроснабжение через шину постоянного тока, сокращение потерь преобразования AC/DC, повышение эффективности погрузочно-разгрузочных работ примерно на 5%, ежегодное снижение выбросов углекислого газа примерно на 200 тонн на единицу техники.
· Строительство сети замены аккумуляторов для контейнеровозов: система берегового электроснабжения постоянного тока строительство станций замены аккумуляторов для обеспечения услуги замены аккумуляторов для электрических контейнеровозов, замена топливных контейнеровозов, ежегодное снижение выбросов углекислого газа одним электрическим контейнеровозом примерно на 15 тонн.
3. Типичные прикладные примеры
3.1 Демонстрационный проект берегового электроснабжения постоянного тока в порту Мавань (Шэньчжэнь)
Порт Мавань построил первую в Китае систему берегового электроснабжения высокого напряжения постоянного тока, использующую шину постоянного тока ±10 кВ, подключенную к распределенной фотоэлектрической установке мощностью 5 МВт и системе накопления энергии мощностью 2 МВт, способную одновременно обеспечивать электроэнергией 2 контейнеровоза грузоподъемностью 100 000 тонн. После реализации проекта потребление топлива судами в период стоянки снизилось до 0, ежегодное снижение выбросов углекислого газа составило примерно 120 000 тонн, оксидов серы — примерно 380 тонн, уровень потребления возобновляемой энергии достиг 85%, эффективность использования берегового электроснабжения повысилась на 15% по сравнению с традиционным береговым электроснабжением переменного тока.
3.2 Интегрированный проект «фотоэлектричество-накопитель-береговое электроснабжение-судно» в порту Циндао
Порт Циндао на терминале Донцзякоу построил фотоэлектрическую станцию мощностью 20 МВт, систему накопления энергии мощностью 5 МВт и систему берегового электроснабжения постоянного тока мощностью 15 МВт, реализовав многоисточниковую синергию посредством интеллектуальной платформы управления. Ежегодная выработка электроэнергии этого проекта составляет примерно 24 миллиона кВт·ч, что может удовлетворить потребности примерно 600 судов в год, ежегодное снижение выбросов углекислого газа составляет примерно 19 000 тонн, одновременно за счет арбитража тарифов пиковых и полупиковых периодов ежегодный доход составляет примерно 3 миллиона юаней, достигая двойной выгоды экологической и экономической эффективности.
4. Вызовы и перспективы
4.1 Текущие вызовы
· Высокая сложность модернизации судов: Большинство существующих судов имеют сети переменного тока, модернизация на постоянный ток требует высоких затрат, а отсутствие единых стандартов приводит к низкому уровню совместимости судов.
· Давление затрат: Первоначальные инвестиции в систему берегового электроснабжения постоянного тока на 30%~50% выше, чем в систему переменного тока, что трудно выдержать небольшим и средним портам.
· Несовершенство системы стандартов: В настоящее время отсутствуют единые международные и внутренние стандарты для берегового электроснабжения постоянного тока, включая разъемы, коммуникационные протоколы, нормы безопасности и т.д., что сдерживает масштабное внедрение.
4.2 Направления будущего развития
· Продвижение стандартизации: Ускорение разработки стандартов для берегового электроснабжения постоянного тока, включая уровни напряжения, коммуникационные протоколы, нормы безопасности и т.д., снижение затрат на модернизацию судов и проблем совместимости систем.
· Итерационное совершенствование технологий: Дальнейшее повышение доли применения широкозонных приборов, снижение стоимости системы; разработка систем берегового электроснабжения сверхвысокого напряжения постоянного тока (±20 кВ) для адаптации к крупным круизным судам, судам для перевозки СПГ и другим судам с более высокими требованиями к напряжению.
· Цифровое усиление: Комбинация с технологиями 5G, блокчейн для реализации удаленного мониторинга систем берегового электроснабжения, отслеживания углеродного следа и торговли, повышения способности монетизации углеродных активов.
Заключение
Источники питания постоянного тока для берегового электроснабжения благодаря своим характеристикам высокой эффективности, гибкости, экологичности по отношению к новым источникам энергии являются ключевым техническим путем достижения портами целей «двойного углерода». Посредством создания интегрированной энергетической системы постоянного тока «источник-сеть-накопитель-судно-наземное оборудование» можно эффективно заменить выработку электроэнергии судовыми дизель-генераторами, повысить уровень потребления возобновляемой энергии, снизить общие углеродные выбросы порта. В будущем, с совершенствованием технологий и стандартов, береговое электроснабжение постоянного тока получит широкое применение в портах по всему миру, предоставляя ключевую поддержку для зеленого преобразования судоходной отрасли и достижения целей «двойного углерода».
lcxpower.com, специализируясь в области источников питания более десяти лет,Первым развернула решение для берегового электроснабжения постоянного тока «широкий диапазон напряжения, высокая энергоэффективность, многоисточниковая синергия». Использование двунаправленного выпрямительного блока AC/DC на основе широкозонных полупроводников SiC/GaN и модульных преобразователей DC/DC позволяет реализовать адаптацию к сверхширокому диапазону напряжений от 200 В до 10 кВ, без необходимости в сложном оборудовании для преобразования напряжения и частоты возможно соответствие более чем 90% типов судов по всему миру.Комплексный эффективность системы повышена до более чем 95%, по сравнению с традиционным береговым электроснабжением переменного тока экономия энергии составляет 10%~15%; архитектура «шина постоянного тока+накопитель+фотоэлектричество» позволяет прямому току от фотоэлектрических установок напрямую поступать в шину, система накопления энергии реализует срезание пиков и заполнение полупиковых периодов на уровне миллисекунд.
В проекте модернизации определенного прибрежного порта после применения системы берегового электроснабжения постоянного тока lcxpower.com одно судно в течение 10 часов стоянки сэкономило затраты на топливо примерно на 12 000 юаней, ежегодное снижение выбросов углекислого газа превысило 6000 тонн, уровень шума в порту снизился с 85 децибел до менее 65 децибел.
В будущем lcxpower.com будет разрабатывать интеллектуальную систему управления, интегрирующую функции прогнозирования нагрузки на базе ИИ и автоматического параллельного подключения, сокращая время подключения судна к берегу до менее чем 5 минут. Если ваши проекты строительства или модернизации порта сталкиваются с проблемами плохой совместимости берегового электроснабжения, высоких эксплуатационных затрат, трудностей подключения новых источников энергии и т.д., lcxpower.com предоставит индивидуальные комплексные услуги,Содействовать портам в построении экосистемы зеленой энергетики.