船用電池動力技術的發(fā)展

中國船舶集團714所 范 維 王 晶 馮書桓

“零排放船舶”是一個循序漸進的發(fā)展概念，就如同自主船舶，需要從“部分”到“完全/絕對”的演進，這里的“部分”既可以是單船各項排放指標的削減程度，也可以是船隊中船型批次實現(xiàn)零排放的先后次序。針對“零排放”技術，業(yè)界正關注和討論LNG、甲醇、LPG、生物質(zhì)燃料、太陽能、氫氣、蓄電池及燃料電池等一系列動力技術。其中，蓄電池技術作為一種完全零排放解決方案（不考慮供電來源），已經(jīng)在海運領域逐步推廣并初具市場規(guī)模（主要集中在歐洲），是現(xiàn)階段能夠率先實現(xiàn)內(nèi)河及近海船舶零排放的唯一可行且有效的手段。

歐洲電池動力船舶應用初具規(guī)模

當前，歐洲有超過50艘純電動力船舶處于運營，其中最大電池容量為4.16MWh（鋰電池），最小的容量為0.02MWh（因建于1998年，為鉛蓄電池，無參考價值）。而真正意義上的全球首艘大型純電動力船舶“Ampere（安培）”號于2014年由挪威Fjellstrand船廠建造，電池容量為1.86MWh，船長80米，能運載120輛汽車和360名乘客，用于挪威Lavik與Oppedal兩座城鎮(zhèn)之間橫跨松恩峽灣的運輸，每天共發(fā)34班，每班航行時間為20分鐘，在港期間只需10分鐘即可充滿。此外，知名的自主航行集裝箱貨船“YARA Birkeland”號亦是純電動力船。

除了純電動力船舶外，一些船型較大的船舶正開始采用柴電混合或LNG+電混合動力技術，用以節(jié)省燃料消耗，降低廢氣排放量。例如，挪威探險郵輪船東海達路德（Hurtigruten）先后訂造了兩艘混合動力探險郵輪，分別于2018年和2019年交付，以期減少20%的燃油消耗。據(jù)悉，挪威一艘額定載客能力400人的纖維板制雙體鋰電混合動力渡輪，造價約1.4億挪威克朗，約合1.1億元人民幣。

目前，蓄電池技術（包括純電動力和混合動力）使用最多的船型為渡輪和游船，其次為近海小型運輸船和各式作業(yè)船（如拖輪）。這些船型具有航線固定、航程短或?qū)﹄姵厝哂喽纫蟮偷奶攸c。從經(jīng)濟性角度來看，采用電池混合動力的渡船大約能節(jié)省10%～30%的燃料成本，回報期為3～5年，而純電力驅(qū)動渡輪能節(jié)省50%～80%的燃料成本。根據(jù)IDTechEx于2017年1月發(fā)布的《2017-2027年電動小艇與船舶》預測，2027年全球純電及混電動力船艇市場將快速超過200億美元。

不可否認，氫燃料電池相較于蓄電池具有能量密度高、續(xù)航里程長、動力補給時間短、重量輕、性能提升空間大等諸多優(yōu)點，是最理想的零排放解決方案，但從兩者的技術難度與成本來看，蓄電池技術難度相對較小，生產(chǎn)相對成熟，動力源獲取成本相對較低，同時整個制造產(chǎn)業(yè)鏈完善，正處于規(guī)模效應的擴大階段，而氫燃料電池的關鍵材料催化劑、質(zhì)子交換膜、雙極板等國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈基本處于空白狀態(tài)，且制造成本及加氫站建設成本等高昂。

圖 挪威船東Fjords 1運營的混電渡輪

總體而言，船舶依據(jù)船型大小和用途將逐步形成差異化的零排放技術方案。渡輪、游船、中小型探險郵輪、近海及內(nèi)河運輸貨船、海工支持船、漁場作業(yè)船等有望先行通過電池技術快速實現(xiàn)尾氣大幅減排或零排放，遠洋運輸船舶或其他大型船舶則需依賴其他替代燃料技術實現(xiàn)零排放。2030年以前，蓄電池動力技術將更為成熟，市場空間相對廣闊，而隨著燃料電池技術逐步成熟及配套設施逐漸完善，未來海運行業(yè)將呈現(xiàn)燃料電池和蓄電池動力船舶并存的局面。

國內(nèi)電池動力船舶應用推廣基礎條件逐步形成

參照新能源電動汽車，除技術成熟度和安全性問題外，電池動力船舶能否批量推廣應用還取決行業(yè)政策和基礎設施條件（充電設備）。

政策方面，交通運輸部針對船舶排放設定了一系列減排目標，對推廣船舶清潔能源利用具有較為積極的作用，例如《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施方案》和《推進珠江水運綠色發(fā)展行動方案（2018-2020年）》。不過，從內(nèi)容上看，這些文件更為關注LNG動力和岸電技術的應用，對電池動力船舶技術推廣作用有限。

相較而言，廣州和深圳等地方政府出臺的政策文件在推廣電池動力船舶技術所發(fā)揮的作用更為直接。廣州市制定的《廣州港口船舶排放控制作戰(zhàn)方案（2018-2020年）》明確提出，在清潔能源應用方面實現(xiàn)約5艘純電動船舶或混合動力客船投入運營；深圳市制定的《2018年“深圳藍”可持續(xù)行動計劃》則提出，要在包括綠色港航在內(nèi)的“十大工程”中，推廣使用電動港口工作船舶，并明確要在年底完成1艘電動執(zhí)法船設計方案和新船的訂購工作。據(jù)悉，目前該市還在積極研究相關的補貼政策，如通過老舊船更新補助等政策途徑，對電動汽渡船改造項目提供補貼等，鼓勵船舶“零排放”。然而，一些從事船檢工作專家并不支持發(fā)展鋰電池船舶，認為發(fā)生火災時其更難被撲滅。

基礎設施條件方面，目前我國還沒有專門針對大容量電動船舶的充電設施，但李小鵬部長在2019年交通運輸部工作會議講話中提到，2018年全國建成岸電設備2400余套。盡管這些設備用于靠泊期間的船舶電力供應，但也為電池動力船舶獲取電力提供了較好的硬件基礎，可以通過后期技術升級、改造或添置充電設施實現(xiàn)充電目的。隨著岸電要求的執(zhí)行，特別是《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施方案》對岸電使用的明確規(guī)定，全國岸電設施配套規(guī)模和區(qū)域有望進一步擴大。

參考汽車行業(yè)，2019年3月5日海南省正式對外發(fā)布《海南省清潔能源汽車發(fā)展規(guī)劃》，明確海南將分領域、分階段加快推廣清潔能源汽車，2030年起全省全面禁止銷售燃油汽車，將建成國際首創(chuàng)的清潔能源汽車生態(tài)島，開放、共享的清潔能源汽車示范島。預計，我國船舶環(huán)保要求也會采用“試點-區(qū)域-全國”的升級方式，傳統(tǒng)內(nèi)河及近海燃油船舶有望逐步淘汰，未來會有更多岸電、充電設施集中投放在珠三角（粵港澳大灣區(qū)）、長江經(jīng)濟帶和環(huán)渤海灣以及海南地區(qū)，這為電池技術在船舶領域的廣泛應用提供了重要基礎條件。

抓住市場機遇發(fā)展電池動力船舶

2019年全國交通運輸工作會議明確，2019年將加快新能源和清潔能源車船推廣應用，加快推動船舶靠港使用岸電，著力提升岸電設施利用率。與此同時，有消息稱交通運輸部和工信部擬研究開展內(nèi)河船升級更新工作。

我國擁有沿海船舶約1.03萬艘、內(nèi)河船舶計約13.2萬艘。根據(jù)交通運輸部發(fā)布的《2018年水路運輸市場發(fā)展情況和2019年市場展望》，截至2018年底，全國共擁有沿海省際萬噸以上干散貨船1832艘、6247.56萬載重噸，平均船齡10.09年，其中，老舊船舶（船齡18年以上）和特檢船舶（船齡28年以上）分別有190艘、36艘，占總艘數(shù)的10.37%和1.97%；沿海省際運輸油船（含原油船、成品油船，不含油品、化學品兩用船）1296艘、1024.34萬載重噸，平均船齡9.76年，其中，老舊船舶（船齡12年以上）和特檢船舶（船齡26年以上）分別有448艘、11艘，占總艘數(shù)的34.57%和0.85%；沿海省際液化氣船共72艘、24.79萬載重噸，平均船齡11.30年，其中，老舊船（船齡12年以上）和特檢船（船齡26年以上）分別有19艘、3艘，占總艘數(shù)的26.39%和4.17%；沿海省際化學品船（含油品、化學品兩用船）288艘、112.90萬載重噸，平均船齡10.01年，其中，老舊船舶（船齡12年以上）和特檢船（船齡26年以上）分別有107艘、2艘，占總艘數(shù)的37.15%和0.69%；沿海省際運輸700TEU以上集裝箱船共計252艘、71.6萬TEU，平均船齡9.63年，其中，老舊船舶（船齡20年以上）有27艘，占總艘數(shù)的10.71%，沒有特檢船舶（船齡29年以上）；渤海灣省際客滾船舶運力23艘、32340客位、3442車位，瓊州海峽省際客滾船舶運力58艘、51024客位、2781車位（船齡無統(tǒng)計）。如果考慮其他類型沿海小型船和內(nèi)河船，則船舶老齡化問題更為明顯，淘汰、升級需求將更為明確，這為蓄電池技術推廣提供了較好的市場基礎。

目前，我國已經(jīng)有電動船舶項目的初步嘗試。如廣船國際有限公司建造的2000噸級電動自卸船，整船電池容量約為2.4MWh，滿載情況下可續(xù)航80公里；上海瑞華集團改造的500噸級純電動貨船，充滿1次可航行50個小時，航程可達500公里；長江船舶設計院接獲的純電池動力客船設計項目，該船總長100m，主要用于旅游航線；上海復興船務和711所共同打造了國內(nèi)首制柴電混合動力拖輪。

為把握市場機遇，推動電池船高質(zhì)量發(fā)展，助力打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，船舶行業(yè)首先應聚焦技術本身，關注船舶純電和混電技術在渡輪、中小型郵船、觀光船（內(nèi)河、湖泊）、江海貨運船及工作船上的應用，開發(fā)相應的高能源密度、高使用壽命、大容量電池組及配套電池動力系統(tǒng)，開展安全性的試驗，提升其安全水平，研究新船和現(xiàn)有船舶的設計和施工方案，提供有關產(chǎn)品和服務。第二，要發(fā)揮標準化作用，針對船舶電池系統(tǒng)和充電設施，一方面形成船舶動力蓄電池安全、性能方面的標準，規(guī)范動力蓄電池在船舶上的應用，另一方面形成岸基充電設施、船舶充電設施、靠泊設施等配套標準，解決動力蓄電池在水運領域的應用問題。第三，逐步推動政策銜接，將電池動力船舶作為新能源項目融入京津冀、長江經(jīng)濟帶、粵港澳大灣區(qū)、海南、白洋淀等區(qū)域政策、規(guī)劃以及有關行動計劃等文件，謀劃試點項目，推動相關補貼政策制定和落地，形成規(guī)模效應。