船用模塊化集裝箱式動(dòng)力電池的運(yùn)營(yíng)模式設(shè)計(jì)

張文芬　湯旭晶　嚴(yán)新平　史旭初

摘 要：純電池動(dòng)力船舶是實(shí)現(xiàn)清潔能源動(dòng)力技術(shù)之一，近年來(lái)發(fā)展迅速。由于船舶電池動(dòng)力模組容量大制造成本高，船東難以承受初裝投資，以及充電和維護(hù)需專業(yè)人員管理等應(yīng)用推廣困難，解決這一問(wèn)題的有效辦法是將電池動(dòng)力組做成集裝箱式的模塊化，采用換裝方式為船舶提供電池動(dòng)力，變傳統(tǒng)柴油動(dòng)力船舶買油開(kāi)船為純電池動(dòng)力船舶租電航行，并實(shí)現(xiàn)快速續(xù)航。這一電池動(dòng)力營(yíng)運(yùn)模式的變革具有重要意義。本文提出了“船電分離、換電租賃”的新型船舶運(yùn)營(yíng)模式，并結(jié)合內(nèi)河64TEU集裝箱綠色智能示范船舶項(xiàng)目進(jìn)行分析，這種新型運(yùn)營(yíng)模式可以提高純電池動(dòng)力船的運(yùn)營(yíng)效率和動(dòng)力電池利用率，實(shí)現(xiàn)交通網(wǎng)和能源網(wǎng)的協(xié)同優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：船電分離;電動(dòng)船;運(yùn)營(yíng)模式;減排

中圖分類號(hào)：TK01? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）10-0006-04

“3060”碳達(dá)峰碳中和的發(fā)展目標(biāo)使航運(yùn)業(yè)按下碳減排的“加速鍵”。電動(dòng)船舶是船舶智能化、綠色化發(fā)展的必然產(chǎn)物，也是船舶行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要路徑。近年來(lái)，電動(dòng)船舶在內(nèi)河貨運(yùn)船舶、景區(qū)游船、城市渡輪等得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

2020年中國(guó)電動(dòng)船舶用鋰離子電池出貨量達(dá)到75.6MWh，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)0.95億元，同比增長(zhǎng)67.1%。近年來(lái)動(dòng)力電池技術(shù)性能的不斷提升，《中國(guó)制造2025》、《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2019年版）》、《純電池動(dòng)力船舶檢驗(yàn)指南》、《內(nèi)河綠色船舶規(guī)范》等一系列政策標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，有力支撐了電動(dòng)船舶發(fā)展。

截至2020年底，全國(guó)擁有水上運(yùn)輸船舶12.68萬(wàn)艘（內(nèi)河11.5萬(wàn)艘，占比90%），未來(lái)純電動(dòng)船的推廣應(yīng)用，將改變水運(yùn)能源結(jié)構(gòu)。2016年以來(lái)，全國(guó)各地船舶電動(dòng)化發(fā)展需求非常旺盛，按照2025年船舶鋰電化滲透率20%測(cè)算，我國(guó)電動(dòng)船舶市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到550億元。

盡管我國(guó)電動(dòng)船舶市場(chǎng)潛力巨大，但推廣應(yīng)用中面臨著諸多難點(diǎn)和阻礙。其一是經(jīng)濟(jì)難點(diǎn)，由于電池動(dòng)力制造成本高，船東難以承受昂貴的動(dòng)力電池初裝費(fèi)用。目前船用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的價(jià)格在2000元/kWh左右， 即容量為1000kWh動(dòng)力電池價(jià)格近200萬(wàn)，比肩千噸級(jí)傳統(tǒng)內(nèi)河船的造價(jià)成本，且經(jīng)初步估算，1000kWh動(dòng)力電池僅能維持千噸級(jí)船舶航行100km，船舶噸位和航行距離的增加還會(huì)使得電池容量需求倍增。其二，電池后期的維護(hù)保養(yǎng)及老化退役問(wèn)題，讓船東們對(duì)電動(dòng)船望而卻步。電池購(gòu)買后并非一勞永逸，目前船用動(dòng)力電池的循環(huán)壽命3500次左右，電池容量衰減到80%將不能作為動(dòng)力電池，理想情況下電池使用壽命也僅8年左右，若電池維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)還將加速電池的電池老化、衰減，這意味著若干年后，船東將面臨更換電池的難題，電池使用越久，電池退役的問(wèn)題會(huì)暴露得更加明顯[4-6]。其三，傳統(tǒng)的靠岸充電運(yùn)營(yíng)模式影響了船舶運(yùn)營(yíng)效率，也制約了電動(dòng)船舶的推廣應(yīng)用。一方面，船舶能量需求大，航行環(huán)境復(fù)雜，里程焦慮問(wèn)題比電動(dòng)汽車更突出;另一方面，船舶搭載的動(dòng)力電池容量大，充電時(shí)間長(zhǎng)，長(zhǎng)時(shí)間等待充電將嚴(yán)重影響船舶運(yùn)營(yíng)，也占用寶貴的岸線資源，不適用于電動(dòng)船舶未來(lái)的發(fā)展。

解決這一問(wèn)題的有效辦法是“船電分離、換電租賃”的運(yùn)營(yíng)模式，即船舶不配備固定電池動(dòng)力組，將電池動(dòng)力組做成可移動(dòng)的模塊化集裝箱式，采用換裝方式為船舶提供電池動(dòng)力，變傳統(tǒng)船舶買油開(kāi)船為電動(dòng)船舶的租電航行。這一動(dòng)力電池營(yíng)運(yùn)模式的變革具有重要意義。一來(lái)船東只用支付租金，解決了船舶電池動(dòng)力初始投資成本高的難題，另外電池租賃模式下電池廠家負(fù)責(zé)電池日常維修保養(yǎng)，船東無(wú)需承擔(dān)電池退役風(fēng)險(xiǎn)，此外，由于換電操作時(shí)間相對(duì)短，可實(shí)現(xiàn)快速續(xù)航，可以提高船舶的運(yùn)營(yíng)效率和動(dòng)力電池利用率，實(shí)現(xiàn)交通網(wǎng)和能源網(wǎng)的協(xié)同優(yōu)化。

1船用模塊化集裝箱式動(dòng)力電池運(yùn)營(yíng)模式設(shè)計(jì)

“船電分離、換電租賃”的新型船舶運(yùn)營(yíng)模式能有效解決電動(dòng)船初始投資成本高的難題，且具有方便快捷，節(jié)約充電等待時(shí)間的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于電動(dòng)船舶未來(lái)的發(fā)展有很好適應(yīng)性。

1.1模塊化集裝箱式動(dòng)力電池

模塊化集裝箱式動(dòng)力電池因具有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化尺寸和接口，適應(yīng)于各種運(yùn)輸工具和裝卸設(shè)備，且具有容量大，安全可靠的特點(diǎn)，在船用動(dòng)力電池領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。模塊化集裝箱式動(dòng)力電池是指以磷酸鐵鋰電池為能源載體，采用20英尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱為成組單元的高度集成、大容量、可移動(dòng)的通用模塊化電源系統(tǒng)。集裝箱式動(dòng)力電池包括電池管理系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、配電系統(tǒng)等，可實(shí)現(xiàn)模塊與電網(wǎng)間便捷、安全地快速接通與脫離，從而使這種更換模塊實(shí)現(xiàn)船舶能量快速補(bǔ)充的換電模式得以實(shí)施。近年來(lái)，寧德時(shí)代、億緯鋰能、國(guó)軒等許多動(dòng)力電池龍頭企業(yè)都在積極研發(fā)生產(chǎn)船用集裝箱式動(dòng)力電池。

以億緯鋰能公司為例，研發(fā)的20英尺船用集裝箱動(dòng)力電池容量為1080kWh左右，采用兩層鋼板中間填充A級(jí)防火阻燃巖棉的集裝箱殼體，集裝箱尾部配置2個(gè)內(nèi)嵌式10kW空調(diào)，內(nèi)部溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在超過(guò)限制溫度35℃后啟動(dòng)空調(diào)運(yùn)行，電池箱額定輸出電壓576V，額定輸出頻率50Hz，容量1890AH，防護(hù)等級(jí)為IP67， 采用主動(dòng)式七氟丙烷消防系統(tǒng)，能量密度為170Wh/kg左右，一個(gè)標(biāo)箱的動(dòng)力電池重量在15t左右。

1.2模塊化集裝箱式動(dòng)力電池運(yùn)營(yíng)

本文設(shè)計(jì)了一種船電分離的模塊化集裝箱式動(dòng)力電池運(yùn)營(yíng)模式，船舶上不配備固定電池包，而是裝載模塊化集裝箱式動(dòng)力電池，當(dāng)電池電量不足時(shí)船舶航行至換電站，進(jìn)行換電作業(yè)，待充電池運(yùn)送至充電站充電，滿電電池運(yùn)送至換電站，考慮各充換電站用電需求的隨機(jī)性，滿電電池也可以在不同的換電站進(jìn)行調(diào)運(yùn)，運(yùn)營(yíng)模式示意圖如圖1所示。

1.2.1模塊化集裝箱式動(dòng)力電池?fù)Q裝

船舶航行至換電站，利用港口裝卸設(shè)備將虧電（待充）電池箱從船上卸下至換電站，再將換電站的滿電電池箱更換至船上，轉(zhuǎn)運(yùn)工具將虧電電池轉(zhuǎn)運(yùn)至充電站進(jìn)行充電，在保證電池正常周轉(zhuǎn)的前提下，結(jié)合區(qū)域分時(shí)電價(jià)表合理規(guī)劃充電時(shí)間，一方面節(jié)約充電成本，另一方面給能源網(wǎng)進(jìn)行削峰填谷。滿電電池箱提前運(yùn)送至換電站，并利用正面吊、叉車等輔助設(shè)備進(jìn)行集裝箱的堆疊和運(yùn)輸作業(yè);虧電電池箱從船上卸下后再通過(guò)集裝箱汽車轉(zhuǎn)送至就近充電站充電。由于模塊化集裝箱式動(dòng)力電池裝卸過(guò)程中要進(jìn)行集裝箱接口對(duì)準(zhǔn)、電池箱網(wǎng)線拔插、接口保護(hù)等環(huán)節(jié)，裝卸時(shí)間會(huì)略長(zhǎng)于普通集裝箱貨物，換電時(shí)間約30min。

1.2.2箱式電池的站內(nèi)配置和站間調(diào)度

綜合考慮船舶換電需求、換電站和充電站容量、轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間等因素，采用聯(lián)合儲(chǔ)備的方式，合理規(guī)劃滿電電池箱在換電站、充電站的儲(chǔ)備量。船舶通航環(huán)境復(fù)雜，充電需求隨機(jī)性較大，電池箱需要在各充換電站間進(jìn)行調(diào)運(yùn)，調(diào)運(yùn)包括水上調(diào)運(yùn)船舶和陸上調(diào)運(yùn)車輛兩種形式，考慮經(jīng)濟(jì)性和便捷性，可將過(guò)路船、順路車作為調(diào)運(yùn)交通工具，支付調(diào)運(yùn)費(fèi)用，委托完成調(diào)運(yùn)。

1.2.3充電模式

按照充電站的位置，電池充電模式可細(xì)分為岸邊充電、集中充電（充電站），兩種方式。岸邊充電是指充電站建設(shè)在該換電站內(nèi)或附近岸邊，充電在換電站內(nèi)或附近完成，通過(guò)正面吊或者叉車即可完成虧電和滿電電池箱運(yùn)輸作業(yè)。集中充電是一個(gè)充電站覆蓋若干換電站，通常充電站建設(shè)在港口內(nèi)陸地區(qū)，將多個(gè)換電站電池集中起來(lái)充電，完成充電后統(tǒng)一配送?，F(xiàn)階段尤其是少量電動(dòng)船通行時(shí)，換電站間距較大，動(dòng)力電池調(diào)運(yùn)時(shí)間長(zhǎng)，調(diào)運(yùn)成本高，不適合集中充電，多在換電站附近岸邊建設(shè)充電站，隨著充電網(wǎng)密度增大，可考慮集中充電產(chǎn)生規(guī)模效益。關(guān)于充電速度，目前200A左右的充電電流的充電樁，理論可以在5h左右完全充滿單個(gè)集裝箱。

1.2.4電池租賃的商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式

船東是船舶所有者，是電動(dòng)船推廣應(yīng)用的主角。從商業(yè)運(yùn)營(yíng)的角度，船電分離的運(yùn)營(yíng)模式可使得船東無(wú)需承擔(dān)動(dòng)力電池的初裝費(fèi)用，購(gòu)船成本低，且從換電站租賃電池同時(shí)享受換電站的專業(yè)服務(wù)和技術(shù)支持，換下來(lái)的虧電電池由廠家收集并負(fù)責(zé)后期維護(hù)保養(yǎng)，這種“船電分離、換電租賃”的新型船舶運(yùn)營(yíng)模式變傳統(tǒng)船舶買油開(kāi)船為電動(dòng)船舶的租電航行，節(jié)省船舶充電等待時(shí)間，船舶運(yùn)營(yíng)效率高，且隨著電池使用壽命下降和性能價(jià)值降低這種租賃需求會(huì)顯得更加迫切和明顯。

2實(shí)踐案例

2.1項(xiàng)目概況

內(nèi)河64TEU集裝箱綠色智能船舶是國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“綜合交通運(yùn)輸與智能交通”專項(xiàng)的示范工程。浙江省湖州市安吉縣是習(xí)總書(shū)記“兩山”重要理論的發(fā)源地，湖州市也是全國(guó)首個(gè)獲批建設(shè)生態(tài)文明先行示范區(qū)的地級(jí)市和國(guó)內(nèi)唯一一個(gè)國(guó)家內(nèi)河水運(yùn)轉(zhuǎn)型發(fā)展示范區(qū)。2020年湖州港集裝箱吞吐量達(dá)55.8萬(wàn)標(biāo)箱。

示范船為64TEU集裝箱的敞口集裝箱純電池動(dòng)力船舶，主要航行于浙江湖州安吉縣上港川達(dá)碼頭（位于湖梅線暨長(zhǎng)湖申西延航道）至上海外高橋航線，該航線全程約為274公里，年吞吐量接近25萬(wàn)TEU，航線上有25艘柴油動(dòng)力集裝箱船在長(zhǎng)期定點(diǎn)營(yíng)運(yùn)，其中單船月平均航次為7-8次。

2.2? 64TEU集裝箱綠色智能示范船舶運(yùn)營(yíng)模式設(shè)計(jì)

64TEU集裝箱綠色智能示范船舶設(shè)計(jì)航速6kn，載重量1803t，額定功率為2×150kW，船上可同時(shí)搭載4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)20尺集裝箱動(dòng)力電池，單個(gè)電池箱容量為1083kWh。船舶在目標(biāo)航線上航行的典型工況為下行載重量800t，26.4h到港;上行載重量930t，30.8h到港。

2.2.1充換電站的選址

從起始港安吉上港到外高橋碼頭沿途水上服務(wù)區(qū)、碼頭4座，可考慮布局充換電服務(wù)站，但基于各充換電站建設(shè)可行性，包括政策、經(jīng)濟(jì)、配套基礎(chǔ)設(shè)施等方面的因素[7-8]，且為滿足64TEU純電池動(dòng)力船舶航行需求，示范船岸基充換電站建設(shè)一期工程的選址為安吉上港碼頭（簡(jiǎn)稱安吉站）和閔行吳涇電廠（簡(jiǎn)稱閔行站），如圖2所示。

通過(guò)在傳統(tǒng)柴油船舶上進(jìn)行隨船測(cè)試得到實(shí)時(shí)柴油消耗數(shù)據(jù)，并運(yùn)用海軍系數(shù)法折算為電能需求，測(cè)算船舶上下行分段航行能耗需求，并考慮配置電池時(shí)需要有20%的富余量，最終得到船舶典型工況下電池容量需求如表1所示。

2.2.2 集裝箱式動(dòng)力電池營(yíng)運(yùn)作業(yè)

示范船模塊化集裝箱式動(dòng)力電池艙位有四個(gè)，即最多同時(shí)裝載4個(gè)模塊化箱式電池，考慮磷酸鐵鋰電池的放電深度不能超過(guò)80%，即單個(gè)模塊化集裝箱式動(dòng)力電池的可用電量約為860kWh左右，結(jié)合船舶典型工況下電池容量需求表1，設(shè)計(jì)集裝箱式動(dòng)力電池營(yíng)運(yùn)作業(yè)如圖3所示。

分析各航段的電池運(yùn)營(yíng)作業(yè)情況如下：

安吉站閔行站：船舶在安吉站裝3個(gè)滿電電池箱航行至閔行站時(shí)，兩個(gè)電池箱的可用電量用完，第三個(gè)電池箱預(yù)計(jì)剩余電量為639kWh。

閔行站外高橋閔行站：在閔行站卸2個(gè)耗盡電的電池箱，裝2個(gè)滿電電池箱航行至外高橋并折返回閔行站，兩個(gè)滿電電池箱用完，第三個(gè)電池箱預(yù)計(jì)剩余電量為620kWh。

閔行站安吉站：在閔行站卸2個(gè)耗盡電量電池箱，裝3個(gè)滿電電池箱航行至安吉港，航行至安吉站，完成整個(gè)往返航次，預(yù)計(jì)剩下電池余量為365kWh。

綜上，示范船從安吉站出發(fā)后，下行到閔行站租賃換電一次，到達(dá)外高橋折返上行，上行至閔行站租賃換電一次，繼續(xù)上行至安吉站。若考慮提高集裝箱式動(dòng)力電池利用率，船舶下行至閔行站卸下2個(gè)虧電電池箱能在船舶返航至閔行站時(shí)充好電，則可配置6個(gè)電池箱保證一艘示范船營(yíng)運(yùn)周轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)交通網(wǎng)和能源網(wǎng)的協(xié)同優(yōu)化。

2.3 效益分析

2.3.1船舶運(yùn)營(yíng)效率分析

與傳統(tǒng)的充電模式相比，換電模式的運(yùn)營(yíng)效率大幅提升。換電運(yùn)營(yíng)模式下，示范船往返一個(gè)航次，需要進(jìn)行三次換電作業(yè)，換電時(shí)間合計(jì)約1.5h;若采用傳統(tǒng)靠岸充電的方式，假設(shè)岸基配備3個(gè)充電樁，往返一個(gè)航次也需要10h，船舶營(yíng)運(yùn)效率下降，且船舶充電占用岸線資源，影響泊位作業(yè)計(jì)劃和船舶調(diào)度。

2.3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，該航線上船舶年航次數(shù)78次。傳統(tǒng)64TEU柴油動(dòng)力船舶往返一個(gè)航次的能耗為1612L，按照柴油6.5/L的價(jià)格計(jì)算，船舶每年的能耗費(fèi)用是81.73萬(wàn)元;電池動(dòng)力船舶往返一個(gè)航次所需的能耗為5642 kW·h，按照當(dāng)?shù)卣峁┑膬?yōu)惠岸電電價(jià)0.33元/kW·h，加上岸電服務(wù)費(fèi)0.7元/kW·h，船舶每年的能耗費(fèi)用是45.32萬(wàn)。因此，與傳統(tǒng)的柴油機(jī)船舶相比，一艘64TEU船電池動(dòng)力船舶一年可節(jié)約36.41萬(wàn)元的能耗費(fèi)用，未來(lái)航線上的25艘燃油船舶都更新為電池動(dòng)力船舶，每年可節(jié)約910.25萬(wàn)元。

2.3.3 社會(huì)效益分析

單艘傳統(tǒng)在航64TEU船舶年耗油量為108.55t，參考發(fā)改委、環(huán)保部頒發(fā)的污染物排放計(jì)算公式，可得傳統(tǒng)64TEU柴油機(jī)船舶年二氧化碳排放量GCO2為336t，年二氧化硫排放量為GSO2為140kg，年氮氧化物排放量為GNOX為1044kg，年顆粒物排放量GPM為258kg。由于64TEU集裝箱綠色智能示范船舶為純電池動(dòng)力船舶，不存在油水污染、大氣污染，將大幅度減少噪聲污染，跟傳統(tǒng)的柴油機(jī)船舶相比，每年可減少二氧化碳排放336t，硫氧化物和氮氧化物排放1184kg，最小顆粒物排放258kg，且無(wú)油水污染，具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。該示范船舶也可在我國(guó)其他內(nèi)河水網(wǎng)地區(qū)推廣應(yīng)用。

3結(jié)論

國(guó)內(nèi)外電動(dòng)船舶運(yùn)營(yíng)管理處于起步階段，尚未建立成熟的電動(dòng)船舶運(yùn)營(yíng)管理模式。基于船東初始投資、電池保養(yǎng)維護(hù)、船舶運(yùn)營(yíng)效率等因素考慮，傳統(tǒng)靠岸充電的方式不適應(yīng)未來(lái)電動(dòng)船舶發(fā)展需求。如何科學(xué)規(guī)劃組織電動(dòng)船舶運(yùn)行，提出適用于電動(dòng)船舶發(fā)展的動(dòng)力電池的充換電運(yùn)營(yíng)管理模式，是電動(dòng)船舶實(shí)際運(yùn)營(yíng)中亟待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。本文提出了“船電分離、換電租賃”的新型船舶運(yùn)營(yíng)模式，試圖解決電動(dòng)船初始投資大、充電等待時(shí)間長(zhǎng)等難點(diǎn)。隨著電動(dòng)船舶批量下水運(yùn)營(yíng)，在充換電設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)化、電源接口拔插、多站點(diǎn)融合一體化管理、船員值班制度、現(xiàn)代船員培訓(xùn)等方面仍面臨著諸多挑戰(zhàn)[9-10]，需要相關(guān)從業(yè)人員和科技工作者統(tǒng)籌謀劃、精準(zhǔn)施策，為電動(dòng)船舶發(fā)展創(chuàng)造更加和諧的運(yùn)營(yíng)環(huán)境。

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基金項(xiàng)目：湖北省發(fā)展戰(zhàn)略咨詢項(xiàng)目HB2021B09;湖北省教育廳哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究項(xiàng)目20Q070;湖北省高等學(xué)校人文社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究基地企業(yè)決策支持研究中心項(xiàng)目DSS20190104。