淺析內(nèi)河純電動船舶發(fā)展現(xiàn)狀

呂明杰，豈興明，尹 航，江 楠，金英愛

綜述

淺析內(nèi)河純電動船舶發(fā)展現(xiàn)狀

呂明杰1,2，豈興明3，尹 航1,2，江 楠1,2，金英愛1,2

（1．吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室, 吉林長春 130022，2．吉林大學汽車工程學院, 吉林長春 130022，3. 中國艦船研究設計中心，武漢 430064）

純電動船作為新興的產(chǎn)品，具有零碳排放、無污染、噪音小等優(yōu)勢。隨著純電動船舶的研究不斷深入，開始應用于內(nèi)河運輸領域。本文介紹了純電動船舶技術的研究和應用現(xiàn)狀，分析了內(nèi)河純電動船舶的發(fā)展意義和國家相關的政策規(guī)劃，并對其未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

純電動船舶 節(jié)能減排 內(nèi)河運輸 電力供應

0 引言

目前所稱電動船舶分為純電動船舶、柴電混合動力船舶以及燃料電池船舶等。本文所述的純電動船舶是傳統(tǒng)船舶技術與新能源技術相結(jié)合的重要產(chǎn)物，具有結(jié)構(gòu)簡單、運營成本低，零排放等特點，并且作為一種清潔能源有著廣闊的應用前景，受到了人們廣泛關注。在我國不斷出臺相應法律法規(guī)，對排放進行控制的進程中，純電動船舶的發(fā)展對于交通行業(yè)的碳達峰，以及促進海洋經(jīng)濟的發(fā)展都具有重要意義。

1 內(nèi)河電動船舶發(fā)展現(xiàn)狀和應用前景

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外純電動船的應用較早，最早將電力推進應用于船舶的嘗試可以追溯到19世紀30年代。挪威、荷蘭一直處于電動船舶領域的領先地位。其中，挪威是運行電動船舶最多的國家。全球第一艘大型純電動船于挪威在2014年建造，2015年投入運營, 名為安培號。安培號由兩臺450 kW的電動機提供動。利用鋰電池提供能量，整個儲能系統(tǒng)容量約為1040 kWh。具負責運行的航運公司介紹，該船每年可節(jié)約燃料1000噸。截止2019 年 5 月，全球營運中和擬建造電動船為 155 艘，其中80艘建造中，預計 2022年，全球電船舶將迎來快速增長期。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著一系列關于船舶環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的政策相繼發(fā)布，我國也逐漸推進船舶工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，向‘船舶電動化’發(fā)力[1]。在相關政策的支持和保障下，有發(fā)達內(nèi)河航運體系的中國在電動船舶市場取得了新的進展。在2019年11月12日，全球首艘2000噸級的純電動內(nèi)河散貨船“河豚”在廣州龍穴下水試運營，填補了2000噸位電動內(nèi)河貨船的空白，也標志我國開啟綠色航運新時代[2]。

目前，我國河內(nèi)船舶總量約13萬艘而電動船舶僅僅20余艘。相比傳統(tǒng)內(nèi)河船舶總量其數(shù)量微乎其微。我國電動船舶主要為內(nèi)河貨船，大多數(shù)分布在長江、珠江等沿江沿海城市，主要用途為觀光、渡船、托運等。雖然在我國內(nèi)河航運輪船的動力來源主要為在柴油機，但是為了政策和可持續(xù)發(fā)展的要求，加速推進船舶電動化具有重大意義。政策促進轉(zhuǎn)型，電動船舶未來前景廣闊。

1.3 純電動船舶推廣面臨的難題

自2020年起，國際海事航運組織環(huán)境規(guī)則對船用燃料含硫量進行約束，船舶在公海需使用含硫量低于0.5%的燃料，在近?；蚩堪锻２雌陂g含硫量需低于0.1%。對船舶燃料提出了更好的要求。我國也相繼出臺政策和法規(guī)，實施嚴格的排放標準，推進船舶電動化轉(zhuǎn)型，純電動船規(guī)模推廣面臨的難題[3～4]：

1）技術層面

動力電池是電動船舶的核心部件，目前其核心技術雖然有突破但仍然需要更新與改進。目前磷酸鐵鋰動力電池由于其優(yōu)異的性能如安全性能良好、成本較低、使用壽命長而成為現(xiàn)階段船舶動力電池的最優(yōu)選擇。但與傳統(tǒng)的船舶相比，電動船舶充滿電比加滿油耗時久，且續(xù)航里程低。雖然電動船舶不設有內(nèi)燃機，減少了燃油管路出現(xiàn)故障引起火災的可能性，但純電動蓄電池倉也是容易發(fā)生火災的位置，電池在發(fā)生碰撞、短路、高溫等情況下會產(chǎn)生熱失控，如果消防措施不到位，甚至會發(fā)生爆炸[5～6]。與純電動汽車類似，船舶電池技術還面臨更多的挑戰(zhàn)。如減少充電時間，船舶充電時的如何停泊、電動船舶與充電樁之間的連接問題等。

2）設施層面

由于電池能夠支持的航行里程有限，因此需要設計中途換電和充電服務。然而無論是充電還是換電方案實施起來都比較困難，需要設置具有充、換電的服務區(qū)，具備能力的碼頭數(shù)量很少。充電方案需要快速充電技術，這是技術層面的問題。換電方案是最具有前景的一種方式，但也需要碼頭的電源調(diào)配能力和在給電動船舶換電時的裝卸問題。

3）成本層面

船舶電動化仍然存在經(jīng)濟性不足的問題。目前應用于電動船舶的鋰電池造價昂貴，相比傳統(tǒng)燃油車，初期投入成本高20%～30%，初期投入的負擔較大，且鋰電池的壽命相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機短，約為10年，占整個船舶壽命的1/3。期間需要進行電池的更換，成本較高。另外電動船舶的運營成本也并沒有明顯優(yōu)勢。港口電價優(yōu)勢不明顯，耗電費用和提供相同價格的燃料差別不明顯。

2 純電動船發(fā)展意義

純電動船，即驅(qū)動能源全部由電能供應的船舶。目前純電動船還未大規(guī)模應用，仍處于發(fā)展階段。但清潔的動力來源和低噪音、人性化的優(yōu)勢已然讓純電動船有了無可比擬的優(yōu)勢。

遠洋航運多用于國與國之間的貨物或人員運輸，航程遠、行駛環(huán)境復雜多變。對于船舶的噸位、續(xù)航能力都有極高的標準，并不適合純電動船舶發(fā)展。相比于遠洋海運，內(nèi)河運輸?shù)姆秶?，且航線里程短。因此對于船舶的續(xù)航能力要求并不高。這為內(nèi)河純電動船的發(fā)展提供了良好的環(huán)境，相比傳統(tǒng)動力的船舶，純電動船具有如下優(yōu)勢[7]：

1）純電動船對環(huán)境友好、排放量基本為零。在航運業(yè)產(chǎn)生的氣體排放逐年上升的情況下我國對純電動船的產(chǎn)量需求一定會越來越高。全球首艘純電動船于2014年由挪威船廠制造，命名“安培號”。據(jù)負責該船的航運公司財務總監(jiān)的估算，該船相比柴油動力船只每年可節(jié)省運行燃料1000噸。這證明發(fā)展純電動船在節(jié)能減排的方向是可行的。如今環(huán)境問題日益引起重視，純電動船將會有十分廣闊的發(fā)展前景。

2）純電動船的效率更高，動力性好。由于船的驅(qū)動完全使用電力，在行駛過程中電能直接傳遞給推進器轉(zhuǎn)化為機械能。而柴油機船需要將燃料中的化學能轉(zhuǎn)為熱能后再將熱能轉(zhuǎn)化為機械能后，之后由傳動軸傳遞到螺旋槳。電池直接供電給推進器的方式減少了中間環(huán)節(jié)，效率更高，因此有更好的節(jié)能效果。

3）純電動船內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單。柴油機船的動力部分由曲軸連桿結(jié)構(gòu)和配氣結(jié)構(gòu)等組成。結(jié)構(gòu)復雜且所占空間大；相比而言純電動船的動力部分只有蓄電池和推進器組成，因此純電動船的可操控性更強，反應能力得到了進一步提高。并且方便了維護和保養(yǎng)。同時電動船的載重能力也因可用空間的提升有所增加。

4）運營和維護的成本低。由于純電動船使用電力作為驅(qū)動能源，與柴油機船和混合動力船相比，純電動船的燃料成本更低。按最新的數(shù)據(jù)，柴油價格平均6.6元/升，10千伏商業(yè)用電約為0.65元/度，按此估算純電動船單次航程可節(jié)省約75%的能源成本。

5）純電動船另一個突出的優(yōu)點就是噪聲小。由于去掉了柴油發(fā)動機等噪聲大的部分，純電動船行駛過程中不會發(fā)出過大的聲音，在游覽觀光和捕魚方面有十分明顯的優(yōu)勢，可讓乘客和船員有更好的使用體驗。

3 國家純電動船舶發(fā)展政策與規(guī)劃解讀

內(nèi)河航道由于其建設成本低、載運量大、內(nèi)陸水域分布廣泛等特點成為了我國交通運輸中極其重要的一部分?！秲?nèi)河航運發(fā)展報告》中指出，到2035年，我國的內(nèi)河貨物周轉(zhuǎn)需占全社會比重9%。截至到日前，我國內(nèi)河船舶中有將近90%的船舶采用了傳統(tǒng)柴油機驅(qū)動，這將對環(huán)境與周邊水域產(chǎn)生了極大的破壞。

2007年黨的十七大報告中提出：“要建設生態(tài)文明”，交通領域的“生態(tài)文明”建設便提上日程，近些年來，航運業(yè)正在逐步將轉(zhuǎn)型的措施放在提高純電動船舶的占比之上。我國的內(nèi)河航道也逐漸具備電動化的基本條件，電動船舶的相關技術也取得了重大的突破，為建設“綠色航道”打下了良好的基礎[8]。

《船舶工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中明確指出，要提高綠色造船水平，需要圍繞船舶設計、建造重點環(huán)節(jié)，積極開展節(jié)能降耗技術研究。重點聚焦于綠色環(huán)保船型；新能源輔助動力等新概念船型研發(fā)；太陽能、風能、燃料電池等在船舶上的應用。2013年12月，交通運輸部與財政部等共同推出《老舊運輸船和單殼油輪提前報廢更新實施方案》，以經(jīng)濟政策鼓勵高能耗比、污染和安全風險較大的船舶提前報廢，建造新一代低能耗、新公約、新標準的船舶，其中就包括電動船舶[9]。

“十三五”期間，全球船舶市場處于一個供需失衡關系，這就需要船舶工業(yè)堅持以創(chuàng)新驅(qū)動高質(zhì)量發(fā)展，而集裝箱船大型化的成效顯著所帶來的更嚴峻的碳排放等問題，則迫使船舶工業(yè)將目光放在如何進一步推動電動船舶發(fā)展。與此同時，2018年國務院印發(fā)的《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》中提出，提高船舶柴油機排放標準以及擴大排放限制區(qū)域；由交通運輸部發(fā)布的《船舶排放控制區(qū)調(diào)整方案》規(guī)定了對長江航線以及沿海進行排放控制，其中內(nèi)河控制區(qū)應該按照《大氣污染防治法》要求使用合規(guī)能源以及尾氣后處理、清潔能源等措施；《關于全面加強生態(tài)環(huán)境保護堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)的實施意見》提出了，需要報廢20年以上服役年限的內(nèi)河航運船舶，據(jù)估計約有近一萬艘的船舶需要被淘汰，這擴大了對電動船舶的市場需求。國際海事組織（IMO）通過“限硫令”規(guī)定：2020年起禁止使用含硫量0.5 %以上的燃油航行。這一規(guī)定大大提高了柴油驅(qū)動船舶的航行成本[10]。

因此未來幾年，需要通過對電動船舶的大力支持與發(fā)展，來助力交通領域?qū)崿F(xiàn)“綠色航道”、彌補市場空缺以及降低通航成本。

4 推動國家純電動船舶發(fā)展的若干思考

船舶行業(yè)首先應聚焦技術本身。提高船舶燃料電池與動力電池的性能，開發(fā)相應的高壽命、高密度和高安全性的電池組以及相應配套的動力系統(tǒng)，需要在快速充電、岸電接駁等方面進行突破，大力發(fā)展多種新能源技術例如光伏發(fā)電技術、風力發(fā)電技術等在船舶上的應用，開發(fā)多種混合能源驅(qū)動的船舶。進一步完善廢舊船舶電池的回收技術，延長船舶電池的使用周期。

有關部門需要加強頂層設計，加大政策鼓勵以及逐漸完善管理體系。打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，實現(xiàn)“碳中和”，必不可少的就是逐漸減少化石能源在總能源中的占比，我國的能源儲備巨大并且種類繁多，因此推進船舶電動化是實現(xiàn)“綠色航道”的必經(jīng)之路。國家統(tǒng)籌指定電動船舶創(chuàng)新發(fā)展的指導意見，集合高等院校、科研單位、金融機構(gòu)、信息通訊企業(yè)以及船舶制造企業(yè)等多方力量，共同推進純電動船舶的技術創(chuàng)新與更迭。并且加大在相關領域如電池技術、輕量化材料、制造業(yè)等領域的投入。完善法律法規(guī)、信息安全框架以及產(chǎn)品監(jiān)管，為“孵化”新一代的船舶制造企業(yè)提供健康的土壤。在國際上，主動聯(lián)合國內(nèi)外相關行業(yè)企業(yè)，積極向國際海事組織（IMO），國際標準化組織（ISO）等機構(gòu)提交議案，參與各相關規(guī)則規(guī)范標準的指定中，維護我國的船舶工業(yè)的權益。

完善配套設施建設。針對純電動船舶充電、更換電池以及日常維護等需求，須在各港口配置相關的基礎設施如換電站，可以參考新能源汽車制定相應的優(yōu)惠政策吸引第三方投資主體參與建設[11]。

開展試點示范，探索商業(yè)模式。在特定流域水域中劃定試驗區(qū)，先完成觀光船、渡輪的電動化，再逐漸擴大各類船舶電動化的占比，推動目前各船舶研發(fā)單位發(fā)展電動船舶以及相應的技術，促使企業(yè)完成轉(zhuǎn)型。針對船舶電池，可以借鑒電動汽車電池的租賃以及回收辦法，防止因電池回收造成二次污染，從而引發(fā)環(huán)境問題。并以此為基礎創(chuàng)立船舶電池管理的商業(yè)模式，帶動上下游產(chǎn)業(yè)，構(gòu)建成熟的管理、運維、服務模式。

5 結(jié)語

本文從技術、政策等層面分析了目前純電動船舶相較于傳統(tǒng)柴油機驅(qū)動船舶的優(yōu)劣以及目前純電動船舶的發(fā)展現(xiàn)狀。通過研究國家的政策指明了今后我國的純電動船舶的發(fā)展趨勢和方向以及相應的舉措。隨著環(huán)境和市場的需要，純電動船舶憑借自身的特點得到了我國乃至世界船舶工業(yè)的大力支持和發(fā)展。但目前存在著動力電池仍有上升空間、基礎建設尚未齊全以及國家政策尚未完善等問題，相信在我國政府、相關企業(yè)、科研院所以及高校等共同努力之下，未來不久后純電動船舶技術以及規(guī)模將會得到一個爆發(fā)式提升。

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[10] 謝予, 陰晴, 金偉晨. “十三五”中國船舶工業(yè)發(fā)展回顧與未來展望[J]. 世界海運, 2021, 44(02): 5-9.

[11] 鄺展婷. 完善產(chǎn)業(yè)配套, 加快推動新能源動力船舶應用[J]. 中國船舶報, 2020-11(001): 1-2.

Brief analysis of development status of pure electric ships on inland waterway

Lv Mingjie1,2, Qi Xingming3, Yin Hang1,2, Jiang Nan1,2, Jin Ying’ai1,2

(1. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130022, Jilin. China. 2. College of Automotive Engineering, Jilin University, Changchun 130022, Jilin. China; 3. China Ship Development & Design Center, Wuhan 430064, China)

U674

A

1003-4862（2022）01-0028-04

2021-06-02

中國政府與英國政府聯(lián)合創(chuàng)新基金（牛頓基金）中英校企合作項目（UK-CIAPP201）

豈興明（1978-），男，工程師，主要從事船舶動力。Email：1820557524@qq.com

金英愛（1967-），女，教授，主要從事能源綜合利用。E-mail：jinya@jlu.edu.cn