基于電池的電動集裝箱船在內(nèi)河應(yīng)用中的分析

何金寶，李雯

（1.江西省港口集團有限公司，江西 南昌 330100；2.江西省港航運輸有限公司，江西 南昌 330100）

據(jù)預測，到2050 年，航運排放量將占全球二氧化碳排放量的17%，對人類生存環(huán)境和身體健康構(gòu)成重大威脅。面對日益嚴格的監(jiān)管環(huán)境，航運業(yè)正在競相尋找可商業(yè)部署的低品質(zhì)燃油零排放替代品。我國內(nèi)河通航里程12.7 萬公里，居世界第一，內(nèi)河運輸船舶11.95 萬艘。研究表明，相對于低品質(zhì)燃油，電化學燃料將使貨船的總成本增加200-600%，因此降低電池成本是電池電動船的推廣應(yīng)用的關(guān)鍵[1,2]。

馬士基已經(jīng)在東亞和西非之間運營的集裝箱船上開展混合動力電池試驗，一艘全電動集裝箱船預計將于20 年代初在挪威開始自主運營，同時日本、瑞典和丹麥等也正在開展電動船項目的研發(fā)。國內(nèi)64TEU 內(nèi)河綠色智能集裝箱船“國創(chuàng)號”2021 年下水，成為首艘模塊化電池動力組，采用換電模式運營的內(nèi)河船舶，是第一艘滿足綠色船舶三級認證標準的內(nèi)河船舶。

然而，目前對電動集裝箱船的系統(tǒng)分析，除了這些初步試點項目外，基于電池的電力儲能系統(tǒng)推進[5]作為潛在的低排放替代方案有待進一步充分研究[3-4]。因此，本文聚焦于最低電池成本，分析電池-電動集裝箱船的發(fā)展，并以某應(yīng)用于內(nèi)河的2000 噸級純電池電力推進集裝箱船為實例，給出其總體設(shè)計，以及對電池儲能系統(tǒng)、智能能效系統(tǒng)的分析。

1 船用集裝箱式電池儲能系統(tǒng)分析

電池-電動集裝箱運輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)限制是電池系統(tǒng)和電動機的體積相對于船舶現(xiàn)有發(fā)動機、燃料儲存和機械空間所占據(jù)的體積。同時，在確定船舶電力需求方面，電池儲能系統(tǒng)BES 自身重量也必須考慮在內(nèi)。理論上，可以通過增加吃水來增加其承載能力，但更高的吃水會增加船體阻力，據(jù)估算，5GWh 的磷酸鐵鋰電池重20000 噸且會增加1 米吃水深度，因此需要更多動力來達到相同航速。船上BES 系統(tǒng)的體積取決于船舶的功率要求、巡航速度、航程長度、電力效率和電池能量密度。鑒于在電池成本進一步降低之前，電氣化可能僅限于具有更短、更頻繁航行、更低功率要求和充電時間限制的小型短程船舶。

2 智能能效系統(tǒng)分析

智能能效管理系統(tǒng)通過在機艙、船體上布置傳感器，采集通航環(huán)境監(jiān)測參數(shù)以及主要耗能設(shè)備（柴油機、氣體機）能源消耗參數(shù)等，結(jié)合動力形式、運行工況特點以及運營航段情況等，通過對船航行狀態(tài)、耗能狀況的在線監(jiān)測與數(shù)據(jù)的自動采集，實現(xiàn)航行狀態(tài)自動判斷、能耗及能量分布分析、能效分析及評估等，為船舶管理者提供綜合評估結(jié)果以及輔助決策建議。同時結(jié)合貨運航線、各航段水文條件、動力系統(tǒng)運行模式以及燃料消耗裝置特性等，實現(xiàn)基于航次計劃及經(jīng)濟效益下的航速優(yōu)化。

（1）能效在線監(jiān)控功能：①主要耗能設(shè)備的功率、壓力、溫度等參數(shù)；②通過流量計電能表等監(jiān)測主要耗能設(shè)備燃料和電能消耗參數(shù)；③監(jiān)測推進功率參數(shù)；④GPS 及計程儀監(jiān)測船速、對水速度以及航向等；⑤測深儀監(jiān)測水深；⑥液位計監(jiān)測船舶吃水。

（2）能效能耗計算及評估：①船舶能效營運指數(shù)（EEOI）；②單位距離燃料消耗；③單位運輸功燃料消耗；④單位距離CO2排放；⑤單位運輸量CO2排放；⑥燃料小時消耗量；⑦燃料日消耗量；⑧燃料航次（航段）消耗量等。

（3）從推進系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等方面對整船的能量消耗分布和能量利用率進行計算，包括：①初級能源消耗端能量分布；②能量損失分布；③能量利用率。

（4）航速優(yōu)化功能主要包括：①計算已航行距離、已航行時間，預報剩余航程、預計到港時間；②計算當前航速下燃油消耗率、剩余航程所需燃料量等；③評估航速影響因素及其相關(guān)關(guān)系；④提供船舶營運費用核算功能；⑤基于經(jīng)濟效益、航次計劃和燃油消耗，提供航速優(yōu)化建議和方案。

3 電動船舶成本分析

通過計算每公里航程長度的行駛總成本（TCP）來測試電池電動集裝箱船的經(jīng)濟可行性。研究表明，對于航程小于1000 公里8000 標準箱的船級，電池電動船的TCP 低于現(xiàn)有ICE 船，在更長航程中，電池系統(tǒng)的額外成本、增加的電力需求和充電基礎(chǔ)設(shè)施超過了燃料轉(zhuǎn)換所節(jié)省的成本和直接電氣化的效率提升。但是，如果考慮到環(huán)境成本，電池驅(qū)動船的成本在5000 公里航程均處于優(yōu)勢。然而，盡管這些大航程更具有成本效益，但電池重量會使船舶吃水超出安全運行參數(shù)，因此在船舶設(shè)計沒有實質(zhì)性改變的情況下，大航程船舶不太可能成為完全電氣化的最合適選擇，而運行在內(nèi)河航線的中小型船舶更具優(yōu)勢。

4 一型電動船的總體設(shè)計案例分析

本節(jié)以航行于內(nèi)河B 級航區(qū)的某純電池電力推進集裝箱船為例，給出已應(yīng)用的純電池電動船的總體設(shè)計方案。該船為了響應(yīng)國家節(jié)能減排及碳中和的號召，設(shè)計了4 個集裝箱式電池作為推進動力及全船電源?？紤]了內(nèi)河支線航道航速很低，主機的負荷率極低，為了進一步解決主機在低負荷下的耗能高的問題，設(shè)置變頻電力推進，在船舶航行于限制航道的時候使用。

4.1 主要尺度

表1 為該船的主要技術(shù)參數(shù)。該船為2000 噸級純電池電力推進集裝箱船，其推進及電源系統(tǒng)采用2臺330kW 的電力直驅(qū)全回轉(zhuǎn)對轉(zhuǎn)舵槳，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。采用4 個集裝箱磷酸鐵鋰電池，額定容量1680KWh。其航速和續(xù)航力在吃水3.2m 狀態(tài)下，在兩臺對轉(zhuǎn)舵槳各獲得350 kW 功率下，設(shè)計航速～14km/h，滿載排水量2620 噸。在不更換箱式電池的情況下，連續(xù)續(xù)航時間8 小時。載重量上，該船用于裝載20 英尺的標準集裝箱，設(shè)計最大箱數(shù)為96 標準箱+4 電池標準箱。

表1 船舶主要技術(shù)參數(shù)

4.2 總體布置

該船為集裝箱電池驅(qū)動對轉(zhuǎn)舵槳推進、鋼質(zhì)全焊接、單甲板、尾機型、首甲板室，采用二臺CRP350 對轉(zhuǎn)舵槳為主動力的集裝箱。該船貨艙區(qū)為縱骨架式、雙底雙舷側(cè)、長大艙口結(jié)構(gòu)，設(shè)置有抗扭箱。首/尾部及機艙區(qū)為橫骨架式、單底、單舷側(cè)結(jié)構(gòu)?？傮w布置示意圖如圖1 所示。

圖1 2000 噸級純電池電力推進集裝箱船總布置示意圖

5 結(jié)論

本文分析了船用集裝箱式電池儲能系統(tǒng)、智能能效系統(tǒng)、船舶成本分析等，并通過某純電集裝箱船案例分析，確定了由可再生電力驅(qū)動的電池電動船舶為減少內(nèi)河航線的航運排放提供的應(yīng)用可行性。同時，快速改進電池技術(shù)可能使直接電氣化在航運業(yè)脫碳方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，盡管直接電氣化已成為零排放航運技術(shù)上可行且具有成本效益的途徑，但成熟的應(yīng)用和推廣仍需解決若干挑戰(zhàn)。