內(nèi)河電動(dòng)船舶換電技術(shù)試點(diǎn)推廣研究

梁譯尹，劉雋

（1.交通運(yùn)輸部政策研究室，北京 100000 ；2.中國(guó)船級(jí)社上海分社，上海 200120）

1 內(nèi)河電動(dòng)船舶換電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2022 年12 月8 日，中遠(yuǎn)海運(yùn)2 艘700 標(biāo)箱長(zhǎng)江干線電動(dòng)集裝箱船在江蘇揚(yáng)州投建。該船是以集裝箱式移動(dòng)電源為動(dòng)力的萬(wàn)噸級(jí)江海直達(dá)船，船長(zhǎng)119.8 米、型寬23.6 米、型深9 米，設(shè)計(jì)吃水5.5 米，配裝36 個(gè)20英尺標(biāo)箱（下同）箱式電源、2 臺(tái)900 千瓦交流異步推進(jìn)電機(jī)，設(shè)計(jì)航速10.5 節(jié)每小時(shí)，單次續(xù)航里程約380公里。配套岸基換電技術(shù)，在武漢、南京等港口布置換電碼頭實(shí)現(xiàn)分段續(xù)航，每次換電作業(yè)時(shí)長(zhǎng)僅20～30 分鐘。這種以集裝箱式移動(dòng)電源作為動(dòng)力源、岸基換電續(xù)航的萬(wàn)噸級(jí)江海直達(dá)船在長(zhǎng)江干線以船隊(duì)運(yùn)營(yíng)尚屬國(guó)內(nèi)首次。與此前國(guó)內(nèi)投用的64 標(biāo)箱、120 標(biāo)箱換電式集裝箱船相比，該船在裝載能力、續(xù)航里程方面均實(shí)現(xiàn)了新的突破，標(biāo)志著內(nèi)河電動(dòng)船舶換電技術(shù)從研發(fā)進(jìn)一步邁向應(yīng)用。

1.1 研發(fā)應(yīng)用和市場(chǎng)推廣成果

內(nèi)河電動(dòng)船舶核心設(shè)備包括電源系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和電推系統(tǒng)，集裝箱式移動(dòng)電源系指采用集裝箱的箱體作為電池安裝平臺(tái)的蓄電池電源系統(tǒng)，通過(guò)吊裝實(shí)現(xiàn)電池組替換。與直充模式相比，使用換電技術(shù)的船舶具有能源補(bǔ)充快、不占用碼頭岸線等優(yōu)勢(shì)，有利于提高港口周轉(zhuǎn)效率和船舶運(yùn)輸效率。

從國(guó)外看，目前挪威、荷蘭等國(guó)家相關(guān)企業(yè)已相繼投用或正在建造以集裝箱式移動(dòng)電源為動(dòng)力的中小型內(nèi)河船舶。從國(guó)內(nèi)看，2022 年2 月，湖北首艘120 標(biāo)箱電動(dòng)集裝箱船（換電）開(kāi)工建造；10 月，江蘇省交通運(yùn)輸廳與省港口集團(tuán)聯(lián)合推動(dòng)的120 標(biāo)箱電動(dòng)集裝箱船（換電）“江遠(yuǎn)百合”號(hào)投入京杭運(yùn)河運(yùn)營(yíng)；11 月，安徽蕪湖—合肥105 標(biāo)箱電動(dòng)集裝箱船（換電）示范項(xiàng)目投入運(yùn)營(yíng)；12 月，中遠(yuǎn)海運(yùn)2 艘700 標(biāo)箱電動(dòng)集裝箱船（換電）在揚(yáng)州開(kāi)工建造。相關(guān)企業(yè)也加快產(chǎn)業(yè)布局，中遠(yuǎn)海運(yùn)組建“中國(guó)電動(dòng)船舶創(chuàng)新聯(lián)盟”，以長(zhǎng)江流域?yàn)橹攸c(diǎn)進(jìn)行示范應(yīng)用，推動(dòng)船舶企業(yè)、港口企業(yè)、電池生產(chǎn)企業(yè)、船舶設(shè)計(jì)建造企業(yè)、電動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)企業(yè)、充換電配套服務(wù)企業(yè)、金融企業(yè)、技術(shù)認(rèn)證單位和科研機(jī)構(gòu)加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈合作；國(guó)家電投成立“科技+金融服務(wù)”產(chǎn)業(yè)平臺(tái)，積極拓展船舶換電業(yè)務(wù)。

與此同時(shí)，多地政府加大產(chǎn)業(yè)扶持力度。福建省出臺(tái)《2022 年福建省電動(dòng)船舶產(chǎn)業(yè)發(fā)展試點(diǎn)示范實(shí)施方案》，對(duì)電推系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)、電動(dòng)船舶制造企業(yè)、通過(guò)融資租賃直租方式購(gòu)入電動(dòng)船舶的單位、電池租賃企業(yè)給予定量資金補(bǔ)助。湖北省印發(fā)《湖北省支持綠色智能船舶產(chǎn)業(yè)發(fā)展試點(diǎn)示范若干措施》，支持充（換）電基礎(chǔ)設(shè)施、綠色航運(yùn)綜合服務(wù)區(qū)等配套設(shè)施建設(shè)和升級(jí)改造，對(duì)電池、電機(jī)、箱式電源、電池系統(tǒng)、充換電設(shè)備等上下游企業(yè)以及投資改造的船舶企業(yè)予以定量資金補(bǔ)助?！渡虾Ｊ薪煌ü?jié)能減排專項(xiàng)扶持資金管理辦法》規(guī)定，對(duì)新增電動(dòng)船舶項(xiàng)目，按照動(dòng)力系統(tǒng)成本30%予以補(bǔ)貼。《廣州港口船舶排放控制補(bǔ)貼資金管理辦法》亦規(guī)定，對(duì)電動(dòng)船舶按照動(dòng)力系統(tǒng)（包括電池及電推系統(tǒng)）予以定量補(bǔ)貼?？傮w上看，隨著技術(shù)突破，船舶換電市場(chǎng)滲透率呈上升趨勢(shì)。

1.2 制約因素

內(nèi)河電動(dòng)船舶換電技術(shù)在推廣上也存在一些制約因素，主要表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范缺失和經(jīng)濟(jì)性約束。

一是在產(chǎn)品方面，各廠商研發(fā)生產(chǎn)的集裝箱式移動(dòng)電源在電池容量、充換電指標(biāo)、接口等方面尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，定期檢測(cè)、維修保養(yǎng)也無(wú)統(tǒng)一規(guī)范，未來(lái)可能存在產(chǎn)品兼容性問(wèn)題。此外，電池全周期管理、梯次利用、拆解回收方案仍需要進(jìn)一步研究完善。

二是在管理方面，集裝箱式移動(dòng)電源在應(yīng)用上具有船上使用、岸基吊裝更換、陸路轉(zhuǎn)運(yùn)、換電場(chǎng)站充電和存放等多種場(chǎng)景，由于缺乏該類電源轉(zhuǎn)運(yùn)、配載以及換電場(chǎng)站建設(shè)、運(yùn)營(yíng)的安全管理體系和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，電池的陸路轉(zhuǎn)運(yùn)、吊裝更換、船上使用等場(chǎng)景應(yīng)用與道路水路危險(xiǎn)品貨物運(yùn)輸、港口危險(xiǎn)貨物重大危險(xiǎn)源管理之間的關(guān)系仍需進(jìn)一步厘清確定。

三是在經(jīng)濟(jì)性方面，電動(dòng)船初始建造成本比燃油船高1 倍左右，其中電池的初期投資成本一般占到電動(dòng)船舶本體費(fèi)用的 50%以上，且電池使用壽命僅為10 年（船舶使用壽命一般可達(dá)30 年），期間電池更替成本可觀。此外，換電場(chǎng)站對(duì)選址、安防、設(shè)備、管理的要求高，投資需求大。

四是在技術(shù)方面，目前的電動(dòng)船較多采用鋰離子電池作為船用電池，受限電池能量密度，電動(dòng)船的單次續(xù)航能力存在一定限制。電池技術(shù)瓶頸有待進(jìn)一步研發(fā)突破。

2 內(nèi)河電動(dòng)船舶換電技術(shù)應(yīng)用前景

2.1 內(nèi)河船動(dòng)力脫碳是交通運(yùn)輸降碳的重要目標(biāo)

根據(jù)國(guó)際能源署、交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院新近公開(kāi)核算數(shù)據(jù)，綜合節(jié)能減排和新冠疫情影響，2021 年我國(guó)交通運(yùn)輸碳排放量約10.6 億噸（不含國(guó)際航空運(yùn)輸和遠(yuǎn)洋航運(yùn)），較2020 年增長(zhǎng)8.9%。其中，公路客運(yùn)（含家用汽車，下同）、公路貨運(yùn)、鐵路、航空、航運(yùn)（含內(nèi)河、沿海）分別占比40.9%、47.8%、0.7%、5.3%、5.3%。

如僅看運(yùn)輸設(shè)備，以2035 年基本實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸碳達(dá)峰為目標(biāo)，公路客運(yùn)、公路貨運(yùn)降碳權(quán)重最大，需通過(guò)節(jié)能減排、新能源替代、調(diào)整運(yùn)輸結(jié)構(gòu)等方式逐步實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和；鐵路運(yùn)輸脫碳確定性最高，可通過(guò)提高電氣化率基本實(shí)現(xiàn)近零碳；受燃料技術(shù)限制和貨物周轉(zhuǎn)量影響，航空和遠(yuǎn)洋、沿海航運(yùn)降碳脫碳難度最大，需依靠生物質(zhì)燃油、甲醇、氫能替代技術(shù)和碳捕集技術(shù)的發(fā)展成熟實(shí)現(xiàn)降碳。內(nèi)河航運(yùn)是航運(yùn)領(lǐng)域中降碳脫碳潛力最大、可行性最高、技術(shù)相對(duì)最成熟的子領(lǐng)域，先行推動(dòng)內(nèi)河船動(dòng)力降碳脫碳，有利于促進(jìn)綜合交通運(yùn)輸綠色低碳發(fā)展。

2.2 綠電較其他類型船舶低碳動(dòng)力更具規(guī)模優(yōu)勢(shì)

船舶低碳動(dòng)力的來(lái)源主要包括電能、LNG、甲醇、氫能四種能源。由于國(guó)內(nèi)氫燃料電池技術(shù)發(fā)展尚未成熟，因此，我們主要比較LNG、甲醇和電能在內(nèi)河船舶動(dòng)力替代上的優(yōu)劣。

2.2.1 LNG 動(dòng)力

從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，以LNG 作為內(nèi)河船舶替代能源的溢價(jià)較高，技術(shù)過(guò)渡性、對(duì)外依存性強(qiáng)。

一是燃料經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題。據(jù)測(cè)算，新建和改造一艘1000 噸級(jí)LNG 動(dòng)力船分別需500 萬(wàn)元、100 萬(wàn)元，初始投資比同類型柴油動(dòng)力船高出30%。而2022 年受國(guó)際局勢(shì)影響，國(guó)內(nèi)LNG 全年均價(jià)為6354 元每噸，同比增長(zhǎng)28.01%，比2019 年全年均價(jià)幾乎翻了一番，綜合考慮氣價(jià)和國(guó)內(nèi)運(yùn)價(jià)變化，設(shè)備投資回收期進(jìn)一步拉長(zhǎng)。

二是燃料補(bǔ)給網(wǎng)的問(wèn)題。根據(jù)交通運(yùn)輸部辦公廳印發(fā)的《長(zhǎng)江干線京杭運(yùn)河西江航運(yùn)干線液化天然氣加注碼頭布局方案（2017-2025 年）》，到2025 年前，要基本建成長(zhǎng)江干線、京杭運(yùn)河、西江航運(yùn)干線LNG 加注碼頭體系，長(zhǎng)江干線布局45 處LNG 加注碼頭。但在實(shí)際推進(jìn)中，LNG 加注站審批手續(xù)復(fù)雜，建設(shè)申報(bào)涉及發(fā)展和改革、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)、水利、海事和港航等10 余個(gè)部門，缺乏牽頭協(xié)調(diào)部門。截至2022 年底，全國(guó)LNG 船舶加注站共31 座，其中運(yùn)營(yíng)僅5 座、已建成未運(yùn)營(yíng)12 座、在建14 座。以重慶巴南麻柳LNG 加注站為例，2011—2017 年陸續(xù)獲得政府部門審批，項(xiàng)目一期投資約1.5 億元，一年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用近1000 萬(wàn)元。但自2019 年試運(yùn)營(yíng)以來(lái)，只有50 余航次加注業(yè)務(wù)，收入不足百萬(wàn)元，一直處于虧損狀態(tài)。此外，LNG 存儲(chǔ)供應(yīng)涉及港口岸線用地規(guī)劃問(wèn)題，布局推廣難度較大。

三是燃料對(duì)外依存度的問(wèn)題。我國(guó)是富煤貧油少氣國(guó)家，2022 年全國(guó)天然氣表觀消費(fèi)量（即當(dāng)年產(chǎn)量加上凈進(jìn)口量）為3663 億立方米，進(jìn)口天然氣10925 萬(wàn)噸（按每噸天然氣1390 立方米計(jì)算，約合1518.58 億立方米），進(jìn)口占比約41%。如進(jìn)一步推廣內(nèi)河船舶LNG 動(dòng)力化，則國(guó)際天然氣交易價(jià)格將持續(xù)影響我國(guó)內(nèi)河運(yùn)價(jià)結(jié)構(gòu)。

四是技術(shù)過(guò)渡性的問(wèn)題。從全球氣候變化來(lái)看，生物燃料參與全球現(xiàn)代碳循環(huán)，從碳循環(huán)中吸收二氧化碳，燃燒時(shí)又釋放出二氧化碳，二氧化碳達(dá)到平衡；而化石燃料燃燒只增加了現(xiàn)代碳循環(huán)中的二氧化碳含量，促進(jìn)了全球氣候變暖。作為化石能源，天然氣氫碳比較煤和石油要高，在相同的質(zhì)量下，熱值比煤和石油高。獲得相同單位熱量下，天然氣排放的二氧化碳數(shù)比石油產(chǎn)品和煤排放得少，但并非零碳排放燃料。與此同時(shí)，天然氣主要由甲烷構(gòu)成，如在生產(chǎn)運(yùn)輸使用過(guò)程中發(fā)生甲烷逃逸，則其產(chǎn)生的溫室效應(yīng)為二氧化碳的30 倍。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，大范圍推廣LNG，不能根本性實(shí)現(xiàn)內(nèi)河航運(yùn)零碳目標(biāo)。

2.2.2 甲醇動(dòng)力

以甲醇作為內(nèi)河船舶替代能源技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性較差。

一是甲醇熱值低，大約只有燃油的一半。相同船型使用甲醇燃料就需要設(shè)計(jì)更大的燃料艙，影響經(jīng)濟(jì)性。

二是適用內(nèi)河船舶的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)目前處于研發(fā)階段，商業(yè)化應(yīng)用尚未成熟。

三是甲醇為非零碳燃料，在同等熱值下若要實(shí)現(xiàn)碳中和，需從空氣中捕捉CO2，并采用綠電電解水產(chǎn)生H2后生成甲醇（總反應(yīng)：2CO2+4H2O=電解=2CH3OH+3O2），該工藝的制造成本是燃油的3 倍以上，經(jīng)濟(jì)性差。

2.2.3 電能動(dòng)力

與LNG、甲醇相比，電能經(jīng)濟(jì)性好、更可持續(xù)。主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

一是價(jià)格優(yōu)勢(shì)。以80 標(biāo)箱內(nèi)河集裝箱船舶為例，燃油船舶平均每公里油耗當(dāng)下約為5 千克（45 元），純電船舶平均每公里電耗約為18 千瓦時(shí)（13 元）。按照集裝箱式移動(dòng)電源營(yíng)運(yùn)期為10 年，應(yīng)用經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率反向測(cè)算，當(dāng)年節(jié)約成本在130 萬(wàn)元時(shí)，應(yīng)用純電動(dòng)內(nèi)河集裝箱船舶具有經(jīng)濟(jì)效益。

二是零碳優(yōu)勢(shì)。電池放電過(guò)程中不產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，船舶終端碳排放將全部轉(zhuǎn)移至發(fā)電上游。

三是電動(dòng)船舶更容易實(shí)現(xiàn)智能化無(wú)人化。全球首艘無(wú)人集裝箱船“Yara Birkeland”號(hào)（120 標(biāo)箱）即采用6.8兆瓦時(shí)電池的純電動(dòng)船舶。

四是再生能源利用優(yōu)勢(shì)。我國(guó)當(dāng)前風(fēng)電光伏發(fā)電不穩(wěn)定，發(fā)電量占比不高，儲(chǔ)能問(wèn)題是關(guān)鍵。截至2022年底，全國(guó)風(fēng)電光伏發(fā)電裝機(jī)突破了7 億千瓦，2022年風(fēng)電光伏新增裝機(jī)占全國(guó)新增裝機(jī)的78%，新增風(fēng)電光伏發(fā)電量占全國(guó)當(dāng)年新增發(fā)電量的55%以上。隨著蓄能和電消納技術(shù)快速發(fā)展，未來(lái)可進(jìn)一步替代火電機(jī)組，形成以可再生能源為主流、火電輔助穩(wěn)定的能源結(jié)構(gòu)。

2.3 換電模式較靠岸充電模式更加安全節(jié)約高效

一是建設(shè)集中式換電站較傳統(tǒng)岸電充電站對(duì)岸線資源的利用率更高，避免電動(dòng)船舶長(zhǎng)時(shí)間充電占用岸線，提高運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)。電池集中管理更便于電池溯源和梯次利用。

二是標(biāo)準(zhǔn)化程度高，可以使用通用的集裝箱電池儲(chǔ)能單元。

三是船舶換電站的建設(shè)只需要針對(duì)幾條主要航道建設(shè)，可以批量規(guī)?；褂?，覆蓋難度相對(duì)較小。

四是換電模式可以船電分離，船東只需負(fù)擔(dān)除動(dòng)力源外的船舶費(fèi)用，集裝箱式移動(dòng)電源可以通過(guò)租賃使用。換電站提供的充換電服務(wù)按照實(shí)際用電量進(jìn)行度電收費(fèi)，與船舶運(yùn)費(fèi)收入匹配，大幅降低了船東初次投資的負(fù)擔(dān)。同時(shí)，換電船舶省去了傳統(tǒng)燃油船舶全生命周期中高昂的發(fā)動(dòng)機(jī)維修保養(yǎng)成本，結(jié)合油電能源成本的價(jià)差，在同等高效運(yùn)營(yíng)的情況下，換電船舶較同等配置的燃油船舶可實(shí)現(xiàn)較高的經(jīng)濟(jì)性價(jià)值。

五是可在20～30 分鐘完成換電過(guò)程，便捷性極大提高，可極大保證船舶營(yíng)運(yùn)效率。

六是集裝箱式移動(dòng)電源可采取統(tǒng)一慢充方式，避免快充而引起的電池壽命問(wèn)題。電池集裝箱換下后進(jìn)行集中充電管理，安全可控，大幅降低充電過(guò)程中的電池自燃概率，充電方式平穩(wěn)可控，提升梯次利用價(jià)值。

七是集裝箱式移動(dòng)電源可在用電低谷時(shí)段充電，起到“削峰填谷”作用，充電方式平穩(wěn)可控，對(duì)電網(wǎng)友好。

八是電池租賃公司可以根據(jù)用戶需求調(diào)配集裝箱式移動(dòng)電源供給，保障航運(yùn)企業(yè)需求與移動(dòng)電源利用率最大化。

因此，我們認(rèn)為換電技術(shù)路線可作為內(nèi)河船舶電動(dòng)化的首選技術(shù)路線。

3 關(guān)于試點(diǎn)推廣內(nèi)河電動(dòng)船舶換電技術(shù)的建議

一是研究出臺(tái)專項(xiàng)規(guī)劃。以長(zhǎng)江、西江干線流域?yàn)槭痉秴^(qū)，對(duì)水水聯(lián)運(yùn)、港內(nèi)航行、定線航行等的內(nèi)河集裝箱船舶實(shí)施試點(diǎn)推廣，支持地方和有關(guān)企業(yè)在沿線港口配設(shè)船舶換電作業(yè)設(shè)備設(shè)施、建設(shè)換電場(chǎng)站，推進(jìn)船舶升級(jí)，進(jìn)一步提高內(nèi)河電動(dòng)船舶換電技術(shù)滲透率，并為該技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)提供豐富應(yīng)用場(chǎng)景和有效市場(chǎng)需求。

二是聯(lián)合制定產(chǎn)業(yè)政策。聯(lián)合發(fā)展改革、工業(yè)和信息化、財(cái)政、稅務(wù)等部門制定有關(guān)政策，引導(dǎo)中央和地方財(cái)政適度加強(qiáng)對(duì)內(nèi)河電動(dòng)船舶建（改）造，換電技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，集裝箱式移動(dòng)電源租賃、維修、回收等上下游企業(yè)的財(cái)稅支持，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)健康規(guī)范發(fā)展。

三是加快完善標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圍繞構(gòu)建統(tǒng)一開(kāi)放交通運(yùn)輸市場(chǎng)，會(huì)同發(fā)展改革、工業(yè)和信息化、生態(tài)環(huán)境、應(yīng)急管理等部門，加快完善內(nèi)河電動(dòng)船舶電池動(dòng)力、箱式電源和換電技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。重點(diǎn)完善集裝箱式移動(dòng)電源的產(chǎn)品規(guī)格和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，陸路轉(zhuǎn)運(yùn)、碼頭作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，充電場(chǎng)站建設(shè)、安防、存放、充電等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，更好統(tǒng)籌發(fā)展和安全。

四是更好發(fā)揮協(xié)會(huì)作用。引導(dǎo)港口協(xié)會(huì)、船東協(xié)會(huì)、航海學(xué)會(huì)等發(fā)揮聯(lián)系政府、服務(wù)企業(yè)、促進(jìn)行業(yè)自律的作用，圍繞內(nèi)河船舶動(dòng)力降碳脫碳開(kāi)展綜合性產(chǎn)業(yè)性研究，吸收企業(yè)和機(jī)構(gòu)在技術(shù)研發(fā)、管理運(yùn)營(yíng)等方面創(chuàng)新成果，推廣應(yīng)用先進(jìn)適用技術(shù)和管理模式，協(xié)助政府推動(dòng)內(nèi)河航運(yùn)綠色低碳發(fā)展，幫助企業(yè)開(kāi)拓市場(chǎng)、解決爭(zhēng)端，促進(jìn)船舶、港口、科技、能源、金融企業(yè)和科研院校集成創(chuàng)新。