古偉華,黎世斌
(中國能源建設(shè)集團(tuán)投資有限公司南方分公司,廣東 廣州 510623)
在綜合交通運(yùn)輸體系當(dāng)中,水運(yùn)具有運(yùn)量大、成本低、綠色低碳的顯著優(yōu)勢。黨的十八大以來,我國已經(jīng)成為世界上具有重要影響力的水運(yùn)大國,總體規(guī)模保持世界第一。到2021 年底,我國內(nèi)河航道的通航里程有12.8 萬km,其中高等級航道超過1.6 萬km,擁有生產(chǎn)用碼頭泊位20 867 個(gè),萬噸級及以上的泊位是2659 個(gè),基本形成了長三角、津冀、粵港澳等世界級的港口群。
內(nèi)河航運(yùn)業(yè)蓬勃發(fā)展,但傳統(tǒng)船舶燃燒的柴油排放二氧化碳、硫氧化物等氣體,對流域生物及沿線環(huán)境造成了極大的影響。在全球減碳的背景下,船舶動(dòng)力燃料的選擇也被認(rèn)為是航運(yùn)業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色減碳的關(guān)鍵[1]。為盡早實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo),我國已著手加大新能源、清潔能源在航運(yùn)業(yè)的推廣應(yīng)用力度,推廣液化天然氣(liquefied natural gas, LNG)節(jié)能環(huán)保船舶,探索發(fā)展純電力、燃料電池等動(dòng)力船舶[2],未來低碳甚至零碳排放船舶將成為趨勢。而在眾多技術(shù)路線中,隨著電池的能量密度的提升,成本的不斷下降,船舶電動(dòng)化是當(dāng)前最受關(guān)注的方向之一。
據(jù)統(tǒng)計(jì),西江內(nèi)河流域約有大小船舶5 萬艘,僅僅年燃油消耗量就超過2800 萬t,是生態(tài)負(fù)荷較重的區(qū)域之一。相比燃油船舶,電動(dòng)船舶應(yīng)用具有零廢氣、零污染、零碳排放以及超低噪聲、無振動(dòng)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。與常規(guī)燃油相比,清潔能源作為燃料使用卻存在風(fēng)險(xiǎn)。LNG、甲醇、氨等清潔能源大多具有易燃易爆、生物毒性、材料兼容性等特點(diǎn),部分燃料還需要低溫甚至超低溫儲(chǔ)存[3]。此外,將甲醇、氫、氨等清潔燃料應(yīng)用于船用燃料的技術(shù)在國內(nèi)外都剛起步,關(guān)鍵技術(shù)還處于研發(fā)或試點(diǎn)階段,短時(shí)間內(nèi)尚不具備在船舶上規(guī)模化商用的條件。
因此,世界各國都嘗試采用光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等新能源作為動(dòng)力來源[4],經(jīng)過很長一段時(shí)間的研究,新能源在船舶上應(yīng)用已有很多成功的案例。全球多個(gè)有影響力的船舶企業(yè)紛紛發(fā)布新能源技術(shù)在船舶上應(yīng)用的工藝、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),為新能源動(dòng)力系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用提供了很好的商業(yè)應(yīng)用支撐。但目前新能源只能在噸位較小的船上使用,無法解決大噸位運(yùn)輸船的問題。
純電池動(dòng)力船的建設(shè)和使用,將簡化整個(gè)船舶的系統(tǒng)設(shè)計(jì),大大降低造船和船舶使用的成本。電池倉儲(chǔ)存的電能做為主電源或備用應(yīng)急電源部分替代原有的動(dòng)力提供裝置,甚至完全采用電池倉電能作為動(dòng)力而完全替代原有的燃油發(fā)電機(jī)組,使整個(gè)造船成本相應(yīng)降低。而為了適應(yīng)當(dāng)前的內(nèi)河運(yùn)輸環(huán)境,將存量的油船改造為純電船也是可行的。目前,國內(nèi)已經(jīng)有油船改電船的成功案例。例如,由國網(wǎng)江蘇電力聯(lián)合相關(guān)部門和企業(yè)共同打造的“船聯(lián)1 號(hào)”[5-6]拆除了原來的柴油動(dòng)力系統(tǒng),將其更換成兩組總重34 t 的可移動(dòng)磷酸鐵鋰電池。整船電池容量約為2200 kW·h,相當(dāng)于約30 臺(tái)電動(dòng)轎車的電池容量。電動(dòng)船若設(shè)計(jì)可續(xù)航120 km 以上,則其每次充電時(shí)間為3 h,而更換電池艙后則僅需要10 min 充電時(shí)間。經(jīng)濟(jì)上,油改用電后降低使用成本超60%,使用電船每年二氧化碳排放量可減少960 t。
船舶動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要在惡劣的環(huán)境下依然保持良好的能源供給,而如今風(fēng)電-光電互補(bǔ)技術(shù)也得到了一定程度的開發(fā)和應(yīng)用。例如,在2000 年澳大利亞開發(fā)出世界上第一艘商用太陽能和風(fēng)能混合動(dòng)力雙體客船[7],這是一種既可以單獨(dú)使用太陽能轉(zhuǎn)換為電能的形式,也可以單獨(dú)使用風(fēng)能的形式,還可以復(fù)合使用兩種能源的新型船舶。
當(dāng)前,新能源或復(fù)合新能源在船舶上的運(yùn)用依然難以滿足持續(xù)的能源需求。到目前為止,內(nèi)河運(yùn)輸主要面臨柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)、碳排放、對水體有污染、成本高等問題,一些解決方案是推動(dòng)LNG 船、氫能船和氨氣、甲醇燃料船的應(yīng)用,但加注燃料的選點(diǎn)要求高,導(dǎo)致這些方案難以實(shí)現(xiàn)。對于風(fēng)電和光伏上船,其難點(diǎn)是船舶的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,空間有限。根據(jù)上述新能源船舶發(fā)展現(xiàn)狀,采用上述新能源為船舶提供電能有潛在優(yōu)勢,但卻難以滿足遠(yuǎn)程船舶運(yùn)作的用電需求。為此需要為電動(dòng)船舶發(fā)展尋求一條分散式風(fēng)電+儲(chǔ)能+船舶靠岸換電池的低碳可持續(xù)發(fā)展路線。
(1)風(fēng)電:我國風(fēng)力發(fā)電商業(yè)開發(fā)從1994 年開始起步,得到迅速發(fā)展,行業(yè)并網(wǎng)裝機(jī)容量持續(xù)增長。據(jù)資料顯示,2021 年我國風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)3.28 億kW,同比增長16.6%;占總裝機(jī)容量的13.81%,發(fā)電量占比為7.1%。風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)已經(jīng)非常成熟。陸上5 MW 的風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)逐步成為新裝機(jī)主流。以一臺(tái) 5 MW 的風(fēng)機(jī)為例,在全年平均風(fēng)速為5 m 的情況下,年均滿發(fā)小時(shí)數(shù)可以達(dá)到2000 h,一年的發(fā)電量可以超過1000 萬kW·h。單位發(fā)電成本可以控制在0.35 元(/kW·h)左右。
(2)電池倉:在國內(nèi)新能源發(fā)電規(guī)模大幅增長、鋰電池成本持續(xù)下降的推動(dòng)下,電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模一直保持高速增長的趨勢。據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2021 年我國電化學(xué)儲(chǔ)能投運(yùn)規(guī)模達(dá)到1.87 GW,累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到5.51 GW,同比增長68.5%。未來5 年,隨著分布式光伏、分散式風(fēng)電等分布式能源的大規(guī)模推廣,電化學(xué)儲(chǔ)能行業(yè)將面臨更廣闊的市場發(fā)展空間。目前主流的電化學(xué)儲(chǔ)能主要有3 種:鉛酸電池、三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。中國電池技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn),電池產(chǎn)品的應(yīng)用也在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了創(chuàng)新和突破。其中寧德時(shí)代在重卡換電領(lǐng)域已有多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),其電池在環(huán)境惡劣的情況下,能夠?qū)崿F(xiàn)5000次以上的充放電。船用電池倉的工作環(huán)境更好,一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的20 尺集裝箱電池倉,可以集成整個(gè)電池動(dòng)力、空調(diào)消防、電力自控、逆變系統(tǒng)等,可以實(shí)現(xiàn)1.5~2.0 MW·h 的電力存儲(chǔ),技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,每兆瓦時(shí)的成本可以控制在200 萬元左右。
(3)岸電碼頭:一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的換電碼頭,可以布置兩臺(tái)5 MW 的分散式風(fēng)機(jī),搭配6 個(gè)2 MW 的儲(chǔ)能電池倉,配置一臺(tái)30 t 岸吊,再配合一個(gè)專門的換電專用APP,能夠?qū)崟r(shí)顯示各個(gè)換電站電池的數(shù)量及各電池倉的充電量,能夠顯示平臺(tái)內(nèi)全部電池的實(shí)時(shí)位置及剩余電量,能夠提前預(yù)訂電池及進(jìn)行相關(guān)費(fèi)用結(jié)算。此類型碼頭的設(shè)計(jì)中,前期有人值守,遠(yuǎn)期實(shí)現(xiàn)無人值守,可以由一般船員按規(guī)程自行完成操作。
西江河道橫跨廣東、廣西、云南、貴州4 個(gè)省、自治區(qū),流經(jīng)廣西大部分經(jīng)濟(jì)增速較快城市,全長約3000 km。其中,廣州至南寧航段的航行里程就達(dá)到854 km。西江運(yùn)力僅次于長江。西江河流域約有2 萬多艘2000 t 以上的散貨運(yùn)輸船舶,僅年燃油消耗量就超過1500 萬t,因此,對西江航道船舶實(shí)施油改電綠色節(jié)能改造將對保護(hù)水體環(huán)境及減碳起到關(guān)鍵作用。為實(shí)現(xiàn)持續(xù)船運(yùn)供電,可以沿河道建設(shè)新能源換電站,同時(shí)解決船舶綠色用電問題。
首先,政府出臺(tái)相關(guān)油改電扶持政策,鼓勵(lì)和補(bǔ)貼內(nèi)河運(yùn)輸船油改電;其次,依托西江上現(xiàn)有火力發(fā)電廠的設(shè)備吊裝碼頭,建設(shè)內(nèi)河新能源換電站,近期實(shí)現(xiàn)每100 km 布局一個(gè)換電站,遠(yuǎn)期實(shí)現(xiàn)每50 km左右布置一個(gè)換電站,形成從廣州到廣西貴港全航道覆蓋;再次,建立統(tǒng)一的電池倉技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),以全產(chǎn)業(yè)配套提高電動(dòng)船的比例,實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展目標(biāo);最后,以西江為試點(diǎn),進(jìn)一步推廣至全珠江流域乃至全國,形成油改電、電池供應(yīng)全新的萬億產(chǎn)業(yè)鏈。
(1)保障措施:國家出臺(tái)電動(dòng)船改裝補(bǔ)貼政策,以加快電動(dòng)船產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)等形式新能源內(nèi)河船舶上落實(shí)補(bǔ)貼政策,將對行業(yè)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。同時(shí)出臺(tái)為純電動(dòng)船頒發(fā)綠證的相關(guān)政策,使純電動(dòng)船得以優(yōu)先通過河道船閘。
(2)換電站布局:西江流域有眾多的沿江火力發(fā)電廠,按航道圖布置核心換電站,約每100 km 一個(gè),估算需15~20 個(gè)換電站,布置換電站的核心站點(diǎn)為珠海電廠、三水恒益電廠、肇慶大旺國電電廠、云浮華潤西江電廠、梧州、貴港、南寧。用電廠的設(shè)備碼頭作為換電碼頭,在電廠的碼頭上布局換電站,有以下6 個(gè)方面的好處:①可以直接用現(xiàn)有的岸線,無須另外投入岸線費(fèi)用,即岸線改造的費(fèi)用較小。②通常電廠的設(shè)備碼頭就在煤碼頭邊上,離居民區(qū)較遠(yuǎn),便于分散式風(fēng)機(jī)的安裝及減少運(yùn)營噪聲對周邊居民影響。③可以綜合考慮倒塌等其他安全風(fēng)險(xiǎn)。④設(shè)備碼頭有足夠的儲(chǔ)能電池倉擺放空間,也利于以后的擴(kuò)容。⑤電廠本身有廠用電,在風(fēng)機(jī)出力不足的情況下,無須額外增容充電變壓容量。⑥通過碼頭充電,還能提高電廠直售電比例,提高電廠收益。所以,一期優(yōu)先選擇沿江火力發(fā)電廠的碼頭布置骨干換電站,二期再根據(jù)實(shí)際航道需要,加密布置普通換電站。
(3)制定統(tǒng)一電池倉標(biāo)準(zhǔn):聯(lián)系主要電池生產(chǎn)商,制定統(tǒng)一的電池接口標(biāo)準(zhǔn),確保所有換電電池倉運(yùn)維統(tǒng)一。電池倉可以由投資方以融資租賃的方式從電池廠采購,電池廠方負(fù)責(zé)整個(gè)運(yùn)行期維保。船東則以合適的價(jià)格租用。
(4)碼頭及岸吊:根據(jù)改動(dòng)的不同船型,在碼頭泊系時(shí)就要精準(zhǔn)停泊到位,在碼頭上安裝電池倉專用岸吊操作系統(tǒng),確保在斷電的情況下,能夠一鍵換電,全自動(dòng)化操作。
(5)綠電源解決方案:換電碼頭安裝新能源電力系統(tǒng),預(yù)計(jì)電費(fèi)為0.6~0.8 元/(kW·h)。每艘船在換電前,要提前在APP 上下單。換電站工作人員可以根據(jù)APP 實(shí)時(shí)信息提前準(zhǔn)備換電,同時(shí)了解可換電的電池倉數(shù)量及剩余電量。
(6)經(jīng)濟(jì)性測算:考慮電池倉成本和折舊費(fèi),換算單位用電成本為0.51~0.55 元/(kW·h)。而核心換電站要布置2~3 臺(tái)專用岸吊,同時(shí)計(jì)算電費(fèi)和人工費(fèi)折合為0.10~0.12 元/(kW·h);另外,碼頭系泊費(fèi)和服務(wù)費(fèi)折算出電費(fèi)為0.06~0.10 元/(kW·h)。全部按照最高的費(fèi)用計(jì)算,再考慮30%的社保、人工、服務(wù)費(fèi)、稅費(fèi)等綜合成本,即(綠電0.6+電池倉0.55+岸吊0.12+系泊費(fèi)用0.1)×1.3=1.78 元,遠(yuǎn)低于目前柴油機(jī)4 元/(kW·h)的成本。這樣可以促使更多的船東愿意油改電。
西江換電產(chǎn)業(yè)包含了油改電產(chǎn)業(yè)、電池倉產(chǎn)業(yè)、風(fēng)電、光伏新能源投資,這些產(chǎn)業(yè)5 年產(chǎn)值或投資額分別可達(dá) 750 億元、3900 億元和 2000 億元。此外,換電站基礎(chǔ)設(shè)施改擴(kuò)建、其他配套岸電及應(yīng)急母船投資約30 億元。推廣至全國,那就是一個(gè)萬億級的大市場。
(1)現(xiàn)在內(nèi)河運(yùn)輸每年總體貨運(yùn)量大約是35 億t,每年內(nèi)河的交通碳排放占總交通碳排放的8%~11%。按照西江航線油改電路線,每年可節(jié)能減排4800 萬t 溫室氣體,減少整體交通行業(yè)的碳排放量。還能夠降低我國石油對外依存度,減少石油的進(jìn)口量。
(2)對提升西江水質(zhì)具有重大意義。西江沿江居民總數(shù)超過1 億,西江水是沿江居民的飲用水源。保護(hù)好西江,就是保護(hù)好珠三角的母親河。
(3)為遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船的電動(dòng)化及遠(yuǎn)洋運(yùn)輸換電站的布局做好驗(yàn)證和試點(diǎn)。根據(jù)“先陸上、再海上”的原則,最終可解決遠(yuǎn)洋運(yùn)輸電動(dòng)船海上換電難題。
(4)拉動(dòng)油改電產(chǎn)業(yè)、儲(chǔ)能及電池倉行業(yè)、分布式能源行業(yè)的發(fā)展,推動(dòng)我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級,同時(shí)拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
(5)電動(dòng)船的運(yùn)維人員至少比燃油船少兩人,直接節(jié)約了運(yùn)行費(fèi)用,也緩解了航運(yùn)業(yè)船工招工難的問題。
(6)另外,相關(guān)的配套設(shè)施還可以形成國際標(biāo)準(zhǔn),向“一帶一路”國家輸出,為我國的相關(guān)造船、改船、電池設(shè)備、儲(chǔ)能實(shí)施、風(fēng)機(jī)設(shè)備出口奠定基礎(chǔ)。
(7)參與換電碼頭或換電站建設(shè)的火電廠提高了經(jīng)濟(jì)收益。既可以投資風(fēng)電,又優(yōu)化了電廠火電的處理,增加了發(fā)電廠的整體效益。
在西江上布局內(nèi)河換電站,覆蓋從廣州到廣西貴港的整個(gè)5000 t 航道,從而推動(dòng)油改電,在統(tǒng)一電池倉標(biāo)準(zhǔn)的前提下,可以提升電池的容量及安全性,在充放電次數(shù)、衰減性等得到解決的情況下,創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。而在換電碼頭上布置分散式的風(fēng)電和分布式的光伏,解決電源問題,必將使西江的內(nèi)河航運(yùn)減碳目標(biāo)得以早日實(shí)現(xiàn)。通過油改電,有效促進(jìn)了造船、改船、電池、儲(chǔ)能等技術(shù)水平的提高,同時(shí)提升了內(nèi)河航運(yùn)總量,為“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)及西江、珠江水質(zhì)的提升做出了積極的貢獻(xiàn)。