袁裕鵬，袁成清，徐洪磊，嚴(yán)新平,4，何琳

（1.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院，武漢 430063；2 國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430063；3.交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院，北京 100028；4.武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心，武漢 430063；5.海軍工程大學(xué)艦船振動與噪聲研究所，武漢 430034）

一、前言

隨著全球一體化的深入發(fā)展和市場競爭加劇，水運(yùn)行業(yè)在過去數(shù)十年間以追求高效化與低成本化為主要發(fā)展趨勢，是化石能源消耗與溫室氣體排放的重點(diǎn)領(lǐng)域之一[1]。國際海事組織等相關(guān)機(jī)構(gòu)出臺了一系列關(guān)于限制船舶排放的法規(guī)，各國也在不斷深入推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，以解決水運(yùn)行業(yè)能耗高、效率低的問題[2]。20 世紀(jì)60 年代以來，歐盟、美國、日本、澳大利亞等國家和地區(qū)開始著眼于水路交通與能源的融合發(fā)展，相關(guān)研究主要圍繞船舶與能源融合、港口與能源融合以及航道與能源融合3個方向進(jìn)行[3]；積極研制新能源船舶[4~7]，涉及太陽能、風(fēng)能、核能、氫能等能源形式，運(yùn)用純電動船、液化天然氣（LNG）內(nèi)燃機(jī)、氨內(nèi)燃機(jī)、甲醇內(nèi)燃機(jī)、氫內(nèi)燃機(jī)等動力形式。例如，2000年，世界首艘商用的風(fēng)能/太陽能混合動力雙體客船“Solar Sailer 號”在澳大利亞成功下水試航；2009年，世界首艘燃料電池船舶“Viking Lady號”海洋工程船改裝完成，配有功率為320 kW 的燃料電池動力系統(tǒng)。在我國，新能源船舶研究起步較晚，2022 年，國家工業(yè)和信息化部“綠色智能內(nèi)河船舶創(chuàng)新專項”示范船舶“長航貨運(yùn)001”輪在江蘇鎮(zhèn)江正式交付，是我國內(nèi)河首艘綠色智能船舶，設(shè)有“柴油主機(jī)+軸帶電機(jī)+LNG氣體燃料發(fā)電機(jī)組+鋰電池”的混合推進(jìn)系統(tǒng)；另外，新能源港口機(jī)械[8]、新能源航標(biāo)燈等相關(guān)研究及示范應(yīng)用也在逐步推進(jìn)。

水路交通行業(yè)用能以燃油消耗、煤炭消耗、電能消耗為主，尤其是燃油消耗占比仍然很高。根據(jù)我國碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)以及水路交通行業(yè)當(dāng)前的能源結(jié)構(gòu)，為應(yīng)對全球氣溫升高和能源危機(jī)，水路交通領(lǐng)域應(yīng)在傳統(tǒng)能源供應(yīng)基礎(chǔ)上，從能量供應(yīng)源頭改變用能形式，積極采用可再生能源；對我國內(nèi)河及沿海水路交通基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)載裝備的用能模式進(jìn)行必要調(diào)整，更好適應(yīng)能源形式的轉(zhuǎn)變。值得指出的是，水路交通綠色化的進(jìn)程離不開水路交通中使用能源的綠色化，離不開水路交通與新能源的深入融合。推動我國水路交通行業(yè)進(jìn)行綠色、低碳轉(zhuǎn)型，必然面臨包括內(nèi)河及沿海的綠色交通基礎(chǔ)設(shè)施布局、基礎(chǔ)設(shè)施的能源需求形態(tài)優(yōu)化、船舶動力系統(tǒng)能源多元化轉(zhuǎn)變、能源融合核心技術(shù)攻關(guān)和相關(guān)裝備研制在內(nèi)的多項挑戰(zhàn)，需要兼顧規(guī)劃、政策、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性等多個方面進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。

針對上述行業(yè)發(fā)展的迫切問題，我國已開展了相對充分的研究。具體包括在分析我國能源輸送總體格局的基礎(chǔ)上，研判能源輸送發(fā)展趨勢，提出推進(jìn)能源輸送網(wǎng)絡(luò)與綜合交通體系融合發(fā)展建議[9]；針對陸路交通系統(tǒng)，從技術(shù)角度探討交通能源融合發(fā)展運(yùn)行框架、控制方法，闡述能源系統(tǒng)與交通系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展涉及的關(guān)鍵技術(shù)[10]；針對水路交通中的港口能源系統(tǒng)，提出水路交通與能源融合規(guī)劃方法、運(yùn)行方法、評估指標(biāo)體系，兼顧運(yùn)營管理及技術(shù)應(yīng)用[11]。本文著眼國家亟需并提煉研究切入點(diǎn)，重點(diǎn)從我國水路交通行業(yè)出發(fā)，剖析行業(yè)用能特征及能源需求演化趨勢，分析內(nèi)河及沿海區(qū)域的自然稟賦并評估相應(yīng)交通基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)的能源化應(yīng)用潛力，提出我國水路交通與能源融合的發(fā)展路徑，以期帶動水路交通與能源高質(zhì)量融合的產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究。

二、我國水路交通的用能特征

（一）船舶的用能特征分析

表1 為不同動力形式船舶能源類型和能量傳遞方式。柴油機(jī)動力系統(tǒng)具有功率水平高、安全系數(shù)高等應(yīng)用優(yōu)勢，在船舶動力系統(tǒng)諸多配置形式中，占主導(dǎo)地位的是“柴油機(jī)-軸系-螺旋槳”的動力系統(tǒng)配置，為此水路載運(yùn)工具目前的用能特征仍然以采用船舶柴油機(jī)燃用輕/重柴油為主[12]，并在綜合考慮綠色環(huán)保、市場效益、技術(shù)成熟度等因素的情況下，輔以應(yīng)用包括柴油電力推進(jìn)形式、柴油與LNG雙燃料動力形式、多種清潔能源混合動力形式在內(nèi)的新型船舶動力系統(tǒng)，提升船舶的綠色化水平[13]。通過合適的參數(shù)設(shè)置和能量分配，多能源混合動力系統(tǒng)可以有效降低船舶的能耗和碳排放[14]。

表1 不同動力形式船舶能源類形和能量傳遞方式

（二）港口的用能特征分析

水路交通基礎(chǔ)設(shè)施能量消耗方式主要是港口裝備用能、交通用能、在港船舶用能等，包括港口機(jī)械和停泊船舶能源消耗兩大類[15]，如圖1所示?；A(chǔ)設(shè)施能源消耗主要分為電能和燃油兩大類。其中，電能占整體能源需求的主要部分，主要供給電力裝卸設(shè)備；燃油則主要用于運(yùn)輸作業(yè)車輛?？扛鄞暗脑缙谟媚苤饕峭２窗l(fā)電機(jī)消耗燃油發(fā)電來滿足；近年來靠港船舶則主要使用岸電系統(tǒng)，利用岸電設(shè)施為?？看疤峁┫鄬α畠r、高質(zhì)量、穩(wěn)壓穩(wěn)頻的電能，滿足船舶用能需求，從而減少柴油發(fā)電機(jī)組的使用，減少船舶燃油消耗，降低船舶運(yùn)營成本，優(yōu)化港區(qū)大氣環(huán)境，提高港口碼頭的競爭力。

基礎(chǔ)設(shè)施的能量需求主要由電能、燃油、煤炭、LNG等能源提供。其中，電能、煤炭、燃油滿足了絕大部分能量需求。電能主要用于裝卸運(yùn)輸機(jī)械用電、堆存保障用電、維護(hù)管理用電；柴油主要用于裝卸機(jī)械運(yùn)輸機(jī)械用油等；汽油主要用于車輛的公務(wù)通勤和維修用油等。

以天津港為例，該港作為我國北方最大的綜合性對外貿(mào)易港，港內(nèi)各類生產(chǎn)物流設(shè)施齊全，相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)充足。天津港2018年的用能情況如下[16]：①電力消耗占總能耗的比重約為36.08%，燃油消耗占總能耗的比重約為37.90%，煤炭消耗占總能耗的比重約為26.02%，耗能組成較為平均；②生產(chǎn)用能占比約為40.69%，非生產(chǎn)用能占比約為59.31%，非生產(chǎn)用能消耗所占的比例相對較高；③在港口吞吐量增長了22%時，總能源消耗環(huán)比增長了10.42%，電能消耗的增長約為32.11%，超過了吞吐量的增長。

根據(jù)港口不同區(qū)域的功能定位，結(jié)合港口實(shí)際發(fā)展規(guī)劃情況，港口能耗負(fù)荷主要包括臨港/碼頭工業(yè)負(fù)荷、公共服務(wù)負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷、生活負(fù)荷4個部分，如圖2所示[17]。其中臨港/碼頭工業(yè)負(fù)荷實(shí)行晝夜連續(xù)作業(yè)，有較大的用能需求，且對可靠性要求較高，在用能種類上，包括電、熱、冷等多種用能形式；近年來，隨著相關(guān)設(shè)備的升級改造，越來越多的港口工業(yè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了電氣化運(yùn)行（見表2）。公共服務(wù)負(fù)荷與商業(yè)負(fù)荷主要集中在白天，且所占港口負(fù)荷比重較小，對供能可靠性的要求不高，能源種類主要為電能。而生活負(fù)荷的特點(diǎn)在于其用能時序與其他類型的負(fù)荷正相反，負(fù)荷高峰一般出現(xiàn)在晚上，用能種類主要包括電、熱和氣等多種類型。

圖1 水路交通基礎(chǔ)設(shè)施能量消耗方式

圖2 港口多能負(fù)荷用能分析

表2 港口工業(yè)設(shè)備清潔能源替代方案分析

三、我國水路交通能源需求的演化趨勢

（一）碳排放視角下的能源需求演化趨勢

為減少溫室氣體排放，全球主要國家和地區(qū)都積極制定了溫室氣體減排目標(biāo)及不同時間節(jié)點(diǎn)下的行動方案，在聯(lián)合國建立的全球應(yīng)對氣候變化政策框架下，我國與歐盟率先提出了碳減排路線規(guī)劃圖[18]。

圖3 碳排放視角下的能源演化

在碳排放視角下，為了實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，船舶能源需求將從船用重油、輕油逐步向LNG等低碳燃料演化，最終發(fā)展為使用零碳燃料，如圖3所示。零碳能源主要是氫和氨，在未來，氫和氨會從灰氫/灰氨、藍(lán)氫/藍(lán)氨逐步向綠氫/綠氨發(fā)展，即通過可再生能源制取氫和氨，真正實(shí)現(xiàn)零碳排放[19]。由此可見，立足于碳排放角度，水路交通能源需求將由高碳燃料向低碳燃料與零碳燃料進(jìn)行演化。

（二）能源供給視角下的能源需求演化趨勢

圖4 水路交通能源供給轉(zhuǎn)變趨勢

在能源供給視角下，水路交通能源供給始于載運(yùn)工具自攜能源，將朝岸基能源轉(zhuǎn)變，最終演化為載運(yùn)工具清潔能源部分自洽，即載運(yùn)工具配備太陽能和風(fēng)能為輔的混合動力系統(tǒng)或者載運(yùn)工具，可利用太陽能和風(fēng)能進(jìn)行制氫/氨，為船舶提供氫/氨能源，如圖4所示。①當(dāng)載運(yùn)工具（船舶）通過所運(yùn)載的能源為自身提供動力時，需設(shè)專門的燃料油艙，降低船舶的載貨空間，進(jìn)而影響載運(yùn)工具的營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性。載運(yùn)工具（船舶）自攜的能源形式包括燃料油、LNG、氫能、氨能等[20]。其中，燃料油可通過泊位、錨地進(jìn)行加注，即分別通過陸地油罐車與供油船向靠泊或拋錨船舶進(jìn)行輸油。②考慮到傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)為主的動力形式會產(chǎn)生污染，影響空氣質(zhì)量和水源質(zhì)量，岸基清潔能源的使用比例將日益提高。對于港口而言，可利用的能源有太陽能、風(fēng)能、潮汐能等，在船舶靠港時為其供應(yīng)岸電；還可以通過岸基電力為部分小型電池動力船舶充電提供航行動力。③隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，包括太陽能、風(fēng)能、波浪能在內(nèi)的清潔能源在船上的應(yīng)用成為載運(yùn)工具用能模式的重點(diǎn)發(fā)展方向。綠色能源的開發(fā)和利用可有效降低船舶發(fā)電機(jī)組或主機(jī)帶來的能量損失，提高能量利用效率，因此，清潔能源自洽的發(fā)展模式具有廣闊的發(fā)展前景。

（三）能源質(zhì)量視角下的能源需求演化趨勢

目前，水路交通領(lǐng)域多使用化石低品位燃料，為提供燃料利用效率，燃料清潔高效利用、多能互補(bǔ)能源利用和余熱回收利用等技術(shù)正在蓬勃發(fā)展。在未來，水路運(yùn)輸將越來越多將清潔與轉(zhuǎn)換效率高的高品位能源作為首選。因此，在能源質(zhì)量視角下，水路交通能源需求將由低品位能源向高質(zhì)量能源方向演化。

對高質(zhì)量能源的評價通?？梢詮臒崃W(xué)、經(jīng)濟(jì)性角度來進(jìn)行。除燃料本身價值外，燃料所占艙室容積大小會影響到船舶運(yùn)營成本，而不同類型的燃料對船舶動力性影響較小，因此，可以從能量密度的角度對不同類型的燃料進(jìn)行分析。船用燃料的體積能量密度比較情況如圖5所示。對于內(nèi)河航行船舶來說，航程相對較短、靠港頻次較高、燃料補(bǔ)給相對便利，除LNG、甲醇等低碳燃料外，還可以使用能量密度相對較低的能源；對于電池動力船舶來說，現(xiàn)階段采用磷酸鐵鋰電池是較為均衡的技術(shù)路線，而三元鋰電池將在更高密度需求的船舶應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮作用[21]；對于國際航行船舶來說，航程較長、靠港頻次低、燃料補(bǔ)給不便，對燃料的能量密度有一定要求，因此，可使用低碳燃料或氨燃料。

（四）能源利用模式視角下的能源需求演化趨勢

現(xiàn)有的能源利用形式過于單一，尚未充分實(shí)現(xiàn)不同種類能源間的交互以及循環(huán)利用，未來的能源利用形式將向多能源綜合利用的方向演化。

圖5 船用燃料體積能量比較

圖6 能源利用模式視角下的能源需求演化趨勢

圖6 列出了能源利用模式視角下的能源需求演化趨勢。根據(jù)港口樞紐的條件，采用綠色能源與電網(wǎng)供電融合的“發(fā)電+儲能”能源發(fā)展模式，可以減輕城市供電體系負(fù)荷；利用港口大型裝備作業(yè)的特點(diǎn)，回收機(jī)械勢能，并就近在本機(jī)利用；通過利用綠色能源進(jìn)行電解水制氫，為港口移動裝備燃料電池補(bǔ)充氫能；利用岸電技術(shù)，為靠泊船舶提供清潔電力。利用船舶的空間和資源，收集太陽能、風(fēng)能及波浪能，形成多能源融合系統(tǒng)，為船舶提供電能；多余的電能制取氫氣，為船舶氫動力裝置提供氫源；收集船舶的振動能，為傳感設(shè)備提供電源，從而實(shí)現(xiàn)多能源綜合利用。

未來水路交通將致力于形成多能協(xié)同作用的能源網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對不同能源的捕獲、轉(zhuǎn)換和控制，為載運(yùn)工具和基礎(chǔ)設(shè)施提供能源需求服務(wù)，大幅提高節(jié)能減排效果。

四、水路交通與能源融合發(fā)展的技術(shù)性評估

（一）我國水路交通系統(tǒng)的自然稟賦分析

根據(jù)我國風(fēng)資源分區(qū)，結(jié)合國家綜合立體交通網(wǎng)中的港口和高等級航道網(wǎng)布局，通過地理信息系統(tǒng)疊加分析可知，我國絕大多數(shù)的內(nèi)河和沿海主要港口位于我國風(fēng)資源的四類區(qū)。在內(nèi)河高等級航道中，約有95%（約為2.5×104km）位于風(fēng)資源Ⅳ類區(qū)，約有3%（約為740 km）位于風(fēng)資源Ⅲ類區(qū)，約有2%（約為459 km）位于風(fēng)資源Ⅱ類區(qū)。我國高等級航道網(wǎng)所在風(fēng)資源分區(qū)的基本情況如表3所示。

在光資源分布方面，我國內(nèi)河高等級航道約有82%（約為2.2×104km）位于光資源Ⅲ類區(qū)，約有17%（約4547 km）位于光資源Ⅱ類區(qū)，約有1%（約318 km）位于光資源Ⅰ類區(qū)。我國高等級航道網(wǎng)所在光資源分區(qū)的基本情況如表4所示。

由表3 及表4 可知，我國高等級航道自然稟賦條件尚可，全國大部分航道、港口擁有一定的風(fēng)、光資源，能夠開展新能源發(fā)電并應(yīng)用的基礎(chǔ)，具有基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)能源化應(yīng)用的潛力。

（二）水路交通基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)能源化應(yīng)用潛力評估

為進(jìn)一步評估水路交通基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)能源化的應(yīng)用潛力，分別對水路交通中的兩個典型應(yīng)用場景：港口及航道的發(fā)電潛力進(jìn)行測算。

1.港口發(fā)電潛力測算

以我國綜合立體交通網(wǎng)中的沿海和內(nèi)河主要港口（未包含香港港的數(shù)據(jù)）為研究對象，分別分析港區(qū)范圍內(nèi)建設(shè)光伏設(shè)備、風(fēng)電設(shè)備可利用太陽能、風(fēng)能的潛力。港區(qū)的面積、岸線長度和平均潮差數(shù)據(jù)主要來自港口規(guī)劃和規(guī)劃環(huán)境影響評估中的數(shù)據(jù)。若規(guī)劃和環(huán)境影響評估中相關(guān)數(shù)據(jù)較陳舊或缺失，則分別以港口單位吞吐量（沿海或內(nèi)河港口分別計算）、港區(qū)面積、岸線長度、港口吞吐量數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行估算。

表3 我國高等級航道網(wǎng)所在風(fēng)資源分區(qū)的基本情況

表4 我國高等級航道網(wǎng)所在光資源分區(qū)的基本情況

對于港口的發(fā)電潛力，按照兩種利用方式進(jìn)行評估，方式一為樂觀場景測算，即在港區(qū)30%的總面積范圍內(nèi)鋪設(shè)光伏或風(fēng)力發(fā)電設(shè)備；方式二為一般場景測算，即在港區(qū)10%的總面積范圍內(nèi)鋪設(shè)光伏或風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。

在測算太陽能的可裝機(jī)容量時，以2015 年發(fā)布的《光伏發(fā)電站工程項目用地控制指標(biāo)》為依據(jù)[22]。在假設(shè)太陽能經(jīng)由光電設(shè)備轉(zhuǎn)換為電能總輸出效率為20%的前提下，我國港口區(qū)域樂觀場景下的太陽能可裝機(jī)容量約為29 623 MW，年發(fā)電量約為5.74×109kW·h；一般場景下的太陽能可裝機(jī)容量約為14 760 MW，全年預(yù)計可發(fā)電量為1.913×109kW·h。

在測算風(fēng)能的可裝機(jī)容量時，以《電力工程項目建設(shè)用地指標(biāo)（風(fēng)電場）》為依據(jù)[23]，單臺機(jī)組用地指標(biāo)按照3000 kW進(jìn)行測算。除考慮機(jī)組基本用地指標(biāo)外，風(fēng)電站建設(shè)還需要考慮變電站、集電線路、管理中心、交通工程等用地情況，故綜合用地指標(biāo)按照機(jī)組基本用地指標(biāo)的1 倍進(jìn)行測算。在風(fēng)能經(jīng)由機(jī)電設(shè)備轉(zhuǎn)換為電能總輸出效率為30%的假設(shè)前提下，我國港口樂觀場景下的風(fēng)能可裝機(jī)容量約為2.2×108kW，年發(fā)電量約為1.39×1010kW·h；一般場景下的風(fēng)能可裝機(jī)容量約為0.7×108kW，年發(fā)電量約為5.21×109kW·h。

2.航道發(fā)電潛力測算

對于內(nèi)河航道的發(fā)電潛力，按照兩種情景進(jìn)行評估。情景一為樂觀情景測算，約有20%的高等級航道兩側(cè)可鋪設(shè)光伏或風(fēng)力發(fā)電設(shè)備；情景二為一般情景測算，約有10%的高等級航道兩側(cè)可鋪設(shè)光伏或風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。分別測算兩種情景下，航道兩側(cè)各5 m范圍內(nèi)鋪設(shè)光伏或風(fēng)力發(fā)電設(shè)備時的裝機(jī)容量。

在測算太陽能的可裝機(jī)容量時，仍以《光伏發(fā)電站工程項目用地控制指標(biāo)》為依據(jù)，計算方法與港口相同。在太陽能經(jīng)由光電設(shè)備轉(zhuǎn)換為電能總輸出效率為20%的假設(shè)前提下，我國內(nèi)河航道樂觀場景下的太陽能可裝機(jī)容量約為2321 MW，年發(fā)電量約為4.5×108kW·h；一般場景下的太陽能可裝機(jī)容量約為1160 MW，年發(fā)電量約為2.3×108kW·h。

在測算風(fēng)能的可裝機(jī)容量時，航道仍以《電力工程項目建設(shè)用地指標(biāo)（風(fēng)電場）》為依據(jù)，單臺機(jī)組用地指標(biāo)按照3000 kW進(jìn)行測算。在風(fēng)能經(jīng)由機(jī)電設(shè)備轉(zhuǎn)換為電能總輸出效率為30%的假設(shè)前提下，我國內(nèi)河航道樂觀場景下的風(fēng)能可裝機(jī)容量約為2×107kW，年發(fā)電量約為1.43×109kW·h；一般場景下的風(fēng)能可裝機(jī)容量約為9×106kW，年發(fā)電量約為6.4×108kW·h。

（三）我國水路交通系統(tǒng)的用能需求分析

考慮我國目前發(fā)展現(xiàn)狀，水路交通系統(tǒng)用能需求不斷增加，且水路交通能源消費(fèi)總量相比于全國其他能源消費(fèi)總量占比較大。通過對貨運(yùn)總量和貨物周轉(zhuǎn)總量的預(yù)測，估算出下一階段我國不同類型水路交通系統(tǒng)運(yùn)輸能耗的總量。

根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒2021》[24]，2019年，我國交通運(yùn)輸、倉儲及郵電通信業(yè)的能源消費(fèi)總量約為4.391×108tce，約合1.752×1011kW·h，其中汽油的消費(fèi)量為6.25×107t，占全國汽油消費(fèi)總量的45.82%；柴油的消費(fèi)量為9.87×107t，占全國柴油消費(fèi)總量的66.14%；煤油的消費(fèi)量為3.69×107t，占全國煤油消費(fèi)總量的93.39%。

2019 年，我國水路貨運(yùn)量為7.47×108t，貨物周轉(zhuǎn)量為1.04×1013t·km，其中內(nèi)河運(yùn)輸、沿海運(yùn)輸和遠(yuǎn)洋運(yùn)輸貨運(yùn)總量及貨物周轉(zhuǎn)總量如表5所示。

2019 年，123 家公路水路運(yùn)輸企業(yè)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示[25]，遠(yuǎn)洋和沿海貨運(yùn)企業(yè)每百噸海里單耗0.48 kgce，港口每千噸單耗0.21 tce。2019 年，我國水路交通運(yùn)輸能耗的基本情況為，遠(yuǎn)洋和沿海貨運(yùn)的能耗約為2.27×107tce，約合1.85×1011kW·h；港口能耗約為2.93×106tce，約合2.38×1010kW·h。

根據(jù)2019年水路交通運(yùn)輸基本情況及過往歷史數(shù)據(jù)，分別對2025 年、2030 年、2035 年水路交通運(yùn)輸發(fā)展情況進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如表6 所示。預(yù)計2025 年、2030 年、2035 年全國港口吞吐量分別達(dá)到1.66×1010t、1.74×1010t 和1.78×1010t [26]。同樣，根據(jù)歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)分別對2025 年、2030 年、2035 年我國港口能耗進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果分別為2.83×1010kW·h、2.97×1010kW·h、3.04×1010kW·h。

表5 2019年我國水路交通運(yùn)輸基本情況

五、我國水路交通與能源融合的發(fā)展思路與發(fā)展路徑

（一）發(fā)展原則

根據(jù)“雙碳”目標(biāo)和當(dāng)前水路交通行業(yè)的能源結(jié)構(gòu)，水路交通能源融合發(fā)展可分為“三步走”，即短期戰(zhàn)略（2021—2025 年）、中期戰(zhàn)略（2025—2030 年）和長期戰(zhàn)略（2030—2035 年）3 個階段。短期戰(zhàn)略是根據(jù)沿海港口的自然稟賦發(fā)展風(fēng)能和太陽能，水路載運(yùn)工具提升化學(xué)儲能裝備和燃料電池的功率密度，形成LNG、甲醇等低碳能源或油（氣）電混合動力模式，實(shí)現(xiàn)可再生能源與儲能模式相結(jié)合。中期戰(zhàn)略是深入推進(jìn)河港口和錨地，對其動力設(shè)備和載運(yùn)工具實(shí)施電動化改造，同時實(shí)現(xiàn)氫能的制取、存儲與運(yùn)輸；提高清潔能源的使用占比，實(shí)現(xiàn)清潔能源自洽，形成微電網(wǎng)的自給自足模式。長期戰(zhàn)略是在此基礎(chǔ)上推進(jìn)至沿海和內(nèi)河的自然稟賦匱乏區(qū)域，實(shí)現(xiàn)余電上網(wǎng)模式，構(gòu)建多層級、一體化的水路交通與能源融合的樞紐體系。具體發(fā)展原則如下。

（1）加快船舶動力系統(tǒng)能源的多元化轉(zhuǎn)變。根據(jù)水路交通以國內(nèi)內(nèi)河航運(yùn)為主、國際航運(yùn)為輔的特點(diǎn)，內(nèi)河及沿海船舶由LNG、柴油機(jī)和蓄電池（超級電容）等多模式的柴（氣）電混合動力船舶逐步過渡到純電動船舶。國際航運(yùn)船以氨和氫燃料為主，采用內(nèi)燃機(jī)和燃料電池為主動力，以太陽能、風(fēng)能等清潔能源作為輔助動力。

表6 2025年、2030年、2035年我國水路交通運(yùn)輸規(guī)模預(yù)測結(jié)果

（2）加快港口、錨地的能源需求形態(tài)轉(zhuǎn)變。利用基礎(chǔ)設(shè)施的自然稟賦，在考慮經(jīng)濟(jì)成本和運(yùn)行模式的前提下，逐步淘汰以柴油機(jī)為代表的高能耗、高排放、低效率的老舊設(shè)備，形成以太陽能、風(fēng)能、波浪能和潮汐能等一次能源為主的能源融合系統(tǒng)。在滿足港口、錨地和船舶岸電用能的同時，富余電能接入儲能系統(tǒng)或余電上網(wǎng)，同時利用綠色能源電解水制氫，實(shí)現(xiàn)綠色經(jīng)濟(jì)一體化的港船能源網(wǎng)絡(luò)。

（3）加快能源融合關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)和核心裝備的研制。以氨和氫氣為代表的零碳燃料逐步取代傳統(tǒng)燃料，考慮技術(shù)的可行性和經(jīng)濟(jì)性，需攻克眾多項核心技術(shù)，如氨的引燃、氮氧化物減排、高密度儲氫等。發(fā)展以蓄電池和超級電容為介質(zhì)的儲能系統(tǒng)，進(jìn)一步提升能量密度和降低成本；突破載運(yùn)工具輕量化、船舶風(fēng)力助航、光伏發(fā)電和余熱回收利用等關(guān)鍵技術(shù)，助力實(shí)現(xiàn)凈零碳排放。

（4）加快相關(guān)行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)體系的制定。貫徹落實(shí)黨中央、國務(wù)院“雙碳”行動方案的部署和要求，由中央財政設(shè)置專項資金，對新能源動力船舶進(jìn)行補(bǔ)貼試點(diǎn)，并不斷提高技術(shù)門檻。通過新能源行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)水路交通能源融合，形成完整的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系；制定《新能源船舶補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)》，完善《港口和船舶岸電管理辦法》，促使靠港船舶使用岸電；實(shí)行碳稅政策，推行激勵措施。

我國水路交通與能源融合發(fā)展在能源結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)設(shè)施、技術(shù)路線、法律法規(guī)等方面需要建立新的發(fā)展模式。只有推廣成熟度高、可行性強(qiáng)的能源體系，構(gòu)建低碳和零碳燃料結(jié)構(gòu)，才能促進(jìn)水路交通與能源有效融合，實(shí)現(xiàn)水路交通的綠色化、智能化、高效化發(fā)展。

（二）發(fā)展思路

按照我國水路交通能源系統(tǒng)供給將由低碳到零碳，能源系統(tǒng)配用由低效到高效轉(zhuǎn)變的現(xiàn)實(shí)需要，實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。通過優(yōu)化水路交通系統(tǒng)的能源配置，拓展覆蓋范圍，提升貨運(yùn)量和貨物周轉(zhuǎn)量；通過水路交通基礎(chǔ)設(shè)施與新能源的融合集成，構(gòu)建清潔、高效和智能的新型水路交通能源系統(tǒng)，并從“源-網(wǎng)-荷-儲”4個層面構(gòu)建清潔化、高效化的新型水路交通能源系統(tǒng)。

在“源屬性”層面：將水路交通能源應(yīng)用多樣化，在港口、船舶、航道和錨地等水路交通系統(tǒng)提升風(fēng)、光等可再生能源占比。針對不同自然稟賦特征，對經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展?jié)摿M(jìn)行評估，提高用能自洽率和新能源滲透率。根據(jù)船舶船型、航線、功能的不同，綜合利用各種資源，使水路交通在“源屬性”上體現(xiàn)出新的發(fā)展模式。

在“網(wǎng)屬性”層面：將港口作為樞紐，在空間上加強(qiáng)港口、錨地、航道和船舶的聯(lián)系。考慮水路交通能源系統(tǒng)的分散性和波動性，將太陽能、風(fēng)能、波浪能和潮汐能等與電網(wǎng)融合，通過水路交通能源系統(tǒng)的多點(diǎn)互聯(lián)、多能互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)用能形式的多樣化，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建分布式微網(wǎng)，并于2035年前形成集安全、智能、經(jīng)濟(jì)、綠色一體化的微電網(wǎng)體系。

在“荷屬性”層面：將負(fù)荷用能需求分散到分布式微網(wǎng)中。針對電網(wǎng)的分散性和波動性，通過“源屬性”“網(wǎng)屬性”和“儲屬性”實(shí)現(xiàn)水路交通能源系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)的可控。形成基于變電站、儲能站、配電站等的新型水路能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水路交通能源系統(tǒng)的電力平衡，提高負(fù)荷側(cè)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。

在“儲屬性”層面：將功率型儲能和能量型儲能技術(shù)應(yīng)用于水路交通能源。儲能系統(tǒng)可在較短的時間內(nèi)釋放能量，補(bǔ)償電網(wǎng)中的能量波動，改善電能質(zhì)量，提高電能利用率，同時提升了對風(fēng)、光等一次能源的消納能力，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)“源-荷-網(wǎng)-儲”的協(xié)調(diào)運(yùn)作。

綜上，我國水路交通與能源融合需要切實(shí)提出具體的應(yīng)用場景，明確研究路徑，給予政策支持，發(fā)展相關(guān)產(chǎn)業(yè)，建立示范工程，形成與自然稟賦相適應(yīng)的“源-網(wǎng)-荷-儲”為一體的水路交通與能源融合系統(tǒng)。

（三）發(fā)展路徑

以實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略為目標(biāo)，以《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》為總指導(dǎo)，結(jié)合國務(wù)院《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃通知》、交通運(yùn)輸部《綠色交通“十四五發(fā)展規(guī)劃”》等政策文件，按合理推進(jìn)、逐漸推廣的原則，水路交通與能源融合發(fā)展將由多風(fēng)/ 多光區(qū)域逐步向少負(fù)荷/ 多光/ 多風(fēng)區(qū)域、沿海和內(nèi)河少光少風(fēng)區(qū)域拓展，按序依次從沿海港口開發(fā)至內(nèi)河港口。

根據(jù)我國水路交通資產(chǎn)能源化潛力測算，若綜合考慮風(fēng)、光自然資源稟賦，對2021—2025 年、2026—2030年、2031—2035年3個階段的清潔能源利用率分別按20%、40%、60%計算。根據(jù)水路交通系統(tǒng)用電負(fù)荷需求，在不考慮載運(yùn)裝備能耗前提下，在樂觀場景下，計算出不用階段內(nèi)的自洽率。

2021—2025 年：我國新能源滲透率不低于15%，用能自洽率預(yù)期可達(dá)17.3%。采用可再生能源發(fā)電配合復(fù)合儲能的供能模式，優(yōu)先開發(fā)沿海港口及近海多風(fēng)、多光區(qū)域。該階段用能主要仍以電網(wǎng)供電為主、可再生能源發(fā)電為輔。預(yù)計節(jié)能減排效果顯著，能量利用效能逐步提高。

2026—2030 年：我國新能源滲透率不低于35%，用能自洽率預(yù)期可達(dá)33.1%?？稍偕茉窗l(fā)電配合氫能、復(fù)合儲能可提供的有功出力進(jìn)一步提高，剩余出力由電網(wǎng)補(bǔ)充。深入推進(jìn)至自然稟賦優(yōu)越、用能負(fù)荷較少的內(nèi)河航道、港口、錨地及水上服務(wù)區(qū)。預(yù)計節(jié)能減排效果取得大幅進(jìn)展，能效得到進(jìn)一步提高。

2031—2035年：我國新能源滲透率不低于55%，用能自洽率預(yù)期可達(dá)48.5%?？稍偕茉窗l(fā)電配合氫能和復(fù)合儲能及微電網(wǎng)模式可提供約50%的有功出力，并在用能低谷期實(shí)現(xiàn)余電上網(wǎng)，逐步推進(jìn)至沿海和內(nèi)河少風(fēng)少光的航道、港口。水路交通向?qū)崿F(xiàn)智能化、綠色化、高效化和環(huán)境友好性大踏步前進(jìn)。

六、推動我國水路交通與能源融合的舉措與建議

（一）政策層面

明確戰(zhàn)略定位，加強(qiáng)頂層設(shè)計。明確水路交通與能源融合的定位，將水路交通與能源融合發(fā)展納入國家水路交通建設(shè)的發(fā)展戰(zhàn)略，開展水路交通與能源融合發(fā)展規(guī)劃研究和頂層設(shè)計。

落實(shí)融合理念，加快相關(guān)建設(shè)。普及水路交通與能源融合的思路，推廣交通資產(chǎn)能源化的理念，將太陽能、風(fēng)能、氫能等可再生能源系統(tǒng)納入航道、錨地、港口等綠色化升級改造過程中，并同步至相關(guān)規(guī)劃。

強(qiáng)化示范引領(lǐng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)扶持。推廣水路交通與能源融合發(fā)展，聯(lián)合研發(fā)企業(yè)、設(shè)計單位、造船企業(yè)、船東共同響應(yīng)；研究并優(yōu)化精準(zhǔn)扶持范圍，提高補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)，延長政策時限，完善管理規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，激發(fā)各方積極性。

（二）技術(shù)層面

加強(qiáng)自主研發(fā)，推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新。堅定推進(jìn)水路交通與能源融合自主創(chuàng)新，全面提升可再生能源系統(tǒng)的性能，逐步突破航道、錨地、港口等典型應(yīng)用場景下的關(guān)鍵技術(shù)，推進(jìn)全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。水路交通與能源融合涉及的關(guān)鍵技術(shù)如下。

1.“風(fēng)、光、儲、氫”多能源系統(tǒng)融合模式及匹配方法

不同的航道、港口自然資源稟賦各異，交通資產(chǎn)能源化的方式也不同，能源融合模式多樣，且可再生能源滲透率參差不齊；此外，港區(qū)用能設(shè)備眾多，各種機(jī)電系統(tǒng)耦合，能耗大且難以預(yù)測，靠港船舶能耗需求具有隨機(jī)性和差異性；“風(fēng)、光、儲、氫”運(yùn)行特性各異，不同容量的各能源子系統(tǒng)匹配困難，難以實(shí)現(xiàn)整體效率最佳。為此，今后要重點(diǎn)突破“風(fēng)、光、儲、氫”多能源系統(tǒng)融合模式及匹配方法，為水路交通與能源融合提供技術(shù)支撐。

2.多能源系統(tǒng)的能源捕獲與穩(wěn)定控制技術(shù)

航道、港口風(fēng)光資源捕獲及其能源化利用是水路交通能源融合發(fā)展的基礎(chǔ)，同時港區(qū)負(fù)荷差異大、載荷范圍寬等場景特征對“源-荷-儲”的柔性互聯(lián)、功率變換與穩(wěn)定運(yùn)行提出了新的要求。因此，實(shí)現(xiàn)航道-港口-船舶多能源系統(tǒng)的柔性互聯(lián)與穩(wěn)定控制是水路交通與能源融合發(fā)展所要解決的關(guān)鍵問題。

3.大容量氫氣“制-注-儲-供-用”一體化運(yùn)行控制與安保技術(shù)

航道和港區(qū)的風(fēng)、光、水等可再生能源自然稟賦充足，但不確定性和隨機(jī)性較大，同時港區(qū)的用氫設(shè)備運(yùn)行具有一定的周期性，在波動制氫條件下合理的進(jìn)行“制-注-儲-供-用”全鏈條氫能量管理與調(diào)配，同時在復(fù)雜條件下快速實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警及應(yīng)急處理，是保障氫能安全、高效利用的關(guān)鍵。

4.多能接入港區(qū)局域電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行控制技術(shù)

對于電網(wǎng)接入大容量多類型綜合能源的港區(qū)多能源系統(tǒng)，部分多能流電源對外呈現(xiàn)出低阻尼或是負(fù)阻抗特性，將使整個局域電網(wǎng)系統(tǒng)呈現(xiàn)出低慣量、弱阻尼的特征，致使電網(wǎng)系統(tǒng)的抗擾動能力變差。因此，需要針對多能源系統(tǒng)接入港區(qū)電網(wǎng)，研究多能源融合系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的控制策略。

（三）人才培養(yǎng)層面

打造特色學(xué)科體系，助推行業(yè)持續(xù)建設(shè)。以學(xué)科的可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，結(jié)合國家能源交通發(fā)展規(guī)劃和戰(zhàn)略要求，綜合多學(xué)科特點(diǎn)，加快交通、電氣和能源動力等學(xué)科的協(xié)同發(fā)展，促進(jìn)水路交通與能源融合，推動“產(chǎn)學(xué)研用”一體化發(fā)展，全面打造特色學(xué)科體系。