呂明杰，豈興明，尹 航，江 楠，金英愛

綜述

淺析內(nèi)河純電動(dòng)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(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 吉林長(zhǎng)春 130022，2．吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院, 吉林長(zhǎng)春 130022，3. 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

純電動(dòng)船作為新興的產(chǎn)品，具有零碳排放、無(wú)污染、噪音小等優(yōu)勢(shì)。隨著純電動(dòng)船舶的研究不斷深入，開始應(yīng)用于內(nèi)河運(yùn)輸領(lǐng)域。本文介紹了純電動(dòng)船舶技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了內(nèi)河純電動(dòng)船舶的發(fā)展意義和國(guó)家相關(guān)的政策規(guī)劃，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

純電動(dòng)船舶 節(jié)能減排 內(nèi)河運(yùn)輸 電力供應(yīng)

0 引言

目前所稱電動(dòng)船舶分為純電動(dòng)船舶、柴電混合動(dòng)力船舶以及燃料電池船舶等。本文所述的純電動(dòng)船舶是傳統(tǒng)船舶技術(shù)與新能源技術(shù)相結(jié)合的重要產(chǎn)物，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)營(yíng)成本低，零排放等特點(diǎn)，并且作為一種清潔能源有著廣闊的應(yīng)用前景，受到了人們廣泛關(guān)注。在我國(guó)不斷出臺(tái)相應(yīng)法律法規(guī)，對(duì)排放進(jìn)行控制的進(jìn)程中，純電動(dòng)船舶的發(fā)展對(duì)于交通行業(yè)的碳達(dá)峰，以及促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都具有重要意義。

1 內(nèi)河電動(dòng)船舶發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景

1.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外純電動(dòng)船的應(yīng)用較早，最早將電力推進(jìn)應(yīng)用于船舶的嘗試可以追溯到19世紀(jì)30年代。挪威、荷蘭一直處于電動(dòng)船舶領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。其中，挪威是運(yùn)行電動(dòng)船舶最多的國(guó)家。全球第一艘大型純電動(dòng)船于挪威在2014年建造，2015年投入運(yùn)營(yíng), 名為安培號(hào)。安培號(hào)由兩臺(tái)450 kW的電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)。利用鋰電池提供能量，整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量約為1040 kWh。具負(fù)責(zé)運(yùn)行的航運(yùn)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(yíng)運(yùn)中和擬建造電動(dòng)船為 155 艘，其中80艘建造中，預(yù)計(jì) 2022年，全球電船舶將迎來(lái)快速增長(zhǎng)期。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著一系列關(guān)于船舶環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的政策相繼發(fā)布，我國(guó)也逐漸推進(jìn)船舶工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，向‘船舶電動(dòng)化’發(fā)力[1]。在相關(guān)政策的支持和保障下，有發(fā)達(dá)內(nèi)河航運(yùn)體系的中國(guó)在電動(dòng)船舶市場(chǎng)取得了新的進(jìn)展。在2019年11月12日，全球首艘2000噸級(jí)的純電動(dòng)內(nèi)河散貨船“河豚”在廣州龍穴下水試運(yùn)營(yíng)，填補(bǔ)了2000噸位電動(dòng)內(nèi)河貨船的空白，也標(biāo)志我國(guó)開啟綠色航運(yùn)新時(shí)代[2]。

目前，我國(guó)河內(nèi)船舶總量約13萬(wàn)艘而電動(dòng)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(guó)電動(dòng)船舶主要為內(nèi)河貨船，大多數(shù)分布在長(zhǎng)江、珠江等沿江沿海城市，主要用途為觀光、渡船、托運(yùn)等。雖然在我國(guó)內(nèi)河航運(yùn)輪船的動(dòng)力來(lái)源主要為在柴油機(jī)，但是為了政策和可持續(xù)發(fā)展的要求，加速推進(jìn)船舶電動(dòng)化具有重大意義。政策促進(jìn)轉(zhuǎn)型，電動(dòng)船舶未來(lái)前景廣闊。

1.3 純電動(dòng)船舶推廣面臨的難題

自2020年起，國(guó)際海事航運(yùn)組織環(huán)境規(guī)則對(duì)船用燃料含硫量進(jìn)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(duì)船舶燃料提出了更好的要求。我國(guó)也相繼出臺(tái)政策和法規(guī)，實(shí)施嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)船舶電動(dòng)化轉(zhuǎn)型，純電動(dòng)船規(guī)模推廣面臨的難題[3～4]：

1）技術(shù)層面

動(dòng)力電池是電動(dòng)船舶的核心部件，目前其核心技術(shù)雖然有突破但仍然需要更新與改進(jìn)。目前磷酸鐵鋰動(dòng)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(zhǎng)而成為現(xiàn)階段船舶動(dòng)力電池的最優(yōu)選擇。但與傳統(tǒng)的船舶相比，電動(dòng)船舶充滿電比加滿油耗時(shí)久，且續(xù)航里程低。雖然電動(dòng)船舶不設(shè)有內(nèi)燃機(jī)，減少了燃油管路出現(xiàn)故障引起火災(zāi)的可能性，但純電動(dòng)蓄電池倉(cāng)也是容易發(fā)生火災(zāi)的位置，電池在發(fā)生碰撞、短路、高溫等情況下會(huì)產(chǎn)生熱失控，如果消防措施不到位，甚至?xí)l(fā)生爆炸[5～6]。與純電動(dòng)汽車類似，船舶電池技術(shù)還面臨更多的挑戰(zhàn)。如減少充電時(shí)間，船舶充電時(shí)的如何停泊、電動(dòng)船舶與充電樁之間的連接問(wèn)題等。

2）設(shè)施層面

由于電池能夠支持的航行里程有限，因此需要設(shè)計(jì)中途換電和充電服務(wù)。然而無(wú)論是充電還是換電方案實(shí)施起來(lái)都比較困難，需要設(shè)置具有充、換電的服務(wù)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(shù)，這是技術(shù)層面的問(wèn)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(dòng)船舶換電時(shí)的裝卸問(wèn)題。

3）成本層面

船舶電動(dòng)化仍然存在經(jīng)濟(jì)性不足的問(wèn)題。目前應(yīng)用于電動(dòng)船舶的鋰電池造價(jià)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(fù)擔(dān)較大，且鋰電池的壽命相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)短，約為10年，占整個(gè)船舶壽命的1/3。期間需要進(jìn)行電池的更換，成本較高。另外電動(dòng)船舶的運(yùn)營(yíng)成本也并沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)。港口電價(jià)優(yōu)勢(shì)不明顯，耗電費(fèi)用和提供相同價(jià)格的燃料差別不明顯。

2 純電動(dòng)船發(fā)展意義

純電動(dòng)船，即驅(qū)動(dòng)能源全部由電能供應(yīng)的船舶。目前純電動(dòng)船還未大規(guī)模應(yīng)用，仍處于發(fā)展階段。但清潔的動(dòng)力來(lái)源和低噪音、人性化的優(yōu)勢(shì)已然讓純電動(dòng)船有了無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

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

1）純電動(dòng)船對(duì)環(huán)境友好、排放量基本為零。在航運(yùn)業(yè)產(chǎn)生的氣體排放逐年上升的情況下我國(guó)對(duì)純電動(dòng)船的產(chǎn)量需求一定會(huì)越來(lái)越高。全球首艘純電動(dòng)船于2014年由挪威船廠制造，命名“安培號(hào)”。據(jù)負(fù)責(zé)該船的航運(yùn)公司財(cái)務(wù)總監(jiān)的估算，該船相比柴油動(dòng)力船只每年可節(jié)省運(yùn)行燃料1000噸。這證明發(fā)展純電動(dòng)船在節(jié)能減排的方向是可行的。如今環(huán)境問(wèn)題日益引起重視，純電動(dòng)船將會(huì)有十分廣闊的發(fā)展前景。

2）純電動(dòng)船的效率更高，動(dòng)力性好。由于船的驅(qū)動(dòng)完全使用電力，在行駛過(guò)程中電能直接傳遞給推進(jìn)器轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。而柴油機(jī)船需要將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)為熱能后再將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能后，之后由傳動(dòng)軸傳遞到螺旋槳。電池直接供電給推進(jìn)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(dòng)船內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。柴油機(jī)船的動(dòng)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(fù)雜且所占空間大；相比而言純電動(dòng)船的動(dòng)力部分只有蓄電池和推進(jìn)器組成，因此純電動(dòng)船的可操控性更強(qiáng)，反應(yīng)能力得到了進(jìn)一步提高。并且方便了維護(hù)和保養(yǎng)。同時(shí)電動(dòng)船的載重能力也因可用空間的提升有所增加。

4）運(yùn)營(yíng)和維護(hù)的成本低。由于純電動(dòng)船使用電力作為驅(qū)動(dòng)能源，與柴油機(jī)船和混合動(dòng)力船相比，純電動(dòng)船的燃料成本更低。按最新的數(shù)據(jù)，柴油價(jià)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(dòng)船單次航程可節(jié)省約75%的能源成本。

5）純電動(dòng)船另一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)就是噪聲小。由于去掉了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)等噪聲大的部分，純電動(dòng)船行駛過(guò)程中不會(huì)發(fā)出過(guò)大的聲音，在游覽觀光和捕魚方面有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，可讓乘客和船員有更好的使用體驗(yàn)。

3 國(guó)家純電動(dòng)船舶發(fā)展政策與規(guī)劃解讀

內(nèi)河航道由于其建設(shè)成本低、載運(yùn)量大、內(nèi)陸水域分布廣泛等特點(diǎn)成為了我國(guó)交通運(yùn)輸中極其重要的一部分?！秲?nèi)河航運(yùn)發(fā)展報(bào)告》中指出，到2035年，我國(guó)的內(nèi)河貨物周轉(zhuǎn)需占全社會(huì)比重9%。截至到日前，我國(guó)內(nèi)河船舶中有將近90%的船舶采用了傳統(tǒng)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，這將對(duì)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(bào)告中提出：“要建設(shè)生態(tài)文明”，交通領(lǐng)域的“生態(tài)文明”建設(shè)便提上日程，近些年來(lái)，航運(yùn)業(yè)正在逐步將轉(zhuǎn)型的措施放在提高純電動(dòng)船舶的占比之上。我國(guó)的內(nèi)河航道也逐漸具備電動(dòng)化的基本條件，電動(dòng)船舶的相關(guān)技術(shù)也取得了重大的突破，為建設(shè)“綠色航道”打下了良好的基礎(chǔ)[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(shè)計(jì)、建造重點(diǎn)環(huán)節(jié)，積極開展節(jié)能降耗技術(shù)研究。重點(diǎn)聚焦于綠色環(huán)保船型；新能源輔助動(dòng)力等新概念船型研發(fā)；太陽(yáng)能、風(fēng)能、燃料電池等在船舶上的應(yīng)用。2013年12月，交通運(yùn)輸部與財(cái)政部等共同推出《老舊運(yùn)輸船和單殼油輪提前報(bào)廢更新實(shí)施方案》，以經(jīng)濟(jì)政策鼓勵(lì)高能耗比、污染和安全風(fēng)險(xiǎn)較大的船舶提前報(bào)廢，建造新一代低能耗、新公約、新標(biāo)準(zhǔn)的船舶，其中就包括電動(dòng)船舶[9]。

“十三五”期間，全球船舶市場(chǎng)處于一個(gè)供需失衡關(guān)系，這就需要船舶工業(yè)堅(jiān)持以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展，而集裝箱船大型化的成效顯著所帶來(lái)的更嚴(yán)峻的碳排放等問(wèn)題，則迫使船舶工業(yè)將目光放在如何進(jìn)一步推動(dòng)電動(dòng)船舶發(fā)展。與此同時(shí)，2018年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》中提出，提高船舶柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)以及擴(kuò)大排放限制區(qū)域；由交通運(yùn)輸部發(fā)布的《船舶排放控制區(qū)調(diào)整方案》規(guī)定了對(duì)長(zhǎng)江航線以及沿海進(jìn)行排放控制，其中內(nèi)河控制區(qū)應(yīng)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(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的實(shí)施意見》提出了，需要報(bào)廢20年以上服役年限的內(nèi)河航運(yùn)船舶，據(jù)估計(jì)約有近一萬(wàn)艘的船舶需要被淘汰，這擴(kuò)大了對(duì)電動(dòng)船舶的市場(chǎng)需求。國(guó)際海事組織（IMO）通過(guò)“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(dòng)船舶的航行成本[10]。

因此未來(lái)幾年，需要通過(guò)對(duì)電動(dòng)船舶的大力支持與發(fā)展，來(lái)助力交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“綠色航道”、彌補(bǔ)市場(chǎng)空缺以及降低通航成本。

4 推動(dòng)國(guó)家純電動(dòng)船舶發(fā)展的若干思考

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

有關(guān)部門需要加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，加大政策鼓勵(lì)以及逐漸完善管理體系。打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，實(shí)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(guó)的能源儲(chǔ)備巨大并且種類繁多，因此推進(jìn)船舶電動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)“綠色航道”的必經(jīng)之路。國(guó)家統(tǒng)籌指定電動(dòng)船舶創(chuàng)新發(fā)展的指導(dǎo)意見，集合高等院校、科研單位、金融機(jī)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(jìn)純電動(dòng)船舶的技術(shù)創(chuàng)新與更迭。并且加大在相關(guān)領(lǐng)域如電池技術(shù)、輕量化材料、制造業(yè)等領(lǐng)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(guó)際上，主動(dòng)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)行業(yè)企業(yè)，積極向國(guó)際海事組織（IMO），國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）等機(jī)構(gòu)提交議案，參與各相關(guān)規(guī)則規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的指定中，維護(hù)我國(guó)的船舶工業(yè)的權(quán)益。

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

開展試點(diǎn)示范，探索商業(yè)模式。在特定流域水域中劃定試驗(yàn)區(qū)，先完成觀光船、渡輪的電動(dòng)化，再逐漸擴(kuò)大各類船舶電動(dòng)化的占比，推動(dòng)目前各船舶研發(fā)單位發(fā)展電動(dòng)船舶以及相應(yīng)的技術(shù)，促使企業(yè)完成轉(zhuǎn)型。針對(duì)船舶電池，可以借鑒電動(dòng)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(wèn)題。并以此為基礎(chǔ)創(chuàng)立船舶電池管理的商業(yè)模式，帶動(dòng)上下游產(chǎn)業(yè)，構(gòu)建成熟的管理、運(yùn)維、服務(wù)模式。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從技術(shù)、政策等層面分析了目前純電動(dòng)船舶相較于傳統(tǒng)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)船舶的優(yōu)劣以及目前純電動(dòng)船舶的發(fā)展現(xiàn)狀。通過(guò)研究國(guó)家的政策指明了今后我國(guó)的純電動(dòng)船舶的發(fā)展趨勢(shì)和方向以及相應(yīng)的舉措。隨著環(huán)境和市場(chǎng)的需要，純電動(dòng)船舶憑借自身的特點(diǎn)得到了我國(guó)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(dòng)力電池仍有上升空間、基礎(chǔ)建設(shè)尚未齊全以及國(guó)家政策尚未完善等問(wèn)題，相信在我國(guó)政府、相關(guān)企業(yè)、科研院所以及高校等共同努力之下，未來(lái)不久后純電動(dòng)船舶技術(shù)以及規(guī)模將會(huì)得到一個(gè)爆發(fā)式提升。

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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(guó)政府與英國(guó)政府聯(lián)合創(chuàng)新基金（牛頓基金）中英校企合作項(xiàng)目（UK-CIAPP201）

豈興明（1978-），男，工程師，主要從事船舶動(dòng)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