梁譯尹，劉雋

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

1 內河電動船舶換電技術發(fā)展現狀

2022 年12 月8 日，中遠海運2 艘700 標箱長江干線電動集裝箱船在江蘇揚州投建。該船是以集裝箱式移動電源為動力的萬噸級江海直達船，船長119.8 米、型寬23.6 米、型深9 米，設計吃水5.5 米，配裝36 個20英尺標箱（下同）箱式電源、2 臺900 千瓦交流異步推進電機，設計航速10.5 節(jié)每小時，單次續(xù)航里程約380公里。配套岸基換電技術，在武漢、南京等港口布置換電碼頭實現分段續(xù)航，每次換電作業(yè)時長僅20～30 分鐘。這種以集裝箱式移動電源作為動力源、岸基換電續(xù)航的萬噸級江海直達船在長江干線以船隊運營尚屬國內首次。與此前國內投用的64 標箱、120 標箱換電式集裝箱船相比，該船在裝載能力、續(xù)航里程方面均實現了新的突破，標志著內河電動船舶換電技術從研發(fā)進一步邁向應用。

1.1 研發(fā)應用和市場推廣成果

內河電動船舶核心設備包括電源系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和電推系統(tǒng)，集裝箱式移動電源系指采用集裝箱的箱體作為電池安裝平臺的蓄電池電源系統(tǒng)，通過吊裝實現電池組替換。與直充模式相比，使用換電技術的船舶具有能源補充快、不占用碼頭岸線等優(yōu)勢，有利于提高港口周轉效率和船舶運輸效率。

從國外看，目前挪威、荷蘭等國家相關企業(yè)已相繼投用或正在建造以集裝箱式移動電源為動力的中小型內河船舶。從國內看，2022 年2 月，湖北首艘120 標箱電動集裝箱船（換電）開工建造；10 月，江蘇省交通運輸廳與省港口集團聯合推動的120 標箱電動集裝箱船（換電）“江遠百合”號投入京杭運河運營；11 月，安徽蕪湖—合肥105 標箱電動集裝箱船（換電）示范項目投入運營；12 月，中遠海運2 艘700 標箱電動集裝箱船（換電）在揚州開工建造。相關企業(yè)也加快產業(yè)布局，中遠海運組建“中國電動船舶創(chuàng)新聯盟”，以長江流域為重點進行示范應用，推動船舶企業(yè)、港口企業(yè)、電池生產企業(yè)、船舶設計建造企業(yè)、電動系統(tǒng)研發(fā)企業(yè)、充換電配套服務企業(yè)、金融企業(yè)、技術認證單位和科研機構加強產業(yè)鏈合作；國家電投成立“科技+金融服務”產業(yè)平臺，積極拓展船舶換電業(yè)務。

與此同時，多地政府加大產業(yè)扶持力度。福建省出臺《2022 年福建省電動船舶產業(yè)發(fā)展試點示范實施方案》，對電推系統(tǒng)生產企業(yè)、電動船舶制造企業(yè)、通過融資租賃直租方式購入電動船舶的單位、電池租賃企業(yè)給予定量資金補助。湖北省印發(fā)《湖北省支持綠色智能船舶產業(yè)發(fā)展試點示范若干措施》，支持充（換）電基礎設施、綠色航運綜合服務區(qū)等配套設施建設和升級改造，對電池、電機、箱式電源、電池系統(tǒng)、充換電設備等上下游企業(yè)以及投資改造的船舶企業(yè)予以定量資金補助?！渡虾Ｊ薪煌ü?jié)能減排專項扶持資金管理辦法》規(guī)定，對新增電動船舶項目，按照動力系統(tǒng)成本30%予以補貼?！稄V州港口船舶排放控制補貼資金管理辦法》亦規(guī)定，對電動船舶按照動力系統(tǒng)（包括電池及電推系統(tǒng)）予以定量補貼?？傮w上看，隨著技術突破，船舶換電市場滲透率呈上升趨勢。

1.2 制約因素

內河電動船舶換電技術在推廣上也存在一些制約因素，主要表現為標準規(guī)范缺失和經濟性約束。

一是在產品方面，各廠商研發(fā)生產的集裝箱式移動電源在電池容量、充換電指標、接口等方面尚無統(tǒng)一標準，定期檢測、維修保養(yǎng)也無統(tǒng)一規(guī)范，未來可能存在產品兼容性問題。此外，電池全周期管理、梯次利用、拆解回收方案仍需要進一步研究完善。

二是在管理方面，集裝箱式移動電源在應用上具有船上使用、岸基吊裝更換、陸路轉運、換電場站充電和存放等多種場景，由于缺乏該類電源轉運、配載以及換電場站建設、運營的安全管理體系和相關標準，電池的陸路轉運、吊裝更換、船上使用等場景應用與道路水路危險品貨物運輸、港口危險貨物重大危險源管理之間的關系仍需進一步厘清確定。

三是在經濟性方面，電動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船舶本體費用的 50%以上，且電池使用壽命僅為10 年（船舶使用壽命一般可達30 年），期間電池更替成本可觀。此外，換電場站對選址、安防、設備、管理的要求高，投資需求大。

四是在技術方面，目前的電動船較多采用鋰離子電池作為船用電池，受限電池能量密度，電動船的單次續(xù)航能力存在一定限制。電池技術瓶頸有待進一步研發(fā)突破。

2 內河電動船舶換電技術應用前景

2.1 內河船動力脫碳是交通運輸降碳的重要目標

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

如僅看運輸設備，以2035 年基本實現交通運輸碳達峰為目標，公路客運、公路貨運降碳權重最大，需通過節(jié)能減排、新能源替代、調整運輸結構等方式逐步實現碳達峰碳中和；鐵路運輸脫碳確定性最高，可通過提高電氣化率基本實現近零碳；受燃料技術限制和貨物周轉量影響，航空和遠洋、沿海航運降碳脫碳難度最大，需依靠生物質燃油、甲醇、氫能替代技術和碳捕集技術的發(fā)展成熟實現降碳。內河航運是航運領域中降碳脫碳潛力最大、可行性最高、技術相對最成熟的子領域，先行推動內河船動力降碳脫碳，有利于促進綜合交通運輸綠色低碳發(fā)展。

2.2 綠電較其他類型船舶低碳動力更具規(guī)模優(yōu)勢

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

2.2.1 LNG 動力

從長遠看，以LNG 作為內河船舶替代能源的溢價較高，技術過渡性、對外依存性強。

一是燃料經濟性的問題。據測算，新建和改造一艘1000 噸級LNG 動力船分別需500 萬元、100 萬元，初始投資比同類型柴油動力船高出30%。而2022 年受國際局勢影響，國內LNG 全年均價為6354 元每噸，同比增長28.01%，比2019 年全年均價幾乎翻了一番，綜合考慮氣價和國內運價變化，設備投資回收期進一步拉長。

二是燃料補給網的問題。根據交通運輸部辦公廳印發(fā)的《長江干線京杭運河西江航運干線液化天然氣加注碼頭布局方案（2017-2025 年）》，到2025 年前，要基本建成長江干線、京杭運河、西江航運干線LNG 加注碼頭體系，長江干線布局45 處LNG 加注碼頭。但在實際推進中，LNG 加注站審批手續(xù)復雜，建設申報涉及發(fā)展和改革、住房和城鄉(xiāng)建設、水利、海事和港航等10 余個部門，缺乏牽頭協(xié)調部門。截至2022 年底，全國LNG 船舶加注站共31 座，其中運營僅5 座、已建成未運營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，項目一期投資約1.5 億元，一年運營費用近1000 萬元。但自2019 年試運營以來，只有50 余航次加注業(yè)務，收入不足百萬元，一直處于虧損狀態(tài)。此外，LNG 存儲供應涉及港口岸線用地規(guī)劃問題，布局推廣難度較大。

三是燃料對外依存度的問題。我國是富煤貧油少氣國家，2022 年全國天然氣表觀消費量（即當年產量加上凈進口量）為3663 億立方米，進口天然氣10925 萬噸（按每噸天然氣1390 立方米計算，約合1518.58 億立方米），進口占比約41%。如進一步推廣內河船舶LNG 動力化，則國際天然氣交易價格將持續(xù)影響我國內河運價結構。

四是技術過渡性的問題。從全球氣候變化來看，生物燃料參與全球現代碳循環(huán)，從碳循環(huán)中吸收二氧化碳，燃燒時又釋放出二氧化碳，二氧化碳達到平衡；而化石燃料燃燒只增加了現代碳循環(huán)中的二氧化碳含量，促進了全球氣候變暖。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比石油產品和煤排放得少，但并非零碳排放燃料。與此同時，天然氣主要由甲烷構成，如在生產運輸使用過程中發(fā)生甲烷逃逸，則其產生的溫室效應為二氧化碳的30 倍。從長遠看，大范圍推廣LNG，不能根本性實現內河航運零碳目標。

2.2.2 甲醇動力

以甲醇作為內河船舶替代能源技術可行性、經濟性較差。

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計更大的燃料艙，影響經濟性。

二是適用內河船舶的甲醇發(fā)動機目前處于研發(fā)階段，商業(yè)化應用尚未成熟。

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

2.2.3 電能動力

與LNG、甲醇相比，電能經濟性好、更可持續(xù)。主要表現為以下幾個方面。

一是價格優(yōu)勢。以80 標箱內河集裝箱船舶為例，燃油船舶平均每公里油耗當下約為5 千克（45 元），純電船舶平均每公里電耗約為18 千瓦時（13 元）。按照集裝箱式移動電源營運期為10 年，應用經濟內部收益率反向測算，當年節(jié)約成本在130 萬元時，應用純電動內河集裝箱船舶具有經濟效益。

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

三是電動船舶更容易實現智能化無人化。全球首艘無人集裝箱船“Yara Birkeland”號（120 標箱）即采用6.8兆瓦時電池的純電動船舶。

四是再生能源利用優(yōu)勢。我國當前風電光伏發(fā)電不穩(wěn)定，發(fā)電量占比不高，儲能問題是關鍵。截至2022年底，全國風電光伏發(fā)電裝機突破了7 億千瓦，2022年風電光伏新增裝機占全國新增裝機的78%，新增風電光伏發(fā)電量占全國當年新增發(fā)電量的55%以上。隨著蓄能和電消納技術快速發(fā)展，未來可進一步替代火電機組，形成以可再生能源為主流、火電輔助穩(wěn)定的能源結構。

2.3 換電模式較靠岸充電模式更加安全節(jié)約高效

一是建設集中式換電站較傳統(tǒng)岸電充電站對岸線資源的利用率更高，避免電動船舶長時間充電占用岸線，提高運營時長。電池集中管理更便于電池溯源和梯次利用。

二是標準化程度高，可以使用通用的集裝箱電池儲能單元。

三是船舶換電站的建設只需要針對幾條主要航道建設，可以批量規(guī)模化使用，覆蓋難度相對較小。

四是換電模式可以船電分離，船東只需負擔除動力源外的船舶費用，集裝箱式移動電源可以通過租賃使用。換電站提供的充換電服務按照實際用電量進行度電收費，與船舶運費收入匹配，大幅降低了船東初次投資的負擔。同時，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)動機維修保養(yǎng)成本，結合油電能源成本的價差，在同等高效運營的情況下，換電船舶較同等配置的燃油船舶可實現較高的經濟性價值。

五是可在20～30 分鐘完成換電過程，便捷性極大提高，可極大保證船舶營運效率。

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

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

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

因此，我們認為換電技術路線可作為內河船舶電動化的首選技術路線。

3 關于試點推廣內河電動船舶換電技術的建議

一是研究出臺專項規(guī)劃。以長江、西江干線流域為示范區(qū)，對水水聯運、港內航行、定線航行等的內河集裝箱船舶實施試點推廣，支持地方和有關企業(yè)在沿線港口配設船舶換電作業(yè)設備設施、建設換電場站，推進船舶升級，進一步提高內河電動船舶換電技術滲透率，并為該技術創(chuàng)新研發(fā)提供豐富應用場景和有效市場需求。

二是聯合制定產業(yè)政策。聯合發(fā)展改革、工業(yè)和信息化、財政、稅務等部門制定有關政策，引導中央和地方財政適度加強對內河電動船舶建（改）造，換電技術研發(fā)應用，集裝箱式移動電源租賃、維修、回收等上下游企業(yè)的財稅支持，引導產業(yè)健康規(guī)范發(fā)展。

三是加快完善標準規(guī)范。圍繞構建統(tǒng)一開放交通運輸市場，會同發(fā)展改革、工業(yè)和信息化、生態(tài)環(huán)境、應急管理等部門，加快完善內河電動船舶電池動力、箱式電源和換電技術相關標準規(guī)范。重點完善集裝箱式移動電源的產品規(guī)格和生產標準，陸路轉運、碼頭作業(yè)標準，充電場站建設、安防、存放、充電等技術標準，更好統(tǒng)籌發(fā)展和安全。

四是更好發(fā)揮協(xié)會作用。引導港口協(xié)會、船東協(xié)會、航海學會等發(fā)揮聯系政府、服務企業(yè)、促進行業(yè)自律的作用，圍繞內河船舶動力降碳脫碳開展綜合性產業(yè)性研究，吸收企業(yè)和機構在技術研發(fā)、管理運營等方面創(chuàng)新成果，推廣應用先進適用技術和管理模式，協(xié)助政府推動內河航運綠色低碳發(fā)展，幫助企業(yè)開拓市場、解決爭端，促進船舶、港口、科技、能源、金融企業(yè)和科研院校集成創(chuàng)新。