不同船型的內(nèi)河純電池動力船舶經(jīng)濟性分析

姜 磊，梁 強，李 響，楊 瑞

不同船型的內(nèi)河純電池動力船舶經(jīng)濟性分析

姜 磊1，梁 強2，李 響1，楊 瑞1

（1. 交通運輸部水運科學研究院，北京 100088；2.中國長江電力股份有限公司檢修廠，湖北宜昌 443000）

本文采用多學科交叉融合的分析方法，利用技術經(jīng)濟學中的經(jīng)濟適用性及效益分析理論，對內(nèi)河純電池動力船的經(jīng)濟適用性進行分析。重點面向干散貨船、集裝箱船、客船三種進行橫向對比，分析了其三者運營經(jīng)濟性及全周期經(jīng)濟性，得出了純電池動力在我國內(nèi)河不同船型的適用性。

純電池動力 船舶 經(jīng)濟性船型

0 引言

純電池動力船舶是指以蓄電池為推進電源的船舶。蓄電池包含鋰離子蓄電池和能量型超級電容器，可用作推進電源、主電源、應急電源、備用電源、起動電源和其他輔助電源[1]。純電池動力船舶運營期間可實現(xiàn)NOX、SOX、CO2、PM等“零排放”，且振動小、噪音低、大幅減少含油污水排放，能夠有效防治船舶大氣污染、水污染，改善沿岸人居環(huán)境、優(yōu)化航運能源結構、推動產(chǎn)業(yè)轉型升級，成為航運業(yè)綠色船舶技術發(fā)展的熱點之一[2]。我國純電池動力船舶采用的動力方案主要有全鋰電池、全超級電容、鋰電池+超級電容3種方案，隨著近年來技術日益成熟，全鋰電池動力方案成為主流[3]。本文針對全鋰電池動力方案的純電池動力船舶進行分析。

1 純電池動力船舶造價分析

船舶鋰電池容量配置的主要影響因素包括主機推進功率、航線距離、航行速度以及生活用電功率等。根據(jù)交通運輸部相關統(tǒng)計，“十三五”期我國內(nèi)河貨物平均運距約為400公里，旅客平均運距約為25公里；長江現(xiàn)有干散貨、集裝箱、客運船舶不同噸級平均主機功率配置如表1所示。

表1 干散貨船平均主機功率及運距

圖1 干散貨船主機功率隨噸級變化趨勢

表2 集裝箱船平均主機功率及運距

客船方面，由于不同地區(qū)和航線的客船個性化較強，航速及裝修等生活設施配置選擇差異性較大，但主機功率配置總體上隨著船舶噸級增加而增大。

表3 客船主機配置及造價估算

圖2 客船平均主機功率

純電池動力船舶相比柴油動力船舶增加費用主要包括電池動力系統(tǒng)、推進系統(tǒng)及電控系統(tǒng)等。電池容量按照鋰電池配置滿足單航次用電量需求并冗余約20%估算，鋰電池系統(tǒng)[4]價格按照市場平均造價水平1500元/kwh計。根據(jù)部分主流設備廠商調(diào)研統(tǒng)計，純電池動力船舶增加主要設備造價估算如表4所示。

表4 干散貨船電動化配置造價估算

表5 集裝箱船電動化配置

表6 客船電動化配置

總體上來看，各船型都呈現(xiàn)隨船舶噸級增加，鋰電池配置、設備及系統(tǒng)造價上升的趨勢。

2 純電池動力船運營經(jīng)濟性分析

在純電池動力船運營經(jīng)濟性[5]分析方面，對比現(xiàn)有常規(guī)柴油動力船舶，對于長江現(xiàn)有船舶運營情況進行分析，其中，電價按照0.7元/kWh計（不計服務費），柴油價格按6500元/噸計。各類型船舶按照貨源/客源比較穩(wěn)定的設計運營工況計算。

表7 純電池動力船年節(jié)約燃料費（萬元）

圖4 干散貨船電動與柴油動力營運費比較

圖5 集裝箱船電動與柴油動力營運費比較

圖6 客船電動與柴油動力營運費比較

總體上來看，因油價高于電價，三種船型均滿足隨著船舶噸級增加，純電池動力年節(jié)約的費用也同步增加的趨勢。

3 純電池動力船全周期經(jīng)濟性分析

為體現(xiàn)電動船舶全周期的經(jīng)濟性[6]，按照船舶營運年限30年，電池壽命為充放電3000次或10年取小值，電池更換成本暫按目前造價水平。

圖7 干散貨船全周期營運費用分析

圖8 集裝箱船全周期營運費用分析

圖9 客船全周期營運費用分析

從全周期營運費用來看，隨著船舶噸級增大，雖然節(jié)約費用增加，但由于造價增加幅度高于節(jié)約費用增速，總體上船舶越大總費用虧損越高。故現(xiàn)階段來看，相比同型傳統(tǒng)柴油動力，純電池動力船舶尚難有經(jīng)濟優(yōu)勢。

從全周期總成本差占電池造價的比重來看，干散貨船和集裝箱船隨著噸級增加呈現(xiàn)擴大的趨勢，客船隨著總噸增加呈現(xiàn)減少的趨勢，故客船隨著總噸增加采用純電池動力的經(jīng)濟可行性高于干散貨船和集裝箱船。此外，各旅游景區(qū)的客船環(huán)保要求更高、舒適性要求更好，且各地對于新能源純電池動力客船有補助和優(yōu)惠政策，現(xiàn)階段客船采用純電池動力逐步成為趨勢。從未來發(fā)展趨勢看，隨著船舶使用的動力電池（磷酸鐵鋰）能量密度提升和價格逐步下降，干散貨、集裝箱船舶應用純電池動力的經(jīng)濟可行性將會逐步提高。

4 結論與建議

本文針對干散貨船、集裝箱船、客船進行橫向比較分析，分析了純電池動力船造價成本、運營經(jīng)濟性、全周期經(jīng)濟性。綜合比較分析結果得出現(xiàn)階段我國內(nèi)河客船純電池動力適用性高于集裝箱船、干散貨船。

目前我國純電池動力船舶尚處于發(fā)展初期期，面臨的重要問題是缺乏經(jīng)濟優(yōu)勢、相對于普通動力船舶投資回收期較長，主要體現(xiàn)在：一是船舶建造成本較高；二是運營成本節(jié)約有限，根據(jù)現(xiàn)在的供電價格，盡管船舶單位航行距離用電成本要低于用油成本，但幅度有限，不足以彌補增加的建造成本。與我國新能源電動車類似，建議在新能源純電動船舶發(fā)展初期給予財政和政策支持。

[1] 中國船級社. 純電池動力船舶檢驗指南(2019)[S]. 2019.

[2] 姜磊, 梁強, 陳攀. 基于客運安全的新能源純電池動力客船發(fā)展分析[J]. 中國修船, 2020, 33(3): 56-58.

[3] Jiang Lei, Yongbo Ji, Yalin Yi, etc. Research on the application of new energy pure battery powered ships in the Yangtze River[J]. IOP Conference Series Materials Science and Engineering, 2019, 688: 022046.

[4] Yu Le et al. Boosting lithium batteries under harsh operating conditions by a resilient ionogel with liquid-like ionic conductivity[J]. Journal of Energy Chemistry, 2021, 62 : 408-414.

[5] 張春來. 混合動力機車運營經(jīng)濟性研究[J]. 鐵路工程技術與經(jīng)濟, 2020, 35(05): 35-37.

[6] 周玉良. LNG運輸船全生命周期經(jīng)濟性分析要素探析[J]. 商訊, 2020(12): 145-146.

Economic Analysis of Different Types of Inland Pure Battery Powered Ships

Jiang Lei1, Liang Qiang2, Li Xiang1，Yang Rui1

(1. China Waterborne Transport Research Institute, Beijing100088, China; 2. China Yangtze Power Co.,Ltd., Yichang 443000, Hubei, China )

U664

A

1003-4862（2021）06-0011-04

2021-05-29

姜磊(1987-)，男，碩士，助理研究員。研究方向：交通工程。E-mail：782345042@qq.com。

楊瑞(1979-)，男，碩士，研究員。研究方向：電氣工程。E-mail：yangr@wti.ac.cn