內(nèi)河純電動船舶航運的適應(yīng)性及發(fā)展

劉星辰，盛進路

內(nèi)河純電動船舶航運的適應(yīng)性及發(fā)展

劉星辰，盛進路

（重慶交通大學(xué)交通運輸學(xué)院，重慶 400074）

為了控制船舶大氣污染物排放，實現(xiàn)船舶綠色發(fā)展，船舶電動化勢在必行。本文結(jié)合電動船舶在我國的發(fā)展現(xiàn)狀，對相關(guān)政策規(guī)劃進行解讀，從國際環(huán)境、航運環(huán)境以及電池技術(shù)等方面對電動船舶進行適應(yīng)性分析，并分析電動船舶在內(nèi)河發(fā)展存在的問題，提出相應(yīng)的發(fā)展思路。

電動船舶 政策規(guī)劃 適應(yīng)性 發(fā)展思路

0 引言

隨著歐盟、IMO（國際海事組織）等組織相繼出臺船舶排放新法規(guī)，以及內(nèi)河航運船舶防污染要求的不斷提升，純電動船舶以零排放、傳動效率高、運營成本低、技術(shù)附加值高等優(yōu)勢逐漸成為航運業(yè)關(guān)注的熱點。

近年來，我國發(fā)布了多項促進電動船舶發(fā)展的政策，廣州和深圳等地方政府出臺的政策更是明確指出要加快電動船舶的投入運行。并且我國內(nèi)河航道條件有著獨到的優(yōu)勢，岸電設(shè)備規(guī)模不斷擴大，人工智能發(fā)展不斷成熟，智能控制技術(shù)理論研究已達國際水平，電池動力來源豐厚。為減少船舶運營成本、降低船舶排放污染，實現(xiàn)內(nèi)河航運綠色轉(zhuǎn)型，純電動船舶的投入和使用勢在必行。

1 內(nèi)河純電動船舶的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 電動船舶發(fā)展現(xiàn)狀

目前，純電動船舶已經(jīng)成為航運業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的熱點，國內(nèi)外航運企業(yè)及相關(guān)部門都在大力推廣純電動船舶的建造和使用，以及相關(guān)技術(shù)設(shè)施的建設(shè)。在2008年以前由于技術(shù)條件的不成熟，電動船的訂單量和交付量極少，隨著世界對航運環(huán)境要求的不斷提升，目前世界擬建造和營運中電動船舶共計160余艘。

我國已建造的電動船舶數(shù)量僅20余艘，從應(yīng)用船型上，可以分為客船、車客渡船、港務(wù)船以及海工船等，主要應(yīng)用于內(nèi)湖、內(nèi)河以及近海港口[1]。2015年，上海瑞華集團研發(fā)的500噸級純電動內(nèi)河貨船試航成功，意味著純電動船舶開始進入我們的視線，純電動船舶的時代也將到來。廣船國際有限公司建造了2000噸級電動自卸船，采用超級電容+超大功率的鋰電池，船員配備6人，可續(xù)航80公里；“大灣區(qū)一號”是國內(nèi)首艘油電混合旅游船，實現(xiàn)了從芯片到混合動力直網(wǎng)電力系統(tǒng)的運用；“君旅號”是我國首艘大型純電動客船，使用全鋰電池動力和吊艙推進器的動力系統(tǒng)，電池容量等同于50輛電動汽車的電池容量；“中天電運001”是我國第一艘千噸級純電動貨船，其電池容量相當(dāng)于40輛電動汽車的電池容量，在電池技術(shù)上采用鋰電池混合超級電容的驅(qū)動系統(tǒng)，使電池負載量更大，更匹配千噸級船舶的運載能力。

圖1 電動船舶船型分類

1.2 發(fā)展電動船舶相關(guān)政策規(guī)劃解讀

相關(guān)部門相繼發(fā)布了船舶智能化、擴大污染物排放控制區(qū)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等有利于電動船舶發(fā)展的相關(guān)政策，為進一步加快船舶綠色轉(zhuǎn)型提供有利支撐。

為了優(yōu)化升級傳統(tǒng)燃油船舶，添加天然氣船舶、電動船舶等新能源船舶的營運，并且要限制船舶污染物排放、擴大船舶排放控制區(qū)。淘汰20年以上的老舊船舶以及限制高排放船舶的使用，加快港口岸電設(shè)施的建設(shè)，促使港口有能力向船舶供應(yīng)岸電。國務(wù)院在2018年出臺了《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》，此計劃的發(fā)布促進了電動船舶的發(fā)展。

為減少作業(yè)人員的配備，降低作業(yè)強度，提高船舶智能制造技術(shù)和信息集成化水平，并且對一些先進企業(yè)要求能夠建立比較先進的智能車間以及智能生產(chǎn)線，基本實現(xiàn)數(shù)字造船，工信部在2018年發(fā)布了《推進船舶總裝建造智能化轉(zhuǎn)型行動計劃(2019-2021年)》。同時為了提高船舶自動靠、離泊及航行智能感知等技術(shù)，為了對智能船舶進行推廣示范，并且試點示范自主航行、遠程遙控等功能的運用場景，對智能船舶虛實結(jié)合、岸海一體進行初步的綜合測試，交通運輸部在2018年發(fā)布了《智能船舶發(fā)展行動計劃(2019-2021年)》[2]。這兩次行動計劃表明船舶的智能化轉(zhuǎn)型已經(jīng)提上日程，為電動船舶的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

為了鼓勵生產(chǎn)混合動力和插電式混合動力發(fā)動機,以及鼓勵純電動船舶、混合動力船舶、油電混合動力船舶、船舶岸電技術(shù)、純電動燃料電池等機動車船技術(shù)的生產(chǎn)。2019年10月，國家發(fā)改委發(fā)布了《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2019年版）》[3]，整個船舶運輸產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整真正推動了電動船舶的發(fā)展。

2 純電動船舶在內(nèi)河航運中的適應(yīng)性分析

純電動船舶與傳統(tǒng)燃油船舶相比有著零排放、船型結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率更高、運營成本低等方面的優(yōu)勢，相關(guān)的配套產(chǎn)業(yè)還處在待開發(fā)階段，純電動船舶在內(nèi)河航運中的前景一片光明。

2.1 國際環(huán)境

歐盟、IMO關(guān)于船舶排放新法規(guī)的實施，國際海事組織“限硫令”的發(fā)布，要求船用燃料的含硫量在近海區(qū)要低于0.1％，在公海區(qū)要低于0.5％[4]，各國關(guān)于船舶污染排放的要求日趨嚴(yán)格，各港口已經(jīng)實施嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。電動船舶在挪威和荷蘭已取得較大的成功，世界要求可以發(fā)展電動船舶。

2018交通運輸部在《關(guān)于全面加強生態(tài)環(huán)境保護堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)的實施意見》提到：鼓勵淘汰船齡在20年以上的船舶[4]。據(jù)此分析，我國內(nèi)河估計要淘汰1萬艘以上的船舶，如果全部用純電動船來代替，應(yīng)用前景不可估量。

2.2 航運環(huán)境

我國內(nèi)河航道通航總里程已達10萬公里，居于世界第二，但是大部分航道只能通航小噸位船舶，只有約占總里程百分之十幾的航道能通航大噸位船舶。限于當(dāng)前電動船舶續(xù)航里程短，技術(shù)開發(fā)受一定的限制，短里程和小噸位船舶運行的航道更加適應(yīng)于電動船舶的建造和試運行；同時，內(nèi)河航道的貨運密度（單位航道里程的平均貨物周轉(zhuǎn)量）尚未充分利用，電動船舶船型結(jié)構(gòu)簡單，可有效提升船舶空間利用率，提高貨物的裝載量，進而提高航道的貨運密度。

以長江航運環(huán)境為例，長江干線航道自然地理條件優(yōu)越，中下游水流平穩(wěn)，江面開闊，不少河段江面寬度超過 10 千米，具有豐富的深水岸線資源。擁有世界上最先進的航道治理技術(shù)及內(nèi)河流域建設(shè)方案,并且是全世界內(nèi)河客貨運輸量最大的河流之一。長江干線共有港站220余個，生產(chǎn)性泊位近3300 個，深水岸線資源豐富。無論從地理環(huán)境、技術(shù)開發(fā)以及港口基礎(chǔ)和岸線資源方面都可以有利支撐電動船舶的發(fā)展，并且巨大的客貨運輸量有利于電動船舶的可持續(xù)發(fā)展。

2.3 蓄電池技術(shù)

在船用電池的類型選擇上，鋰電池以其能量密度高、使用壽命長、額定電壓高、自放電率很低，以及高低溫適應(yīng)性強等優(yōu)勢成為電動船舶船用電池的優(yōu)選能源。同時鋰電池必須經(jīng)過中國船級社的認(rèn)證才能在船舶上試行，目前，被中國船級社認(rèn)可的船用能源鋰電池只有磷酸鐵鋰電池，并且對磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品檢驗、系統(tǒng)檢驗做出了明確規(guī)定。

2.3.1 技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)方面

2014年，中國船級社發(fā)布的《太陽能光伏系統(tǒng)及磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗指南》明確提出磷酸鐵鋰電池可以作為船舶的動力蓄電池。并且對磷酸鐵鋰電池間的組件、磷酸鐵鋰電池的布置與安裝、電池管理系統(tǒng)等做出了明確要求，對電池出現(xiàn)的緊急情況規(guī)范了相應(yīng)的保護措施；2019年中國船級社又發(fā)布了《純電池動力船舶檢驗指南》[5]，該檢驗指南進一步對蓄電池的配備和容量、電池管理系統(tǒng)、功率和功能、充電裝置等做出規(guī)定，并規(guī)范了蓄電池艙的布置和安全保護措施。

2.3.2 技術(shù)性能方面

結(jié)合電動能源汽車在我國的應(yīng)用以及蓄電池技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，可以看出我國對電動機、電池管理系統(tǒng)、電子變流裝置等設(shè)備早已有比較充分的應(yīng)用，在蓄電池的技術(shù)開發(fā)上不存在很大的壁壘，重點需要突破的就是電池充電技術(shù)以及電池使用壽命等難題。據(jù)資料顯示，寧德時代已經(jīng)攻克了船用鋰電池安全、長續(xù)航、大功率、長壽命等技術(shù)難題，采用符合IP67以上防護等級的電池包，有效規(guī)避水汽、鹽霧及粉塵引發(fā)的安全風(fēng)險[6]，滿足全生命周期內(nèi)的IP等級要求。目前，已經(jīng)有8家電池廠商的產(chǎn)品獲得了中國船級社的認(rèn)定，主流市場主要包括國軒高科、寧德時代以及億緯鋰能。隨著今后更多電池廠商的加入，寧德時代的cpt技術(shù)、國軒高科的深度集成高壓控制系統(tǒng)、比亞迪的刀片技術(shù)都將進一步優(yōu)化磷酸鐵鋰電池的使用壽命、經(jīng)濟安全、能量儲能密度等技術(shù)性能。

3 純電動船發(fā)展壁壘及發(fā)展思路

3.1 發(fā)展壁壘

雖然我國人工智能技術(shù)趨于世界先進水平，并且出臺了相關(guān)政策措施推動電動船的發(fā)展，鋰離子電池技術(shù)也在不斷開發(fā)，但是國內(nèi)電動船舶的建造和使用數(shù)量還是很少，內(nèi)河船舶純電動化主要還存在以下難題：

1）充電與續(xù)航問題

電動船舶的充電過程比傳統(tǒng)柴油船舶的加油過程更加復(fù)雜，耗時更長，并且當(dāng)前電動船在我國還屬于新興行業(yè)，傳統(tǒng)柴油船舶有著比較完備的加油體系，而電動船舶在運輸過程中可能面臨無電可充的情況。目前電動船舶只在旅游觀光船和內(nèi)河短途運輸中有所應(yīng)用，主要原因就是充電設(shè)施不夠完善，充電方式不夠先進，電池續(xù)航能力不足，導(dǎo)致船舶無法進行長距離運輸。

2）船舶安全管理問題

電動船舶輪機部分和傳統(tǒng)柴油船舶的內(nèi)燃機在操作管理上有很大的不同，電池推進裝置、變電裝置、電池組等需要專門的技術(shù)人員進行操作。船用電池的電壓、溫度、故障等影響船舶安全的信息是由電池管理系統(tǒng)（BMS）進行監(jiān)控和識別，再上傳至后臺或者技術(shù)支持中心從而采取相關(guān)的應(yīng)急措施，傳統(tǒng)的船員已經(jīng)不適合安全操作管理新能源電動船舶。

船用電池的安全性能決定船舶及工作人員的安全性。而磷酸鐵鋰電池在過充放電以及熱沖擊條件下具有潛在爆炸的危險，在過量充電情況下會產(chǎn)生大量可燃氣體，在熱失控情況下會產(chǎn)生大量THC、CO、SO2等有毒、可燃煙氣，影響船舶及人員安全，并且對航運環(huán)境產(chǎn)生一定的污染。

3）船舶建造和運營成本問題

電動船舶經(jīng)濟問題主要在于船舶建造成本以及船舶運營成本。動力電池的價格昂貴，致使電動船舶的建造成本過高，初期資金投入較大，比傳統(tǒng)燃油船舶建造成本高出25％左右。并且在提供相同電能情況下的燃油成本與岸電價格相差無幾，導(dǎo)致船舶運營成本并未大幅度降低。

4)商業(yè)模式不清晰、管理體系不成熟

雖然國家出臺相關(guān)政策大力支持船舶電動化，但能研發(fā)并提供動力電池的企業(yè)較少，還沒有形成固定的規(guī)模，電池租賃和裸船銷售的形式被大多企業(yè)所采用，除了磷酸鐵鋰電池獲得船檢社認(rèn)可以外，缺乏更多動力電池的選擇。船舶制造商與動力電池開發(fā)企業(yè)缺乏聯(lián)動性，沒有較為完備的供應(yīng)鏈模式，船舶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系以及船岸管理體系尚未建立，缺乏相關(guān)的法律制度。

3.2 發(fā)展思路

1）開發(fā)和創(chuàng)新充電方式，加強電池科研攻關(guān)

動力電池研發(fā)企業(yè)需要加強對電池能量密度、電池容量、使用壽命等指標(biāo)的技術(shù)開發(fā)，提升電池的續(xù)航能力。并且研制除磷酸鐵鋰電池外其他鋰離子電池作為船舶的動力電池，例如碳酸鋰、鎳酸鋰等鋰電池的技術(shù)開發(fā)。在解決船舶充電問題上，一方面需要制定統(tǒng)一的充電標(biāo)準(zhǔn)，在內(nèi)河航運密集的地方加大岸電設(shè)備的建設(shè)和投入，建立完善的充電管理體系，并且大力研發(fā)快速充電系統(tǒng)成套技術(shù)。另一方面可以合理利用太陽能、風(fēng)能、波浪能等自然能源輔助發(fā)電，設(shè)計波浪能、風(fēng)能、太陽能發(fā)電裝置，將其轉(zhuǎn)化為電能供船舶推進，可以有效解決船舶續(xù)航以及充電問題。并且在大力發(fā)展有線充電的基礎(chǔ)上，開發(fā)無線充電技術(shù)，將無線充電應(yīng)用到實踐中，減少船舶充電時間以及停泊時間，提高船舶的營運效率。

2）提高船員適任能力，加強電池安全維護

重新界定電動船舶船員的適任能力和人員配備問題，嚴(yán)格設(shè)定電動船舶船員資格證書，對船員進行特殊培訓(xùn)，要求船員在具備傳統(tǒng)航?；境ＷR以及機電操作能力的基礎(chǔ)上，掌握船用智能系統(tǒng)包括電池管理系統(tǒng)的操作規(guī)范，并具備動力電池安全應(yīng)急的能力。雖然電動船舶采用了電池管理系統(tǒng)以及大量自動化航行設(shè)備，替代了以前船員的監(jiān)控、操作工作，減少了船員的工作強度以及船員配備數(shù)量。但要設(shè)定好電動船舶船員最低安全配員的數(shù)量，在滿足船舶安全且適航的前提下，減少船舶人員配備數(shù)量。

磷酸鐵鋰電池由于在高溫條件下會具有潛在爆炸的危險，影響船舶安全，解決方法可以考慮從電解液出發(fā)，通過在電解液里添加新型鋰鹽以及新型溶劑可以有效提升電解液的安全性。同時可以通過用金屬氧化物對電極材料進行包裝修飾，來提升電極材料的安全性。并且制定電池應(yīng)急保護措施，明確指出電池出現(xiàn)各種危機情況時的處理措施。

3）制定相關(guān)法律法規(guī)，做好電池回收處理工作。

電動船舶跟傳統(tǒng)的燃油船舶在動力推進系統(tǒng)以及運營管理上都截然不同，因此不能以傳統(tǒng)的法律法規(guī)來管理電動船舶，應(yīng)重新制定相關(guān)的法律法規(guī)體系，特別對船員的責(zé)任分工劃分明確。并且建立具體的方案流程對船用電池進行回收處理，對廢棄電池和可回收電池進行分類，減少對環(huán)境的污染。同時國家應(yīng)給予電動船舶制造商一定的資金支持，并推動降低港口岸電價格，從而減輕企業(yè)初期造船成本和電動船舶營運成本。

4 結(jié)語

從我國內(nèi)河航道條件以及航運特點、電池開發(fā)技術(shù)等方面分析來看，電動船舶是適合在我國大力發(fā)展的。但由于鋰電池價格昂貴，充電系統(tǒng)不完善，充電方式不先進以及電池容量技術(shù)開發(fā)有限，因而電動船舶的發(fā)展存在充電困難、續(xù)航能力不足、造船及營運成本高等方面的問題。相關(guān)企業(yè)和部門應(yīng)該開發(fā)和創(chuàng)新充電方式，充分利用太陽能、風(fēng)能、波浪能等能源發(fā)電，做好動力電池應(yīng)急保護措施，對船員進行特殊培訓(xùn)，給予電動船制造企業(yè)資金補助，并制定相應(yīng)的法律法規(guī)。

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Adaptability and Development of Pure Electric Ship for Inland River Shipping

Liu Xing Chen, Sheng Jinlu

（School of Traffic and Transportation, Chongqing JiaoTong University, Chongqing400074, China）

U674

A

1003-4862（2021）06-0019-04

2021-05-29

劉星辰（1998-），研究生。研究方向：交通運輸工程。E-mail：541517402@ qq.com

盛進路（1976-），男，教授。研究方向：航運管理。E-mail：forwardlulu@163.com