古偉華，黎世斌

（中國能源建設(shè)集團(tuán)投資有限公司南方分公司，廣東 廣州 510623）

0 引言

在綜合交通運(yùn)輸體系當(dāng)中，水運(yùn)具有運(yùn)量大、成本低、綠色低碳的顯著優(yōu)勢。黨的十八大以來，我國已經(jīng)成為世界上具有重要影響力的水運(yùn)大國，總體規(guī)模保持世界第一。到2021 年底，我國內(nèi)河航道的通航里程有12.8 萬km，其中高等級航道超過1.6 萬km，擁有生產(chǎn)用碼頭泊位20 867 個，萬噸級及以上的泊位是2659 個，基本形成了長三角、津冀、粵港澳等世界級的港口群。

內(nèi)河航運(yùn)業(yè)蓬勃發(fā)展，但傳統(tǒng)船舶燃燒的柴油排放二氧化碳、硫氧化物等氣體，對流域生物及沿線環(huán)境造成了極大的影響。在全球減碳的背景下，船舶動力燃料的選擇也被認(rèn)為是航運(yùn)業(yè)實現(xiàn)綠色減碳的關(guān)鍵[1]。為盡早實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)，我國已著手加大新能源、清潔能源在航運(yùn)業(yè)的推廣應(yīng)用力度，推廣液化天然氣（liquefied natural gas, LNG）節(jié)能環(huán)保船舶，探索發(fā)展純電力、燃料電池等動力船舶[2]，未來低碳甚至零碳排放船舶將成為趨勢。而在眾多技術(shù)路線中，隨著電池的能量密度的提升，成本的不斷下降，船舶電動化是當(dāng)前最受關(guān)注的方向之一。

1 新能源船舶發(fā)展現(xiàn)狀及問題

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計，西江內(nèi)河流域約有大小船舶5 萬艘，僅僅年燃油消耗量就超過2800 萬t，是生態(tài)負(fù)荷較重的區(qū)域之一。相比燃油船舶，電動船舶應(yīng)用具有零廢氣、零污染、零碳排放以及超低噪聲、無振動的技術(shù)優(yōu)點。與常規(guī)燃油相比，清潔能源作為燃料使用卻存在風(fēng)險。LNG、甲醇、氨等清潔能源大多具有易燃易爆、生物毒性、材料兼容性等特點，部分燃料還需要低溫甚至超低溫儲存[3]。此外，將甲醇、氫、氨等清潔燃料應(yīng)用于船用燃料的技術(shù)在國內(nèi)外都剛起步，關(guān)鍵技術(shù)還處于研發(fā)或試點階段，短時間內(nèi)尚不具備在船舶上規(guī)?；逃玫臈l件。

因此，世界各國都嘗試采用光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等新能源作為動力來源[4]，經(jīng)過很長一段時間的研究，新能源在船舶上應(yīng)用已有很多成功的案例。全球多個有影響力的船舶企業(yè)紛紛發(fā)布新能源技術(shù)在船舶上應(yīng)用的工藝、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，為新能源動力系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用提供了很好的商業(yè)應(yīng)用支撐。但目前新能源只能在噸位較小的船上使用，無法解決大噸位運(yùn)輸船的問題。

純電池動力船的建設(shè)和使用，將簡化整個船舶的系統(tǒng)設(shè)計，大大降低造船和船舶使用的成本。電池倉儲存的電能做為主電源或備用應(yīng)急電源部分替代原有的動力提供裝置，甚至完全采用電池倉電能作為動力而完全替代原有的燃油發(fā)電機(jī)組，使整個造船成本相應(yīng)降低。而為了適應(yīng)當(dāng)前的內(nèi)河運(yùn)輸環(huán)境，將存量的油船改造為純電船也是可行的。目前，國內(nèi)已經(jīng)有油船改電船的成功案例。例如，由國網(wǎng)江蘇電力聯(lián)合相關(guān)部門和企業(yè)共同打造的“船聯(lián)1 號”[5-6]拆除了原來的柴油動力系統(tǒng)，將其更換成兩組總重34 t 的可移動磷酸鐵鋰電池。整船電池容量約為2200 kW·h，相當(dāng)于約30 臺電動轎車的電池容量。電動船若設(shè)計可續(xù)航120 km 以上，則其每次充電時間為3 h，而更換電池艙后則僅需要10 min 充電時間。經(jīng)濟(jì)上，油改用電后降低使用成本超60%，使用電船每年二氧化碳排放量可減少960 t。

船舶動力驅(qū)動系統(tǒng)需要在惡劣的環(huán)境下依然保持良好的能源供給，而如今風(fēng)電－光電互補(bǔ)技術(shù)也得到了一定程度的開發(fā)和應(yīng)用。例如，在2000 年澳大利亞開發(fā)出世界上第一艘商用太陽能和風(fēng)能混合動力雙體客船[7]，這是一種既可以單獨使用太陽能轉(zhuǎn)換為電能的形式，也可以單獨使用風(fēng)能的形式，還可以復(fù)合使用兩種能源的新型船舶。

1.2 發(fā)展問題及解決方案

當(dāng)前，新能源或復(fù)合新能源在船舶上的運(yùn)用依然難以滿足持續(xù)的能源需求。到目前為止，內(nèi)河運(yùn)輸主要面臨柴油機(jī)驅(qū)動、碳排放、對水體有污染、成本高等問題，一些解決方案是推動LNG 船、氫能船和氨氣、甲醇燃料船的應(yīng)用，但加注燃料的選點要求高，導(dǎo)致這些方案難以實現(xiàn)。對于風(fēng)電和光伏上船，其難點是船舶的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間有限。根據(jù)上述新能源船舶發(fā)展現(xiàn)狀，采用上述新能源為船舶提供電能有潛在優(yōu)勢，但卻難以滿足遠(yuǎn)程船舶運(yùn)作的用電需求。為此需要為電動船舶發(fā)展尋求一條分散式風(fēng)電+儲能+船舶靠岸換電池的低碳可持續(xù)發(fā)展路線。

（1）風(fēng)電：我國風(fēng)力發(fā)電商業(yè)開發(fā)從1994 年開始起步，得到迅速發(fā)展，行業(yè)并網(wǎng)裝機(jī)容量持續(xù)增長。據(jù)資料顯示，2021 年我國風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)3.28 億kW，同比增長16.6%；占總裝機(jī)容量的13.81%，發(fā)電量占比為7.1%。風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)已經(jīng)非常成熟。陸上5 MW 的風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)逐步成為新裝機(jī)主流。以一臺 5 MW 的風(fēng)機(jī)為例，在全年平均風(fēng)速為5 m 的情況下，年均滿發(fā)小時數(shù)可以達(dá)到2000 h，一年的發(fā)電量可以超過1000 萬kW·h。單位發(fā)電成本可以控制在0.35 元（/kW·h）左右。

（2）電池倉：在國內(nèi)新能源發(fā)電規(guī)模大幅增長、鋰電池成本持續(xù)下降的推動下，電化學(xué)儲能裝機(jī)規(guī)模一直保持高速增長的趨勢。據(jù)統(tǒng)計，截至2021 年我國電化學(xué)儲能投運(yùn)規(guī)模達(dá)到1.87 GW，累計裝機(jī)規(guī)模達(dá)到5.51 GW，同比增長68.5%。未來5 年，隨著分布式光伏、分散式風(fēng)電等分布式能源的大規(guī)模推廣，電化學(xué)儲能行業(yè)將面臨更廣闊的市場發(fā)展空間。目前主流的電化學(xué)儲能主要有3 種：鉛酸電池、三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。中國電池技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，電池產(chǎn)品的應(yīng)用也在多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了創(chuàng)新和突破。其中寧德時代在重卡換電領(lǐng)域已有多年實踐經(jīng)驗，其電池在環(huán)境惡劣的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)5000次以上的充放電。船用電池倉的工作環(huán)境更好，一個標(biāo)準(zhǔn)的20 尺集裝箱電池倉，可以集成整個電池動力、空調(diào)消防、電力自控、逆變系統(tǒng)等，可以實現(xiàn)1.5～2.0 MW·h 的電力存儲，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，每兆瓦時的成本可以控制在200 萬元左右。

（3）岸電碼頭：一個標(biāo)準(zhǔn)的換電碼頭，可以布置兩臺5 MW 的分散式風(fēng)機(jī)，搭配6 個2 MW 的儲能電池倉，配置一臺30 t 岸吊，再配合一個專門的換電專用APP，能夠?qū)崟r顯示各個換電站電池的數(shù)量及各電池倉的充電量，能夠顯示平臺內(nèi)全部電池的實時位置及剩余電量，能夠提前預(yù)訂電池及進(jìn)行相關(guān)費用結(jié)算。此類型碼頭的設(shè)計中，前期有人值守，遠(yuǎn)期實現(xiàn)無人值守，可以由一般船員按規(guī)程自行完成操作。

2 西江船運(yùn)低碳發(fā)展策略

西江河道橫跨廣東、廣西、云南、貴州4 個省、自治區(qū)，流經(jīng)廣西大部分經(jīng)濟(jì)增速較快城市，全長約3000 km。其中，廣州至南寧航段的航行里程就達(dá)到854 km。西江運(yùn)力僅次于長江。西江河流域約有2 萬多艘2000 t 以上的散貨運(yùn)輸船舶，僅年燃油消耗量就超過1500 萬t，因此，對西江航道船舶實施油改電綠色節(jié)能改造將對保護(hù)水體環(huán)境及減碳起到關(guān)鍵作用。為實現(xiàn)持續(xù)船運(yùn)供電，可以沿河道建設(shè)新能源換電站，同時解決船舶綠色用電問題。

2.1 主導(dǎo)思路

首先，政府出臺相關(guān)油改電扶持政策，鼓勵和補(bǔ)貼內(nèi)河運(yùn)輸船油改電；其次，依托西江上現(xiàn)有火力發(fā)電廠的設(shè)備吊裝碼頭，建設(shè)內(nèi)河新能源換電站，近期實現(xiàn)每100 km 布局一個換電站，遠(yuǎn)期實現(xiàn)每50 km左右布置一個換電站，形成從廣州到廣西貴港全航道覆蓋；再次，建立統(tǒng)一的電池倉技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以全產(chǎn)業(yè)配套提高電動船的比例，實現(xiàn)低碳發(fā)展目標(biāo)；最后，以西江為試點，進(jìn)一步推廣至全珠江流域乃至全國，形成油改電、電池供應(yīng)全新的萬億產(chǎn)業(yè)鏈。

2.2 具體方案

（1）保障措施：國家出臺電動船改裝補(bǔ)貼政策，以加快電動船產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在純電動驅(qū)動等形式新能源內(nèi)河船舶上落實補(bǔ)貼政策，將對行業(yè)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。同時出臺為純電動船頒發(fā)綠證的相關(guān)政策，使純電動船得以優(yōu)先通過河道船閘。

（2）換電站布局：西江流域有眾多的沿江火力發(fā)電廠，按航道圖布置核心換電站，約每100 km 一個，估算需15～20 個換電站，布置換電站的核心站點為珠海電廠、三水恒益電廠、肇慶大旺國電電廠、云浮華潤西江電廠、梧州、貴港、南寧。用電廠的設(shè)備碼頭作為換電碼頭，在電廠的碼頭上布局換電站，有以下6 個方面的好處：①可以直接用現(xiàn)有的岸線，無須另外投入岸線費用，即岸線改造的費用較小。②通常電廠的設(shè)備碼頭就在煤碼頭邊上，離居民區(qū)較遠(yuǎn)，便于分散式風(fēng)機(jī)的安裝及減少運(yùn)營噪聲對周邊居民影響。③可以綜合考慮倒塌等其他安全風(fēng)險。④設(shè)備碼頭有足夠的儲能電池倉擺放空間，也利于以后的擴(kuò)容。⑤電廠本身有廠用電，在風(fēng)機(jī)出力不足的情況下，無須額外增容充電變壓容量。⑥通過碼頭充電，還能提高電廠直售電比例，提高電廠收益。所以，一期優(yōu)先選擇沿江火力發(fā)電廠的碼頭布置骨干換電站，二期再根據(jù)實際航道需要，加密布置普通換電站。

（3）制定統(tǒng)一電池倉標(biāo)準(zhǔn)：聯(lián)系主要電池生產(chǎn)商，制定統(tǒng)一的電池接口標(biāo)準(zhǔn)，確保所有換電電池倉運(yùn)維統(tǒng)一。電池倉可以由投資方以融資租賃的方式從電池廠采購，電池廠方負(fù)責(zé)整個運(yùn)行期維保。船東則以合適的價格租用。

（4）碼頭及岸吊：根據(jù)改動的不同船型，在碼頭泊系時就要精準(zhǔn)停泊到位，在碼頭上安裝電池倉專用岸吊操作系統(tǒng)，確保在斷電的情況下，能夠一鍵換電，全自動化操作。

（5）綠電源解決方案：換電碼頭安裝新能源電力系統(tǒng)，預(yù)計電費為0.6～0.8 元/（kW·h）。每艘船在換電前，要提前在APP 上下單。換電站工作人員可以根據(jù)APP 實時信息提前準(zhǔn)備換電，同時了解可換電的電池倉數(shù)量及剩余電量。

（6）經(jīng)濟(jì)性測算：考慮電池倉成本和折舊費，換算單位用電成本為0.51～0.55 元/（kW·h）。而核心換電站要布置2～3 臺專用岸吊，同時計算電費和人工費折合為0.10～0.12 元/（kW·h）；另外，碼頭系泊費和服務(wù)費折算出電費為0.06～0.10 元/（kW·h）。全部按照最高的費用計算，再考慮30%的社保、人工、服務(wù)費、稅費等綜合成本，即（綠電0.6+電池倉0.55+岸吊0.12+系泊費用0.1）×1.3=1.78 元，遠(yuǎn)低于目前柴油機(jī)4 元/（kW·h）的成本。這樣可以促使更多的船東愿意油改電。

3 西江換電站的效益與意義

3.1 效益

西江換電產(chǎn)業(yè)包含了油改電產(chǎn)業(yè)、電池倉產(chǎn)業(yè)、風(fēng)電、光伏新能源投資，這些產(chǎn)業(yè)5 年產(chǎn)值或投資額分別可達(dá) 750 億元、3900 億元和 2000 億元。此外，換電站基礎(chǔ)設(shè)施改擴(kuò)建、其他配套岸電及應(yīng)急母船投資約30 億元。推廣至全國，那就是一個萬億級的大市場。

3.2 意義

（1）現(xiàn)在內(nèi)河運(yùn)輸每年總體貨運(yùn)量大約是35 億t，每年內(nèi)河的交通碳排放占總交通碳排放的8%～11%。按照西江航線油改電路線，每年可節(jié)能減排4800 萬t 溫室氣體，減少整體交通行業(yè)的碳排放量。還能夠降低我國石油對外依存度，減少石油的進(jìn)口量。

（2）對提升西江水質(zhì)具有重大意義。西江沿江居民總數(shù)超過1 億，西江水是沿江居民的飲用水源。保護(hù)好西江，就是保護(hù)好珠三角的母親河。

（3）為遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船的電動化及遠(yuǎn)洋運(yùn)輸換電站的布局做好驗證和試點。根據(jù)“先陸上、再海上”的原則，最終可解決遠(yuǎn)洋運(yùn)輸電動船海上換電難題。

（4）拉動油改電產(chǎn)業(yè)、儲能及電池倉行業(yè)、分布式能源行業(yè)的發(fā)展，推動我國能源消費結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級，同時拉動經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

（5）電動船的運(yùn)維人員至少比燃油船少兩人，直接節(jié)約了運(yùn)行費用，也緩解了航運(yùn)業(yè)船工招工難的問題。

（6）另外，相關(guān)的配套設(shè)施還可以形成國際標(biāo)準(zhǔn)，向“一帶一路”國家輸出，為我國的相關(guān)造船、改船、電池設(shè)備、儲能實施、風(fēng)機(jī)設(shè)備出口奠定基礎(chǔ)。

（7）參與換電碼頭或換電站建設(shè)的火電廠提高了經(jīng)濟(jì)收益。既可以投資風(fēng)電，又優(yōu)化了電廠火電的處理，增加了發(fā)電廠的整體效益。

4 結(jié)語

在西江上布局內(nèi)河換電站，覆蓋從廣州到廣西貴港的整個5000 t 航道，從而推動油改電，在統(tǒng)一電池倉標(biāo)準(zhǔn)的前提下，可以提升電池的容量及安全性，在充放電次數(shù)、衰減性等得到解決的情況下，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)價值。而在換電碼頭上布置分散式的風(fēng)電和分布式的光伏，解決電源問題，必將使西江的內(nèi)河航運(yùn)減碳目標(biāo)得以早日實現(xiàn)。通過油改電，有效促進(jìn)了造船、改船、電池、儲能等技術(shù)水平的提高，同時提升了內(nèi)河航運(yùn)總量，為“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)及西江、珠江水質(zhì)的提升做出了積極的貢獻(xiàn)。