船用電池動力技術(shù)的發(fā)展

中國船舶集團714所 范 維 王 晶 馮書桓

“零排放船舶”是一個循序漸進的發(fā)展概念，就如同自主船舶，需要從“部分”到“完全/絕對”的演進，這里的“部分”既可以是單船各項排放指標的削減程度，也可以是船隊中船型批次實現(xiàn)零排放的先后次序。針對“零排放”技術(shù)，業(yè)界正關(guān)注和討論LNG、甲醇、LPG、生物質(zhì)燃料、太陽能、氫氣、蓄電池及燃料電池等一系列動力技術(shù)。其中，蓄電池技術(shù)作為一種完全零排放解決方案（不考慮供電來源），已經(jīng)在海運領(lǐng)域逐步推廣并初具市場規(guī)模（主要集中在歐洲），是現(xiàn)階段能夠率先實現(xiàn)內(nèi)河及近海船舶零排放的唯一可行且有效的手段。

歐洲電池動力船舶應(yīng)用初具規(guī)模

當(dāng)前，歐洲有超過50艘純電動力船舶處于運營，其中最大電池容量為4.16MWh（鋰電池），最小的容量為0.02MWh（因建于1998年，為鉛蓄電池，無參考價值）。而真正意義上的全球首艘大型純電動力船舶“Ampere（安培）”號于2014年由挪威Fjellstrand船廠建造，電池容量為1.86MWh，船長80米，能運載120輛汽車和360名乘客，用于挪威Lavik與Oppedal兩座城鎮(zhèn)之間橫跨松恩峽灣的運輸，每天共發(fā)34班，每班航行時間為20分鐘，在港期間只需10分鐘即可充滿。此外，知名的自主航行集裝箱貨船“YARA Birkeland”號亦是純電動力船。

除了純電動力船舶外，一些船型較大的船舶正開始采用柴電混合或LNG+電混合動力技術(shù)，用以節(jié)省燃料消耗，降低廢氣排放量。例如，挪威探險郵輪船東海達路德（Hurtigruten）先后訂造了兩艘混合動力探險郵輪，分別于2018年和2019年交付，以期減少20%的燃油消耗。據(jù)悉，挪威一艘額定載客能力400人的纖維板制雙體鋰電混合動力渡輪，造價約1.4億挪威克朗，約合1.1億元人民幣。

目前，蓄電池技術(shù)（包括純電動力和混合動力）使用最多的船型為渡輪和游船，其次為近海小型運輸船和各式作業(yè)船（如拖輪）。這些船型具有航線固定、航程短或?qū)﹄姵厝哂喽纫蟮偷奶攸c。從經(jīng)濟性角度來看，采用電池混合動力的渡船大約能節(jié)省10%～30%的燃料成本，回報期為3～5年，而純電力驅(qū)動渡輪能節(jié)省50%～80%的燃料成本。根據(jù)IDTechEx于2017年1月發(fā)布的《2017-2027年電動小艇與船舶》預(yù)測，2027年全球純電及混電動力船艇市場將快速超過200億美元。

不可否認，氫燃料電池相較于蓄電池具有能量密度高、續(xù)航里程長、動力補給時間短、重量輕、性能提升空間大等諸多優(yōu)點，是最理想的零排放解決方案，但從兩者的技術(shù)難度與成本來看，蓄電池技術(shù)難度相對較小，生產(chǎn)相對成熟，動力源獲取成本相對較低，同時整個制造產(chǎn)業(yè)鏈完善，正處于規(guī)模效應(yīng)的擴大階段，而氫燃料電池的關(guān)鍵材料催化劑、質(zhì)子交換膜、雙極板等國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈基本處于空白狀態(tài)，且制造成本及加氫站建設(shè)成本等高昂。

圖 挪威船東Fjords 1運營的混電渡輪

總體而言，船舶依據(jù)船型大小和用途將逐步形成差異化的零排放技術(shù)方案。渡輪、游船、中小型探險郵輪、近海及內(nèi)河運輸貨船、海工支持船、漁場作業(yè)船等有望先行通過電池技術(shù)快速實現(xiàn)尾氣大幅減排或零排放，遠洋運輸船舶或其他大型船舶則需依賴其他替代燃料技術(shù)實現(xiàn)零排放。2030年以前，蓄電池動力技術(shù)將更為成熟，市場空間相對廣闊，而隨著燃料電池技術(shù)逐步成熟及配套設(shè)施逐漸完善，未來海運行業(yè)將呈現(xiàn)燃料電池和蓄電池動力船舶并存的局面。

國內(nèi)電池動力船舶應(yīng)用推廣基礎(chǔ)條件逐步形成

參照新能源電動汽車，除技術(shù)成熟度和安全性問題外，電池動力船舶能否批量推廣應(yīng)用還取決行業(yè)政策和基礎(chǔ)設(shè)施條件（充電設(shè)備）。

政策方面，交通運輸部針對船舶排放設(shè)定了一系列減排目標，對推廣船舶清潔能源利用具有較為積極的作用，例如《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施方案》和《推進珠江水運綠色發(fā)展行動方案（2018-2020年）》。不過，從內(nèi)容上看，這些文件更為關(guān)注LNG動力和岸電技術(shù)的應(yīng)用，對電池動力船舶技術(shù)推廣作用有限。

相較而言，廣州和深圳等地方政府出臺的政策文件在推廣電池動力船舶技術(shù)所發(fā)揮的作用更為直接。廣州市制定的《廣州港口船舶排放控制作戰(zhàn)方案（2018-2020年）》明確提出，在清潔能源應(yīng)用方面實現(xiàn)約5艘純電動船舶或混合動力客船投入運營；深圳市制定的《2018年“深圳藍”可持續(xù)行動計劃》則提出，要在包括綠色港航在內(nèi)的“十大工程”中，推廣使用電動港口工作船舶，并明確要在年底完成1艘電動執(zhí)法船設(shè)計方案和新船的訂購工作。據(jù)悉，目前該市還在積極研究相關(guān)的補貼政策，如通過老舊船更新補助等政策途徑，對電動汽渡船改造項目提供補貼等，鼓勵船舶“零排放”。然而，一些從事船檢工作專家并不支持發(fā)展鋰電池船舶，認為發(fā)生火災(zāi)時其更難被撲滅。

基礎(chǔ)設(shè)施條件方面，目前我國還沒有專門針對大容量電動船舶的充電設(shè)施，但李小鵬部長在2019年交通運輸部工作會議講話中提到，2018年全國建成岸電設(shè)備2400余套。盡管這些設(shè)備用于靠泊期間的船舶電力供應(yīng)，但也為電池動力船舶獲取電力提供了較好的硬件基礎(chǔ)，可以通過后期技術(shù)升級、改造或添置充電設(shè)施實現(xiàn)充電目的。隨著岸電要求的執(zhí)行，特別是《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實施方案》對岸電使用的明確規(guī)定，全國岸電設(shè)施配套規(guī)模和區(qū)域有望進一步擴大。

參考汽車行業(yè)，2019年3月5日海南省正式對外發(fā)布《海南省清潔能源汽車發(fā)展規(guī)劃》，明確海南將分領(lǐng)域、分階段加快推廣清潔能源汽車，2030年起全省全面禁止銷售燃油汽車，將建成國際首創(chuàng)的清潔能源汽車生態(tài)島，開放、共享的清潔能源汽車示范島。預(yù)計，我國船舶環(huán)保要求也會采用“試點-區(qū)域-全國”的升級方式，傳統(tǒng)內(nèi)河及近海燃油船舶有望逐步淘汰，未來會有更多岸電、充電設(shè)施集中投放在珠三角（粵港澳大灣區(qū)）、長江經(jīng)濟帶和環(huán)渤海灣以及海南地區(qū)，這為電池技術(shù)在船舶領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)條件。

抓住市場機遇發(fā)展電池動力船舶

2019年全國交通運輸工作會議明確，2019年將加快新能源和清潔能源車船推廣應(yīng)用，加快推動船舶靠港使用岸電，著力提升岸電設(shè)施利用率。與此同時，有消息稱交通運輸部和工信部擬研究開展內(nèi)河船升級更新工作。

我國擁有沿海船舶約1.03萬艘、內(nèi)河船舶計約13.2萬艘。根據(jù)交通運輸部發(fā)布的《2018年水路運輸市場發(fā)展情況和2019年市場展望》，截至2018年底，全國共擁有沿海省際萬噸以上干散貨船1832艘、6247.56萬載重噸，平均船齡10.09年，其中，老舊船舶（船齡18年以上）和特檢船舶（船齡28年以上）分別有190艘、36艘，占總艘數(shù)的10.37%和1.97%；沿海省際運輸油船（含原油船、成品油船，不含油品、化學(xué)品兩用船）1296艘、1024.34萬載重噸，平均船齡9.76年，其中，老舊船舶（船齡12年以上）和特檢船舶（船齡26年以上）分別有448艘、11艘，占總艘數(shù)的34.57%和0.85%；沿海省際液化氣船共72艘、24.79萬載重噸，平均船齡11.30年，其中，老舊船（船齡12年以上）和特檢船（船齡26年以上）分別有19艘、3艘，占總艘數(shù)的26.39%和4.17%；沿海省際化學(xué)品船（含油品、化學(xué)品兩用船）288艘、112.90萬載重噸，平均船齡10.01年，其中，老舊船舶（船齡12年以上）和特檢船（船齡26年以上）分別有107艘、2艘，占總艘數(shù)的37.15%和0.69%；沿海省際運輸700TEU以上集裝箱船共計252艘、71.6萬TEU，平均船齡9.63年，其中，老舊船舶（船齡20年以上）有27艘，占總艘數(shù)的10.71%，沒有特檢船舶（船齡29年以上）；渤海灣省際客滾船舶運力23艘、32340客位、3442車位，瓊州海峽省際客滾船舶運力58艘、51024客位、2781車位（船齡無統(tǒng)計）。如果考慮其他類型沿海小型船和內(nèi)河船，則船舶老齡化問題更為明顯，淘汰、升級需求將更為明確，這為蓄電池技術(shù)推廣提供了較好的市場基礎(chǔ)。

目前，我國已經(jīng)有電動船舶項目的初步嘗試。如廣船國際有限公司建造的2000噸級電動自卸船，整船電池容量約為2.4MWh，滿載情況下可續(xù)航80公里；上海瑞華集團改造的500噸級純電動貨船，充滿1次可航行50個小時，航程可達500公里；長江船舶設(shè)計院接獲的純電池動力客船設(shè)計項目，該船總長100m，主要用于旅游航線；上海復(fù)興船務(wù)和711所共同打造了國內(nèi)首制柴電混合動力拖輪。

為把握市場機遇，推動電池船高質(zhì)量發(fā)展，助力打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，船舶行業(yè)首先應(yīng)聚焦技術(shù)本身，關(guān)注船舶純電和混電技術(shù)在渡輪、中小型郵船、觀光船（內(nèi)河、湖泊）、江海貨運船及工作船上的應(yīng)用，開發(fā)相應(yīng)的高能源密度、高使用壽命、大容量電池組及配套電池動力系統(tǒng)，開展安全性的試驗，提升其安全水平，研究新船和現(xiàn)有船舶的設(shè)計和施工方案，提供有關(guān)產(chǎn)品和服務(wù)。第二，要發(fā)揮標準化作用，針對船舶電池系統(tǒng)和充電設(shè)施，一方面形成船舶動力蓄電池安全、性能方面的標準，規(guī)范動力蓄電池在船舶上的應(yīng)用，另一方面形成岸基充電設(shè)施、船舶充電設(shè)施、靠泊設(shè)施等配套標準，解決動力蓄電池在水運領(lǐng)域的應(yīng)用問題。第三，逐步推動政策銜接，將電池動力船舶作為新能源項目融入京津冀、長江經(jīng)濟帶、粵港澳大灣區(qū)、海南、白洋淀等區(qū)域政策、規(guī)劃以及有關(guān)行動計劃等文件，謀劃試點項目，推動相關(guān)補貼政策制定和落地，形成規(guī)模效應(yīng)。