基于電池的電動(dòng)集裝箱船在內(nèi)河應(yīng)用中的分析

何金寶，李雯

（1.江西省港口集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330100；2.江西省港航運(yùn)輸有限公司，江西 南昌 330100）

據(jù)預(yù)測(cè)，到2050 年，航運(yùn)排放量將占全球二氧化碳排放量的17%，對(duì)人類(lèi)生存環(huán)境和身體健康構(gòu)成重大威脅。面對(duì)日益嚴(yán)格的監(jiān)管環(huán)境，航運(yùn)業(yè)正在競(jìng)相尋找可商業(yè)部署的低品質(zhì)燃油零排放替代品。我國(guó)內(nèi)河通航里程12.7 萬(wàn)公里，居世界第一，內(nèi)河運(yùn)輸船舶11.95 萬(wàn)艘。研究表明，相對(duì)于低品質(zhì)燃油，電化學(xué)燃料將使貨船的總成本增加200-600%，因此降低電池成本是電池電動(dòng)船的推廣應(yīng)用的關(guān)鍵[1,2]。

馬士基已經(jīng)在東亞和西非之間運(yùn)營(yíng)的集裝箱船上開(kāi)展混合動(dòng)力電池試驗(yàn)，一艘全電動(dòng)集裝箱船預(yù)計(jì)將于20 年代初在挪威開(kāi)始自主運(yùn)營(yíng)，同時(shí)日本、瑞典和丹麥等也正在開(kāi)展電動(dòng)船項(xiàng)目的研發(fā)。國(guó)內(nèi)64TEU 內(nèi)河綠色智能集裝箱船“國(guó)創(chuàng)號(hào)”2021 年下水，成為首艘模塊化電池動(dòng)力組，采用換電模式運(yùn)營(yíng)的內(nèi)河船舶，是第一艘滿(mǎn)足綠色船舶三級(jí)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)河船舶。

然而，目前對(duì)電動(dòng)集裝箱船的系統(tǒng)分析，除了這些初步試點(diǎn)項(xiàng)目外，基于電池的電力儲(chǔ)能系統(tǒng)推進(jìn)[5]作為潛在的低排放替代方案有待進(jìn)一步充分研究[3-4]。因此，本文聚焦于最低電池成本，分析電池-電動(dòng)集裝箱船的發(fā)展，并以某應(yīng)用于內(nèi)河的2000 噸級(jí)純電池電力推進(jìn)集裝箱船為實(shí)例，給出其總體設(shè)計(jì)，以及對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、智能能效系統(tǒng)的分析。

1 船用集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)分析

電池-電動(dòng)集裝箱運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)限制是電池系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)的體積相對(duì)于船舶現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料儲(chǔ)存和機(jī)械空間所占據(jù)的體積。同時(shí)，在確定船舶電力需求方面，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)BES 自身重量也必須考慮在內(nèi)。理論上，可以通過(guò)增加吃水來(lái)增加其承載能力，但更高的吃水會(huì)增加船體阻力，據(jù)估算，5GWh 的磷酸鐵鋰電池重20000 噸且會(huì)增加1 米吃水深度，因此需要更多動(dòng)力來(lái)達(dá)到相同航速。船上BES 系統(tǒng)的體積取決于船舶的功率要求、巡航速度、航程長(zhǎng)度、電力效率和電池能量密度。鑒于在電池成本進(jìn)一步降低之前，電氣化可能僅限于具有更短、更頻繁航行、更低功率要求和充電時(shí)間限制的小型短程船舶。

2 智能能效系統(tǒng)分析

智能能效管理系統(tǒng)通過(guò)在機(jī)艙、船體上布置傳感器，采集通航環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)以及主要耗能設(shè)備（柴油機(jī)、氣體機(jī)）能源消耗參數(shù)等，結(jié)合動(dòng)力形式、運(yùn)行工況特點(diǎn)以及運(yùn)營(yíng)航段情況等，通過(guò)對(duì)船航行狀態(tài)、耗能狀況的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，實(shí)現(xiàn)航行狀態(tài)自動(dòng)判斷、能耗及能量分布分析、能效分析及評(píng)估等，為船舶管理者提供綜合評(píng)估結(jié)果以及輔助決策建議。同時(shí)結(jié)合貨運(yùn)航線(xiàn)、各航段水文條件、動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行模式以及燃料消耗裝置特性等，實(shí)現(xiàn)基于航次計(jì)劃及經(jīng)濟(jì)效益下的航速優(yōu)化。

（1）能效在線(xiàn)監(jiān)控功能：①主要耗能設(shè)備的功率、壓力、溫度等參數(shù)；②通過(guò)流量計(jì)電能表等監(jiān)測(cè)主要耗能設(shè)備燃料和電能消耗參數(shù)；③監(jiān)測(cè)推進(jìn)功率參數(shù)；④GPS 及計(jì)程儀監(jiān)測(cè)船速、對(duì)水速度以及航向等；⑤測(cè)深儀監(jiān)測(cè)水深；⑥液位計(jì)監(jiān)測(cè)船舶吃水。

（2）能效能耗計(jì)算及評(píng)估：①船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)（EEOI）；②單位距離燃料消耗；③單位運(yùn)輸功燃料消耗；④單位距離CO2排放；⑤單位運(yùn)輸量CO2排放；⑥燃料小時(shí)消耗量；⑦燃料日消耗量；⑧燃料航次（航段）消耗量等。

（3）從推進(jìn)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等方面對(duì)整船的能量消耗分布和能量利用率進(jìn)行計(jì)算，包括：①初級(jí)能源消耗端能量分布；②能量損失分布；③能量利用率。

（4）航速優(yōu)化功能主要包括：①計(jì)算已航行距離、已航行時(shí)間，預(yù)報(bào)剩余航程、預(yù)計(jì)到港時(shí)間；②計(jì)算當(dāng)前航速下燃油消耗率、剩余航程所需燃料量等；③評(píng)估航速影響因素及其相關(guān)關(guān)系；④提供船舶營(yíng)運(yùn)費(fèi)用核算功能；⑤基于經(jīng)濟(jì)效益、航次計(jì)劃和燃油消耗，提供航速優(yōu)化建議和方案。

3 電動(dòng)船舶成本分析

通過(guò)計(jì)算每公里航程長(zhǎng)度的行駛總成本（TCP）來(lái)測(cè)試電池電動(dòng)集裝箱船的經(jīng)濟(jì)可行性。研究表明，對(duì)于航程小于1000 公里8000 標(biāo)準(zhǔn)箱的船級(jí)，電池電動(dòng)船的TCP 低于現(xiàn)有ICE 船，在更長(zhǎng)航程中，電池系統(tǒng)的額外成本、增加的電力需求和充電基礎(chǔ)設(shè)施超過(guò)了燃料轉(zhuǎn)換所節(jié)省的成本和直接電氣化的效率提升。但是，如果考慮到環(huán)境成本，電池驅(qū)動(dòng)船的成本在5000 公里航程均處于優(yōu)勢(shì)。然而，盡管這些大航程更具有成本效益，但電池重量會(huì)使船舶吃水超出安全運(yùn)行參數(shù)，因此在船舶設(shè)計(jì)沒(méi)有實(shí)質(zhì)性改變的情況下，大航程船舶不太可能成為完全電氣化的最合適選擇，而運(yùn)行在內(nèi)河航線(xiàn)的中小型船舶更具優(yōu)勢(shì)。

4 一型電動(dòng)船的總體設(shè)計(jì)案例分析

本節(jié)以航行于內(nèi)河B 級(jí)航區(qū)的某純電池電力推進(jìn)集裝箱船為例，給出已應(yīng)用的純電池電動(dòng)船的總體設(shè)計(jì)方案。該船為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排及碳中和的號(hào)召，設(shè)計(jì)了4 個(gè)集裝箱式電池作為推進(jìn)動(dòng)力及全船電源。考慮了內(nèi)河支線(xiàn)航道航速很低，主機(jī)的負(fù)荷率極低，為了進(jìn)一步解決主機(jī)在低負(fù)荷下的耗能高的問(wèn)題，設(shè)置變頻電力推進(jìn)，在船舶航行于限制航道的時(shí)候使用。

4.1 主要尺度

表1 為該船的主要技術(shù)參數(shù)。該船為2000 噸級(jí)純電池電力推進(jìn)集裝箱船，其推進(jìn)及電源系統(tǒng)采用2臺(tái)330kW 的電力直驅(qū)全回轉(zhuǎn)對(duì)轉(zhuǎn)舵槳，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。采用4 個(gè)集裝箱磷酸鐵鋰電池，額定容量1680KWh。其航速和續(xù)航力在吃水3.2m 狀態(tài)下，在兩臺(tái)對(duì)轉(zhuǎn)舵槳各獲得350 kW 功率下，設(shè)計(jì)航速～14km/h，滿(mǎn)載排水量2620 噸。在不更換箱式電池的情況下，連續(xù)續(xù)航時(shí)間8 小時(shí)。載重量上，該船用于裝載20 英尺的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，設(shè)計(jì)最大箱數(shù)為96 標(biāo)準(zhǔn)箱+4 電池標(biāo)準(zhǔn)箱。

表1 船舶主要技術(shù)參數(shù)

4.2 總體布置

該船為集裝箱電池驅(qū)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)、鋼質(zhì)全焊接、單甲板、尾機(jī)型、首甲板室，采用二臺(tái)CRP350 對(duì)轉(zhuǎn)舵槳為主動(dòng)力的集裝箱。該船貨艙區(qū)為縱骨架式、雙底雙舷側(cè)、長(zhǎng)大艙口結(jié)構(gòu)，設(shè)置有抗扭箱。首/尾部及機(jī)艙區(qū)為橫骨架式、單底、單舷側(cè)結(jié)構(gòu)。總體布置示意圖如圖1 所示。

圖1 2000 噸級(jí)純電池電力推進(jìn)集裝箱船總布置示意圖

5 結(jié)論

本文分析了船用集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、智能能效系統(tǒng)、船舶成本分析等，并通過(guò)某純電集裝箱船案例分析，確定了由可再生電力驅(qū)動(dòng)的電池電動(dòng)船舶為減少內(nèi)河航線(xiàn)的航運(yùn)排放提供的應(yīng)用可行性。同時(shí)，快速改進(jìn)電池技術(shù)可能使直接電氣化在航運(yùn)業(yè)脫碳方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，盡管直接電氣化已成為零排放航運(yùn)技術(shù)上可行且具有成本效益的途徑，但成熟的應(yīng)用和推廣仍需解決若干挑戰(zhàn)。