閩江電動貨船經濟效益和減碳效益分析

黃光斌 歐珊珊 王金友 江岳文

（1 福建水口發電集團有限公司 福建福州 350004 2 福州大學電氣工程與自動化學院 福建福州 350108 3 中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

電動船是1 種通過電力來驅動運行的船型，通過船只的以電代油，達到綠色發展的目的。近幾年，國家出臺了多項鼓勵發展電動船的政策。國家發改委于2018 年6 月印發《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》，明確提出推廣清潔能源船舶，并于2019 年8 月修訂并發布了 《產業結構調整指導目錄（2019年本）》，“純電動和天然氣船舶”為國家鼓勵行業（2020 年1 月1 日開始）。福建省也出臺《2022 年福建省電動船舶產業發展試點示范實施方案》等，并且廣州、深圳等地也提出了推動電動船投入運營的要求。與此同時，隨著歐盟、IMO（國際海事組織）等組織頒布了新的排放標準，以及對內河船舶環境保護標準的提高，使得純電動船舶以零排放、高傳動效率、低運營成本和高技術附加值等優勢逐漸成為航運業關注的熱點［1］。

國外對港口岸電技術的研究比較早，瑞典哥德堡港在2000 年率先采用了岸電技術［2］。在2011 年電動船舶技術已被IEEE 技術活動委員會（TAB）認定為跨越多個IEEE 協會以及IEEE 以外的工程學會領域的十大新興技術挑戰之一［3］。2021年11 月，全球首艘純電動與無人駕駛的貨輪Yara Birkeland號在挪威的首次航行中取得了巨大成功。這艘貨輪一旦投入使用，可以替代40 000 輛柴油貨車，并且1 a 可以降低1 000 t的CO2排放量。

2013 年，我國第一艘純電動船正式投產，主要用于內湖、內河和沿海港口。2021 年，江龍公司已將280 客座的“金龍魚”游船和486 客座電動游船“珠江王子”船交付。中國遠洋集團在2022 年3 月18 日宣布，將在2023 年年底之前，建造2 艘700 TEU 的長江干線電力集裝箱船，船舶系統的設計采用了船電分離的方式，并以集裝箱式動力電池為動力源。2022 年6 月20 日我國首艘2 000 t 集散雙用新能源船舶在浙江長興正式交付。該船搭載了3 400 kWh 的大容量磷酸鐵鋰電池，一次充電只需要4～5 h，就可以使船只在300 km 內滿負荷行駛；該船排放不含油污水且噪音低，同時每年運行費用只有常規柴油船的1/5。根據市場研究公司Fortune Business Insights 在《電動船舶市場規模和行業分析》 報告中的分析顯示，預計到2027年全球電動船舶的市場規模將達108.2 億美元，電動船的發展成為當下新熱點。

就船用電池而言，由于鋰電池具有能量密度高、使用壽命長、額定電壓高、自放電率低、溫度適應性好等優點，已逐漸成為電動船用電池的首選。同時，鋰電池還需要中國船級社的認證，并對其產品進行嚴格的系統檢驗［4］。

國內外對電動船舶的技術研究也在如火如荼地開展中。文獻［5］在特定航線下對2 種不同的換電服務費收取標準進行了比較，未來還可以通過對大量不同樣本建模展開研究，為電動船的大規模普及打下基礎。直流并網技術是電動船行業的重要技術，文獻［6］對其直流并網主電路建立等效仿真模型，設計合適的保護電路，以降低全船失電的風險，為電動船舶的可靠航行做好準備。文獻［7］提出應用混合啟發式算法來優化電動船舶調度，可達到優化船舶充電及航運路徑的目的。混合動力船舶的船載電力系統連接多個電源、儲能系統以及各種類型負載，文獻［8］對此系統設計了電源管理方案，采用等效能耗最小化策略，可實現實時混合能源間的最優功率分配，解決由波動負載帶來的電能質量低的問題。

本文致力于研究電動船舶所帶來的經濟效益和排碳效益，以福建閩江為案例，具體分析該航線特點，并將傳統油船的能耗成本和碳排放與電動船舶進行對比分析，最后根據電池租賃價格的變化，對電動船舶的投資回收期、凈現值、稅后收益和年運費收入等相關經濟指標進行敏感度分析，以進一步明確電動船舶發展的必要性和可行性。

1 閩江流域及電動船舶概況

閩江是福建省流域雨量最大的河流，與黃河的水量相近，在全國排名第七，每年的徑流量變化相對平穩，也是重要的水運通道。但近年由于水位太低，通航設備不能正常運行，使得可供航行的天數縮短，在2020 年只有44 d 可以通航。在閩江水口大壩工程竣工后，水口水電站的下游水位升高了6.5 m，使閩江的通航條件得以正常運行，基本實現了全年通航。福建南平-福州閩江馬尾段的通航能力從500 t 提高到1 000 t，年運輸能力預計1 400 萬t。

閩江工業運輸量主要由閩江腹地三明市、南平市、福州市閩清縣的水運量組成。其中三明市貨運量形成的直接來源是其沿江大企業的大宗貨物進出，適合水運的主要貨源有：三鋼集團的鐵礦石與鋼材，青山紙業的木片、竹片、煤炭與石灰等，金牛水泥的煤炭與水泥，以及集裝箱式的社會零散貨源。南平市的主要貨源有：水泥、金屬礦石、非金屬礦石、機電產品、木材、糧食以及煤炭等。福州市閩清縣的主要貨源有：瓷磚、建筑構件以及陶土、透輝石、水泥熟料、煤炭、石英砂等散貨。

為響應我國“3060”雙碳目標，計劃在閩江通航千噸級換電式純電動集裝箱貨船：船長77 m，船寬10.8 m，型深2.85 m，吃水2.1 m，設計航速13 km/h，最大箱位數48 TEU，載重1 200 t。項目采用船電分離、電池租賃的方式。貨船擬采用寧德時代集裝箱式可移動電池作為動力源，電池單箱電量1 500 kWh，以磷酸鐵鋰電池為能源載體，采用20 ft［5 898 mm（L）×2 352 mm（W）×2 393 mm（H）］ 標準集裝箱為成組單元的通用模塊化電源系統。儲能集裝箱配有空調系統、消防系統、配電系統、安防系統、門禁系統等，防護等級高，滿足各種使用環境。未來計劃航程由福建南平的沙溪口出發經閩清水口電站至福州馬尾，往返共380 km，航行30 h，耗電量6 080 kWh。

2 經濟效益模型

本文選擇投資回收期、凈現值、稅后利潤和年運費收入等經濟指標作為純電動船經濟效益評價指標［9］。

船舶年運行成本由所有船舶電池的年總租賃費用與船舶年總成本組成。船舶年總成本由船舶年投資成本、船員工資以及船舶通行費組成。電動船年總用電費見式（1）。

式中：Ees是電船年總租賃費用；Vs是年往返航次；Qes是單航次消耗電量；Pes是電池租賃價格。

電動船舶的年投資成本根據費用等年值法計算得出，見式（2）。

式中：A 是單船等年值投資成本；N 是船舶年限；P 是船舶購買價格；i 是貼現率；r 是船舶殘值率。

年運費收入公式見式（3）。

式中：Fes是年運費收入；mes是年載運量；fes是單位運費收入。

投資回收期是以項目的凈收益回收項目投資所需要的時間，一般以年為單位。投資回收期越短，表示項目的盈利能力和抗風險能力越強，其計算見式（4）。

式中：I 是年稅后收益；M 是投資回收期。

凈現值是指按照設定的折現率計算項目計算期內的各年凈現金流量的現值之和。該指標是考察項目盈利能力的絕對量指標，凈現值≥0，表明項目的盈利能力達到或超過了要求。凈現值的計算模型［10］見式（5）。

式中：S 是凈現值；V 是年稅后利潤；N 是船舶年限。

3 閩江電動船舶效益測算

3.1 經濟效益分析

預測閩江內河到2025 年水運量將達到1 185 萬t，其中上行（福州馬尾-福建南平）300 萬t，下行（福建南平-福州馬尾）885 萬t。考慮負載率為0.9，則每艘船可運貨1 080 t，電動船的總年往返航次約為8 195 趟（以運輸量大的下行次數記為趟數），預計至少需要25 艘電動船以供運載貨物，平均每艘船的年往返航次為328 趟，且單趟航行的耗電量為6 080 kWh，可以得出所有船舶的年總耗電量為50 GWh。

電動船舶相關參數值見表1。

表1 相關參數值

由于目前尚未規定電動船舶電池的租賃電價，根據表1數據，在保證動力電池投資運營者在設施使用壽命內能夠回收成本及合理收益的條件下，計算船用磷酸鐵鋰動力電池租賃價格成本至少為2.60 元/kWh，綜合考量設動力電池的租賃價格為2.60 元/kWh。根據表1 計算出各經濟指標以及電池租賃價格成本所需的參數數值，詳見表2。

表2 經濟評價指標

在現有的電池租賃價格下，電動船舶無法實現有效的投資回收期。若要實現30 a 投資回收期，當其他參量不變時，可計算出與之相對應的電池租賃價格為2.43 元/kWh。

當電動船與油動力船在同等條件下，即電動船年總耗電量為50 GWh 時，油動力船耗油量為2.06 萬m3。通過計算油動力船和電動船舶的運行成本，對二者的經濟性進行對比分析。

油動力船年動力成本=年耗油量×燃油價格（選取當日福建省0 號油價）=2.06×107L×7.86 元/L≈1.619 億元

電動船舶年動力成本=年耗電量×電池租賃價格=5.0×107kWh×2.60 元/kWh≈1.300 億元

若將油動力船換為電動船舶，成本可縮減約20%。由表2的計算結果可以看出：當動力電池的租賃價格設為電池租賃成本2.60 元/kWh 時，該項目尚處于虧本狀態。未來電池行業的發展也將降低電池租賃成本，這將使得電動船舶的經濟效益更為可觀。

3.2 環境效益分析

根據電動船舶的用電性質，對電動船舶與油動力船只的碳排放量進行計算比較。

油動力船的排碳量=年耗油量×柴油碳排放系數=2.06×107L×3.10 kg/L=6.386 萬t

電網碳排放系數=福建火電比例×（1+輸電的線損率）×火電平均煤耗率×單位標準煤產生的CO2質量=58%×（1+4.63%）×0.32 kg/kWh×3.2 kg=0.621 kg/kWh

電動力船的排碳量=年耗電量×電網碳排放系數=5.0×107kWh×0.621 kg/kWh=3.110 萬t

在所有油動力船只滿載運行時，油動力船只與電動船舶在同等條件下，電動船舶耗電產生的碳排放量與油動力船只相比，降低了51.3%，電動船舶所帶來的環境效益明顯高于油動力船只，于環境保護而言大有裨益。在福建省能源規劃中，若未來的電力全部來源于清潔能源，則溫室氣體的排放1 a 可減少6.386 萬t。

3.3 敏感性分析

敏感性分析是指分析對項目的效益指標有重要影響的因素，得出該因素對項目效益指標的影響程度和敏感程度。由于船運市場的不確定性和電池技術的高速發展，使得電池的價格波動比較大。本文選取電池租賃定價作為電動敏感度分析的因素，隨著電池租賃價格的變化，對其投資回收期、凈現值、年稅后利潤等經濟指標的變化進行分析，為今后更好地發揮電動船舶的經濟效益、制訂可行的方案提供參考。以2.60 元/kWh為基礎電池租賃價格，根據-20%～0%的變動計算相關指標，結果如表3 及圖1 所示。

圖1 凈現值與年稅后利潤的敏感性分析

表3 隨電池租賃價格變化的敏感性分析表

4 結論

本文構建了電動船舶效益測算模型，從經濟與環保2 個角度出發，對福建閩江的特別案例進行實例分析，結果表明：

（1）電動貨船與其在同等條件下油動力船相比，動力成本可縮減約20%，碳排放降低了51.3%，電動船舶帶來了經濟和環境的雙重效益；

（2）隨著電池租賃價格的降低，凈現值與年稅后利潤逐漸由虧本轉向盈利，投資回收期縮短至4.87 a，低于行業平均水平；

（3）船舶電池若采用綠色電能，可使得溫室氣體年排放減少6.386 萬t。

未來可再生能源的發展，也將使得綠色電價持續下降，這會給電動船舶計劃帶來更大的利潤空間。同時電池技術的進步，也會降低電動船舶的動力成本。