不同船型的內河純電池動力船舶經濟性分析

姜 磊，梁 強，李 響，楊 瑞

不同船型的內河純電池動力船舶經濟性分析

姜 磊1，梁 強2，李 響1，楊 瑞1

（1. 交通運輸部水運科學研究院，北京 100088；2.中國長江電力股份有限公司檢修廠，湖北宜昌 443000）

本文采用多學科交叉融合的分析方法，利用技術經濟學中的經濟適用性及效益分析理論，對內河純電池動力船的經濟適用性進行分析。重點面向干散貨船、集裝箱船、客船三種進行橫向對比，分析了其三者運營經濟性及全周期經濟性，得出了純電池動力在我國內河不同船型的適用性。

純電池動力 船舶 經濟性船型

0 引言

純電池動力船舶是指以蓄電池為推進電源的船舶。蓄電池包含鋰離子蓄電池和能量型超級電容器，可用作推進電源、主電源、應急電源、備用電源、起動電源和其他輔助電源[1]。純電池動力船舶運營期間可實現NOX、SOX、CO2、PM等“零排放”，且振動小、噪音低、大幅減少含油污水排放，能夠有效防治船舶大氣污染、水污染，改善沿岸人居環境、優化航運能源結構、推動產業轉型升級，成為航運業綠色船舶技術發展的熱點之一[2]。我國純電池動力船舶采用的動力方案主要有全鋰電池、全超級電容、鋰電池+超級電容3種方案，隨著近年來技術日益成熟，全鋰電池動力方案成為主流[3]。本文針對全鋰電池動力方案的純電池動力船舶進行分析。

1 純電池動力船舶造價分析

船舶鋰電池容量配置的主要影響因素包括主機推進功率、航線距離、航行速度以及生活用電功率等。根據交通運輸部相關統計，“十三五”期我國內河貨物平均運距約為400公里，旅客平均運距約為25公里；長江現有干散貨、集裝箱、客運船舶不同噸級平均主機功率配置如表1所示。

表1 干散貨船平均主機功率及運距

圖1 干散貨船主機功率隨噸級變化趨勢

表2 集裝箱船平均主機功率及運距

客船方面，由于不同地區和航線的客船個性化較強，航速及裝修等生活設施配置選擇差異性較大，但主機功率配置總體上隨著船舶噸級增加而增大。

表3 客船主機配置及造價估算

圖2 客船平均主機功率

純電池動力船舶相比柴油動力船舶增加費用主要包括電池動力系統、推進系統及電控系統等。電池容量按照鋰電池配置滿足單航次用電量需求并冗余約20%估算，鋰電池系統[4]價格按照市場平均造價水平1500元/kwh計。根據部分主流設備廠商調研統計，純電池動力船舶增加主要設備造價估算如表4所示。

表4 干散貨船電動化配置造價估算

表5 集裝箱船電動化配置

表6 客船電動化配置

總體上來看，各船型都呈現隨船舶噸級增加，鋰電池配置、設備及系統造價上升的趨勢。

2 純電池動力船運營經濟性分析

在純電池動力船運營經濟性[5]分析方面，對比現有常規柴油動力船舶，對于長江現有船舶運營情況進行分析，其中，電價按照0.7元/kWh計（不計服務費），柴油價格按6500元/噸計。各類型船舶按照貨源/客源比較穩定的設計運營工況計算。

表7 純電池動力船年節約燃料費（萬元）

圖4 干散貨船電動與柴油動力營運費比較

圖5 集裝箱船電動與柴油動力營運費比較

圖6 客船電動與柴油動力營運費比較

總體上來看，因油價高于電價，三種船型均滿足隨著船舶噸級增加，純電池動力年節約的費用也同步增加的趨勢。

3 純電池動力船全周期經濟性分析

為體現電動船舶全周期的經濟性[6]，按照船舶營運年限30年，電池壽命為充放電3000次或10年取小值，電池更換成本暫按目前造價水平。

圖7 干散貨船全周期營運費用分析

圖8 集裝箱船全周期營運費用分析

圖9 客船全周期營運費用分析

從全周期營運費用來看，隨著船舶噸級增大，雖然節約費用增加，但由于造價增加幅度高于節約費用增速，總體上船舶越大總費用虧損越高。故現階段來看，相比同型傳統柴油動力，純電池動力船舶尚難有經濟優勢。

從全周期總成本差占電池造價的比重來看，干散貨船和集裝箱船隨著噸級增加呈現擴大的趨勢，客船隨著總噸增加呈現減少的趨勢，故客船隨著總噸增加采用純電池動力的經濟可行性高于干散貨船和集裝箱船。此外，各旅游景區的客船環保要求更高、舒適性要求更好，且各地對于新能源純電池動力客船有補助和優惠政策，現階段客船采用純電池動力逐步成為趨勢。從未來發展趨勢看，隨著船舶使用的動力電池（磷酸鐵鋰）能量密度提升和價格逐步下降，干散貨、集裝箱船舶應用純電池動力的經濟可行性將會逐步提高。

4 結論與建議

本文針對干散貨船、集裝箱船、客船進行橫向比較分析，分析了純電池動力船造價成本、運營經濟性、全周期經濟性。綜合比較分析結果得出現階段我國內河客船純電池動力適用性高于集裝箱船、干散貨船。

目前我國純電池動力船舶尚處于發展初期期，面臨的重要問題是缺乏經濟優勢、相對于普通動力船舶投資回收期較長，主要體現在：一是船舶建造成本較高；二是運營成本節約有限，根據現在的供電價格，盡管船舶單位航行距離用電成本要低于用油成本，但幅度有限，不足以彌補增加的建造成本。與我國新能源電動車類似，建議在新能源純電動船舶發展初期給予財政和政策支持。

[1] 中國船級社. 純電池動力船舶檢驗指南(2019)[S]. 2019.

[2] 姜磊, 梁強, 陳攀. 基于客運安全的新能源純電池動力客船發展分析[J]. 中國修船, 2020, 33(3): 56-58.

[3] Jiang Lei, Yongbo Ji, Yalin Yi, etc. Research on the application of new energy pure battery powered ships in the Yangtze River[J]. IOP Conference Series Materials Science and Engineering, 2019, 688: 022046.

[4] Yu Le et al. Boosting lithium batteries under harsh operating conditions by a resilient ionogel with liquid-like ionic conductivity[J]. Journal of Energy Chemistry, 2021, 62 : 408-414.

[5] 張春來. 混合動力機車運營經濟性研究[J]. 鐵路工程技術與經濟, 2020, 35(05): 35-37.

[6] 周玉良. LNG運輸船全生命周期經濟性分析要素探析[J]. 商訊, 2020(12): 145-146.

Economic Analysis of Different Types of Inland Pure Battery Powered Ships

Jiang Lei1, Liang Qiang2, Li Xiang1，Yang Rui1

(1. China Waterborne Transport Research Institute, Beijing100088, China; 2. China Yangtze Power Co.,Ltd., Yichang 443000, Hubei, China )

U664

A

1003-4862（2021）06-0011-04

2021-05-29

姜磊(1987-)，男，碩士，助理研究員。研究方向：交通工程。E-mail：782345042@qq.com。

楊瑞(1979-)，男，碩士，研究員。研究方向：電氣工程。E-mail：yangr@wti.ac.cn