探索西江內河航運的低碳發展策略

古偉華，黎世斌

（中國能源建設集團投資有限公司南方分公司，廣東 廣州 510623）

0 引言

在綜合交通運輸體系當中，水運具有運量大、成本低、綠色低碳的顯著優勢。黨的十八大以來，我國已經成為世界上具有重要影響力的水運大國，總體規模保持世界第一。到2021 年底，我國內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。

內河航運業蓬勃發展，但傳統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為是航運業實現綠色減碳的關鍵[1]。為盡早實現碳達峰、碳中和的目標，我國已著手加大新能源、清潔能源在航運業的推廣應用力度，推廣液化天然氣（liquefied natural gas, LNG）節能環保船舶，探索發展純電力、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，船舶電動化是當前最受關注的方向之一。

1 新能源船舶發展現狀及問題

1.1 發展現狀

據統計，西江內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，是生態負荷較重的區域之一。相比燃油船舶，電動船舶應用具有零廢氣、零污染、零碳排放以及超低噪聲、無振動的技術優點。與常規燃油相比，清潔能源作為燃料使用卻存在風險。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、氨等清潔燃料應用于船用燃料的技術在國內外都剛起步，關鍵技術還處于研發或試點階段，短時間內尚不具備在船舶上規模化商用的條件。

因此，世界各國都嘗試采用光伏發電、風力發電等新能源作為動力來源[4]，經過很長一段時間的研究，新能源在船舶上應用已有很多成功的案例。全球多個有影響力的船舶企業紛紛發布新能源技術在船舶上應用的工藝、規范和標準，為新能源動力系統在船舶上的應用提供了很好的商業應用支撐。但目前新能源只能在噸位較小的船上使用，無法解決大噸位運輸船的問題。

純電池動力船的建設和使用，將簡化整個船舶的系統設計，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電機組，使整個造船成本相應降低。而為了適應當前的內河運輸環境，將存量的油船改造為純電船也是可行的。目前，國內已經有油船改電船的成功案例。例如，由國網江蘇電力聯合相關部門和企業共同打造的“船聯1 號”[5-6]拆除了原來的柴油動力系統，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，相當于約30 臺電動轎車的電池容量。電動船若設計可續航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。經濟上，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。

船舶動力驅動系統需要在惡劣的環境下依然保持良好的能源供給，而如今風電－光電互補技術也得到了一定程度的開發和應用。例如，在2000 年澳大利亞開發出世界上第一艘商用太陽能和風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換為電能的形式，也可以單獨使用風能的形式，還可以復合使用兩種能源的新型船舶。

1.2 發展問題及解決方案

當前，新能源或復合新能源在船舶上的運用依然難以滿足持續的能源需求。到目前為止，內河運輸主要面臨柴油機驅動、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、甲醇燃料船的應用，但加注燃料的選點要求高，導致這些方案難以實現。對于風電和光伏上船，其難點是船舶的結構復雜，空間有限。根據上述新能源船舶發展現狀，采用上述新能源為船舶提供電能有潛在優勢，但卻難以滿足遠程船舶運作的用電需求。為此需要為電動船舶發展尋求一條分散式風電+儲能+船舶靠岸換電池的低碳可持續發展路線。

（1）風電：我國風力發電商業開發從1994 年開始起步，得到迅速發展，行業并網裝機容量持續增長。據資料顯示，2021 年我國風力發電裝機容量達3.28 億kW，同比增長16.6%；占總裝機容量的13.81%，發電量占比為7.1%。風力發電的技術已經非常成熟。陸上5 MW 的風電機組已經逐步成為新裝機主流。以一臺 5 MW 的風機為例，在全年平均風速為5 m 的情況下，年均滿發小時數可以達到2000 h，一年的發電量可以超過1000 萬kW·h。單位發電成本可以控制在0.35 元（/kW·h）左右。

（2）電池倉：在國內新能源發電規模大幅增長、鋰電池成本持續下降的推動下，電化學儲能裝機規模一直保持高速增長的趨勢。據統計，截至2021 年我國電化學儲能投運規模達到1.87 GW，累計裝機規模達到5.51 GW，同比增長68.5%。未來5 年，隨著分布式光伏、分散式風電等分布式能源的大規模推廣，電化學儲能行業將面臨更廣闊的市場發展空間。目前主流的電化學儲能主要有3 種：鉛酸電池、三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。中國電池技術的發展突飛猛進，電池產品的應用也在多個領域實現了創新和突破。其中寧德時代在重卡換電領域已有多年實踐經驗，其電池在環境惡劣的情況下，能夠實現5000次以上的充放電。船用電池倉的工作環境更好，一個標準的20 尺集裝箱電池倉，可以集成整個電池動力、空調消防、電力自控、逆變系統等，可以實現1.5～2.0 MW·h 的電力存儲，技術已經相當成熟，每兆瓦時的成本可以控制在200 萬元左右。

（3）岸電碼頭：一個標準的換電碼頭，可以布置兩臺5 MW 的分散式風機，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，能夠實時顯示各個換電站電池的數量及各電池倉的充電量，能夠顯示平臺內全部電池的實時位置及剩余電量，能夠提前預訂電池及進行相關費用結算。此類型碼頭的設計中，前期有人值守，遠期實現無人值守，可以由一般船員按規程自行完成操作。

2 西江船運低碳發展策略

西江河道橫跨廣東、廣西、云南、貴州4 個省、自治區，流經廣西大部分經濟增速較快城市，全長約3000 km。其中，廣州至南寧航段的航行里程就達到854 km。西江運力僅次于長江。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能改造將對保護水體環境及減碳起到關鍵作用。為實現持續船運供電，可以沿河道建設新能源換電站，同時解決船舶綠色用電問題。

2.1 主導思路

首先，政府出臺相關油改電扶持政策，鼓勵和補貼內河運輸船油改電；其次，依托西江上現有火力發電廠的設備吊裝碼頭，建設內河新能源換電站，近期實現每100 km 布局一個換電站，遠期實現每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，建立統一的電池倉技術標準，以全產業配套提高電動船的比例，實現低碳發展目標；最后，以西江為試點，進一步推廣至全珠江流域乃至全國，形成油改電、電池供應全新的萬億產業鏈。

2.2 具體方案

（1）保障措施：國家出臺電動船改裝補貼政策，以加快電動船產業的發展。在純電動驅動等形式新能源內河船舶上落實補貼政策，將對行業發展具有深遠意義。同時出臺為純電動船頒發綠證的相關政策，使純電動船得以優先通過河道船閘。

（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通常電廠的設備碼頭就在煤碼頭邊上，離居民區較遠，便于分散式風機的安裝及減少運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險。④設備碼頭有足夠的儲能電池倉擺放空間，也利于以后的擴容。⑤電廠本身有廠用電，在風機出力不足的情況下，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，一期優先選擇沿江火力發電廠的碼頭布置骨干換電站，二期再根據實際航道需要，加密布置普通換電站。

（3）制定統一電池倉標準：聯系主要電池生產商，制定統一的電池接口標準，確保所有換電電池倉運維統一。電池倉可以由投資方以融資租賃的方式從電池廠采購，電池廠方負責整個運行期維保。船東則以合適的價格租用。

（4）碼頭及岸吊：根據改動的不同船型，在碼頭泊系時就要精準停泊到位，在碼頭上安裝電池倉專用岸吊操作系統，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，預計電費為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APP 實時信息提前準備換電，同時了解可換電的電池倉數量及剩余電量。

（6）經濟性測算：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，遠低于目前柴油機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

西江換電產業包含了油改電產業、電池倉產業、風電、光伏新能源投資，這些產業5 年產值或投資額分別可達 750 億元、3900 億元和 2000 億元。此外，換電站基礎設施改擴建、其他配套岸電及應急母船投資約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）現在內河運輸每年總體貨運量大約是35 億t，每年內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，每年可節能減排4800 萬t 溫室氣體，減少整體交通行業的碳排放量。還能夠降低我國石油對外依存度，減少石油的進口量。

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

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

（4）拉動油改電產業、儲能及電池倉行業、分布式能源行業的發展，推動我國能源消費結構的轉型升級，同時拉動經濟發展。

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

（6）另外，相關的配套設施還可以形成國際標準，向“一帶一路”國家輸出，為我國的相關造船、改船、電池設備、儲能實施、風機設備出口奠定基礎。

（7）參與換電碼頭或換電站建設的火電廠提高了經濟收益。既可以投資風電，又優化了電廠火電的處理，增加了發電廠的整體效益。

4 結語

在西江上布局內河換電站，覆蓋從廣州到廣西貴港的整個5000 t 航道，從而推動油改電，在統一電池倉標準的前提下，可以提升電池的容量及安全性，在充放電次數、衰減性等得到解決的情況下，創造了較好的經濟價值。而在換電碼頭上布置分散式的風電和分布式的光伏，解決電源問題，必將使西江的內河航運減碳目標得以早日實現。通過油改電，有效促進了造船、改船、電池、儲能等技術水平的提高，同時提升了內河航運總量，為“雙碳”目標的實現及西江、珠江水質的提升做出了積極的貢獻。