基于電池的電動集裝箱船在內河應用中的分析

何金寶，李雯

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

據預測，到2050 年，航運排放量將占全球二氧化碳排放量的17%，對人類生存環境和身體健康構成重大威脅。面對日益嚴格的監管環境，航運業正在競相尋找可商業部署的低品質燃油零排放替代品。我國內河通航里程12.7 萬公里，居世界第一，內河運輸船舶11.95 萬艘。研究表明，相對于低品質燃油，電化學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船的推廣應用的關鍵[1,2]。

馬士基已經在東亞和西非之間運營的集裝箱船上開展混合動力電池試驗，一艘全電動集裝箱船預計將于20 年代初在挪威開始自主運營，同時日本、瑞典和丹麥等也正在開展電動船項目的研發。國內64TEU 內河綠色智能集裝箱船“國創號”2021 年下水，成為首艘模塊化電池動力組，采用換電模式運營的內河船舶，是第一艘滿足綠色船舶三級認證標準的內河船舶。

然而，目前對電動集裝箱船的系統分析，除了這些初步試點項目外，基于電池的電力儲能系統推進[5]作為潛在的低排放替代方案有待進一步充分研究[3-4]。因此，本文聚焦于最低電池成本，分析電池-電動集裝箱船的發展，并以某應用于內河的2000 噸級純電池電力推進集裝箱船為實例，給出其總體設計，以及對電池儲能系統、智能能效系統的分析。

1 船用集裝箱式電池儲能系統分析

電池-電動集裝箱運輸的關鍵技術限制是電池系統和電動機的體積相對于船舶現有發動機、燃料儲存和機械空間所占據的體積。同時，在確定船舶電力需求方面，電池儲能系統BES 自身重量也必須考慮在內。理論上，可以通過增加吃水來增加其承載能力，但更高的吃水會增加船體阻力，據估算，5GWh 的磷酸鐵鋰電池重20000 噸且會增加1 米吃水深度，因此需要更多動力來達到相同航速。船上BES 系統的體積取決于船舶的功率要求、巡航速度、航程長度、電力效率和電池能量密度。鑒于在電池成本進一步降低之前，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間限制的小型短程船舶。

2 智能能效系統分析

智能能效管理系統通過在機艙、船體上布置傳感器，采集通航環境監測參數以及主要耗能設備（柴油機、氣體機）能源消耗參數等，結合動力形式、運行工況特點以及運營航段情況等，通過對船航行狀態、耗能狀況的在線監測與數據的自動采集，實現航行狀態自動判斷、能耗及能量分布分析、能效分析及評估等，為船舶管理者提供綜合評估結果以及輔助決策建議。同時結合貨運航線、各航段水文條件、動力系統運行模式以及燃料消耗裝置特性等，實現基于航次計劃及經濟效益下的航速優化。

（1）能效在線監控功能：①主要耗能設備的功率、壓力、溫度等參數；②通過流量計電能表等監測主要耗能設備燃料和電能消耗參數；③監測推進功率參數；④GPS 及計程儀監測船速、對水速度以及航向等；⑤測深儀監測水深；⑥液位計監測船舶吃水。

（2）能效能耗計算及評估：①船舶能效營運指數（EEOI）；②單位距離燃料消耗；③單位運輸功燃料消耗；④單位距離CO2排放；⑤單位運輸量CO2排放；⑥燃料小時消耗量；⑦燃料日消耗量；⑧燃料航次（航段）消耗量等。

（3）從推進系統、電力系統等方面對整船的能量消耗分布和能量利用率進行計算，包括：①初級能源消耗端能量分布；②能量損失分布；③能量利用率。

（4）航速優化功能主要包括：①計算已航行距離、已航行時間，預報剩余航程、預計到港時間；②計算當前航速下燃油消耗率、剩余航程所需燃料量等；③評估航速影響因素及其相關關系；④提供船舶營運費用核算功能；⑤基于經濟效益、航次計劃和燃油消耗，提供航速優化建議和方案。

3 電動船舶成本分析

通過計算每公里航程長度的行駛總成本（TCP）來測試電池電動集裝箱船的經濟可行性。研究表明，對于航程小于1000 公里8000 標準箱的船級，電池電動船的TCP 低于現有ICE 船，在更長航程中，電池系統的額外成本、增加的電力需求和充電基礎設施超過了燃料轉換所節省的成本和直接電氣化的效率提升。但是，如果考慮到環境成本，電池驅動船的成本在5000 公里航程均處于優勢。然而，盡管這些大航程更具有成本效益，但電池重量會使船舶吃水超出安全運行參數，因此在船舶設計沒有實質性改變的情況下，大航程船舶不太可能成為完全電氣化的最合適選擇，而運行在內河航線的中小型船舶更具優勢。

4 一型電動船的總體設計案例分析

本節以航行于內河B 級航區的某純電池電力推進集裝箱船為例，給出已應用的純電池電動船的總體設計方案。該船為了響應國家節能減排及碳中和的號召，設計了4 個集裝箱式電池作為推進動力及全船電源。考慮了內河支線航道航速很低，主機的負荷率極低，為了進一步解決主機在低負荷下的耗能高的問題，設置變頻電力推進，在船舶航行于限制航道的時候使用。

4.1 主要尺度

表1 為該船的主要技術參數。該船為2000 噸級純電池電力推進集裝箱船，其推進及電源系統采用2臺330kW 的電力直驅全回轉對轉舵槳，額定轉速為1500r/min。采用4 個集裝箱磷酸鐵鋰電池，額定容量1680KWh。其航速和續航力在吃水3.2m 狀態下，在兩臺對轉舵槳各獲得350 kW 功率下，設計航速～14km/h，滿載排水量2620 噸。在不更換箱式電池的情況下，連續續航時間8 小時。載重量上，該船用于裝載20 英尺的標準集裝箱，設計最大箱數為96 標準箱+4 電池標準箱。

表1 船舶主要技術參數

4.2 總體布置

該船為集裝箱電池驅動對轉舵槳推進、鋼質全焊接、單甲板、尾機型、首甲板室，采用二臺CRP350 對轉舵槳為主動力的集裝箱。該船貨艙區為縱骨架式、雙底雙舷側、長大艙口結構，設置有抗扭箱。首/尾部及機艙區為橫骨架式、單底、單舷側結構?？傮w布置示意圖如圖1 所示。

圖1 2000 噸級純電池電力推進集裝箱船總布置示意圖

5 結論

本文分析了船用集裝箱式電池儲能系統、智能能效系統、船舶成本分析等，并通過某純電集裝箱船案例分析，確定了由可再生電力驅動的電池電動船舶為減少內河航線的航運排放提供的應用可行性。同時，快速改進電池技術可能使直接電氣化在航運業脫碳方面發揮關鍵作用，盡管直接電氣化已成為零排放航運技術上可行且具有成本效益的途徑，但成熟的應用和推廣仍需解決若干挑戰。