探索西江内河航运的低碳发展策略

古伟华，黎世斌

（中国能源建设集团投资有限公司南方分公司，广东 广州 510623）

0 引言

在综合交通运输体系当中，水运具有运量大、成本低、绿色低碳的显著优势。党的十八大以来，我国已经成为世界上具有重要影响力的水运大国，总体规模保持世界第一。到2021 年底，我国内河航道的通航里程有12.8 万km，其中高等级航道超过1.6 万km，拥有生产用码头泊位20 867 个，万吨级及以上的泊位是2659 个，基本形成了长三角、津冀、粤港澳等世界级的港口群。

内河航运业蓬勃发展，但传统船舶燃烧的柴油排放二氧化碳、硫氧化物等气体，对流域生物及沿线环境造成了极大的影响。在全球减碳的背景下，船舶动力燃料的选择也被认为是航运业实现绿色减碳的关键[1]。为尽早实现碳达峰、碳中和的目标，我国已着手加大新能源、清洁能源在航运业的推广应用力度，推广液化天然气（liquefied natural gas, LNG）节能环保船舶，探索发展纯电力、燃料电池等动力船舶[2]，未来低碳甚至零碳排放船舶将成为趋势。而在众多技术路线中，随着电池的能量密度的提升，成本的不断下降，船舶电动化是当前最受关注的方向之一。

1 新能源船舶发展现状及问题

1.1 发展现状

据统计，西江内河流域约有大小船舶5 万艘，仅仅年燃油消耗量就超过2800 万t，是生态负荷较重的区域之一。相比燃油船舶，电动船舶应用具有零废气、零污染、零碳排放以及超低噪声、无振动的技术优点。与常规燃油相比，清洁能源作为燃料使用却存在风险。LNG、甲醇、氨等清洁能源大多具有易燃易爆、生物毒性、材料兼容性等特点，部分燃料还需要低温甚至超低温储存[3]。此外，将甲醇、氢、氨等清洁燃料应用于船用燃料的技术在国内外都刚起步，关键技术还处于研发或试点阶段，短时间内尚不具备在船舶上规模化商用的条件。

因此，世界各国都尝试采用光伏发电、风力发电等新能源作为动力来源[4]，经过很长一段时间的研究，新能源在船舶上应用已有很多成功的案例。全球多个有影响力的船舶企业纷纷发布新能源技术在船舶上应用的工艺、规范和标准，为新能源动力系统在船舶上的应用提供了很好的商业应用支撑。但目前新能源只能在吨位较小的船上使用，无法解决大吨位运输船的问题。

纯电池动力船的建设和使用，将简化整个船舶的系统设计，大大降低造船和船舶使用的成本。电池仓储存的电能做为主电源或备用应急电源部分替代原有的动力提供装置，甚至完全采用电池仓电能作为动力而完全替代原有的燃油发电机组，使整个造船成本相应降低。而为了适应当前的内河运输环境，将存量的油船改造为纯电船也是可行的。目前，国内已经有油船改电船的成功案例。例如，由国网江苏电力联合相关部门和企业共同打造的“船联1 号”[5-6]拆除了原来的柴油动力系统，将其更换成两组总重34 t 的可移动磷酸铁锂电池。整船电池容量约为2200 kW·h，相当于约30 台电动轿车的电池容量。电动船若设计可续航120 km 以上，则其每次充电时间为3 h，而更换电池舱后则仅需要10 min 充电时间。经济上，油改用电后降低使用成本超60%，使用电船每年二氧化碳排放量可减少960 t。

船舶动力驱动系统需要在恶劣的环境下依然保持良好的能源供给，而如今风电－光电互补技术也得到了一定程度的开发和应用。例如，在2000 年澳大利亚开发出世界上第一艘商用太阳能和风能混合动力双体客船[7]，这是一种既可以单独使用太阳能转换为电能的形式，也可以单独使用风能的形式，还可以复合使用两种能源的新型船舶。

1.2 发展问题及解决方案

当前，新能源或复合新能源在船舶上的运用依然难以满足持续的能源需求。到目前为止，内河运输主要面临柴油机驱动、碳排放、对水体有污染、成本高等问题，一些解决方案是推动LNG 船、氢能船和氨气、甲醇燃料船的应用，但加注燃料的选点要求高，导致这些方案难以实现。对于风电和光伏上船，其难点是船舶的结构复杂，空间有限。根据上述新能源船舶发展现状，采用上述新能源为船舶提供电能有潜在优势，但却难以满足远程船舶运作的用电需求。为此需要为电动船舶发展寻求一条分散式风电+储能+船舶靠岸换电池的低碳可持续发展路线。

（1）风电：我国风力发电商业开发从1994 年开始起步，得到迅速发展，行业并网装机容量持续增长。据资料显示，2021 年我国风力发电装机容量达3.28 亿kW，同比增长16.6%；占总装机容量的13.81%，发电量占比为7.1%。风力发电的技术已经非常成熟。陆上5 MW 的风电机组已经逐步成为新装机主流。以一台 5 MW 的风机为例，在全年平均风速为5 m 的情况下，年均满发小时数可以达到2000 h，一年的发电量可以超过1000 万kW·h。单位发电成本可以控制在0.35 元（/kW·h）左右。

（2）电池仓：在国内新能源发电规模大幅增长、锂电池成本持续下降的推动下，电化学储能装机规模一直保持高速增长的趋势。据统计，截至2021 年我国电化学储能投运规模达到1.87 GW，累计装机规模达到5.51 GW，同比增长68.5%。未来5 年，随着分布式光伏、分散式风电等分布式能源的大规模推广，电化学储能行业将面临更广阔的市场发展空间。目前主流的电化学储能主要有3 种：铅酸电池、三元锂电池和磷酸铁锂电池。中国电池技术的发展突飞猛进，电池产品的应用也在多个领域实现了创新和突破。其中宁德时代在重卡换电领域已有多年实践经验，其电池在环境恶劣的情况下，能够实现5000次以上的充放电。船用电池仓的工作环境更好，一个标准的20 尺集装箱电池仓，可以集成整个电池动力、空调消防、电力自控、逆变系统等，可以实现1.5～2.0 MW·h 的电力存储，技术已经相当成熟，每兆瓦时的成本可以控制在200 万元左右。

（3）岸电码头：一个标准的换电码头，可以布置两台5 MW 的分散式风机，搭配6 个2 MW 的储能电池仓，配置一台30 t 岸吊，再配合一个专门的换电专用APP，能够实时显示各个换电站电池的数量及各电池仓的充电量，能够显示平台内全部电池的实时位置及剩余电量，能够提前预订电池及进行相关费用结算。此类型码头的设计中，前期有人值守，远期实现无人值守，可以由一般船员按规程自行完成操作。

2 西江船运低碳发展策略

西江河道横跨广东、广西、云南、贵州4 个省、自治区，流经广西大部分经济增速较快城市，全长约3000 km。其中，广州至南宁航段的航行里程就达到854 km。西江运力仅次于长江。西江河流域约有2 万多艘2000 t 以上的散货运输船舶，仅年燃油消耗量就超过1500 万t，因此，对西江航道船舶实施油改电绿色节能改造将对保护水体环境及减碳起到关键作用。为实现持续船运供电，可以沿河道建设新能源换电站，同时解决船舶绿色用电问题。

2.1 主导思路

首先，政府出台相关油改电扶持政策，鼓励和补贴内河运输船油改电；其次，依托西江上现有火力发电厂的设备吊装码头，建设内河新能源换电站，近期实现每100 km 布局一个换电站，远期实现每50 km左右布置一个换电站，形成从广州到广西贵港全航道覆盖；再次，建立统一的电池仓技术标准，以全产业配套提高电动船的比例，实现低碳发展目标；最后，以西江为试点，进一步推广至全珠江流域乃至全国，形成油改电、电池供应全新的万亿产业链。

2.2 具体方案

（1）保障措施：国家出台电动船改装补贴政策，以加快电动船产业的发展。在纯电动驱动等形式新能源内河船舶上落实补贴政策，将对行业发展具有深远意义。同时出台为纯电动船颁发绿证的相关政策，使纯电动船得以优先通过河道船闸。

（2）换电站布局：西江流域有众多的沿江火力发电厂，按航道图布置核心换电站，约每100 km 一个，估算需15～20 个换电站，布置换电站的核心站点为珠海电厂、三水恒益电厂、肇庆大旺国电电厂、云浮华润西江电厂、梧州、贵港、南宁。用电厂的设备码头作为换电码头，在电厂的码头上布局换电站，有以下6 个方面的好处：①可以直接用现有的岸线，无须另外投入岸线费用，即岸线改造的费用较小。②通常电厂的设备码头就在煤码头边上，离居民区较远，便于分散式风机的安装及减少运营噪声对周边居民影响。③可以综合考虑倒塌等其他安全风险。④设备码头有足够的储能电池仓摆放空间，也利于以后的扩容。⑤电厂本身有厂用电，在风机出力不足的情况下，无须额外增容充电变压容量。⑥通过码头充电，还能提高电厂直售电比例，提高电厂收益。所以，一期优先选择沿江火力发电厂的码头布置骨干换电站，二期再根据实际航道需要，加密布置普通换电站。

（3）制定统一电池仓标准：联系主要电池生产商，制定统一的电池接口标准，确保所有换电电池仓运维统一。电池仓可以由投资方以融资租赁的方式从电池厂采购，电池厂方负责整个运行期维保。船东则以合适的价格租用。

（4）码头及岸吊：根据改动的不同船型，在码头泊系时就要精准停泊到位，在码头上安装电池仓专用岸吊操作系统，确保在断电的情况下，能够一键换电，全自动化操作。

（5）绿电源解决方案：换电码头安装新能源电力系统，预计电费为0.6～0.8 元/（kW·h）。每艘船在换电前，要提前在APP 上下单。换电站工作人员可以根据APP 实时信息提前准备换电，同时了解可换电的电池仓数量及剩余电量。

（6）经济性测算：考虑电池仓成本和折旧费，换算单位用电成本为0.51～0.55 元/（kW·h）。而核心换电站要布置2～3 台专用岸吊，同时计算电费和人工费折合为0.10～0.12 元/（kW·h）；另外，码头系泊费和服务费折算出电费为0.06～0.10 元/（kW·h）。全部按照最高的费用计算，再考虑30%的社保、人工、服务费、税费等综合成本，即（绿电0.6+电池仓0.55+岸吊0.12+系泊费用0.1）×1.3=1.78 元，远低于目前柴油机4 元/（kW·h）的成本。这样可以促使更多的船东愿意油改电。

3 西江换电站的效益与意义

3.1 效益

西江换电产业包含了油改电产业、电池仓产业、风电、光伏新能源投资，这些产业5 年产值或投资额分别可达 750 亿元、3900 亿元和 2000 亿元。此外，换电站基础设施改扩建、其他配套岸电及应急母船投资约30 亿元。推广至全国，那就是一个万亿级的大市场。

3.2 意义

（1）现在内河运输每年总体货运量大约是35 亿t，每年内河的交通碳排放占总交通碳排放的8%～11%。按照西江航线油改电路线，每年可节能减排4800 万t 温室气体，减少整体交通行业的碳排放量。还能够降低我国石油对外依存度，减少石油的进口量。

（2）对提升西江水质具有重大意义。西江沿江居民总数超过1 亿，西江水是沿江居民的饮用水源。保护好西江，就是保护好珠三角的母亲河。

（3）为远洋运输船的电动化及远洋运输换电站的布局做好验证和试点。根据“先陆上、再海上”的原则，最终可解决远洋运输电动船海上换电难题。

（4）拉动油改电产业、储能及电池仓行业、分布式能源行业的发展，推动我国能源消费结构的转型升级，同时拉动经济发展。

（5）电动船的运维人员至少比燃油船少两人，直接节约了运行费用，也缓解了航运业船工招工难的问题。

（6）另外，相关的配套设施还可以形成国际标准，向“一带一路”国家输出，为我国的相关造船、改船、电池设备、储能实施、风机设备出口奠定基础。

（7）参与换电码头或换电站建设的火电厂提高了经济收益。既可以投资风电，又优化了电厂火电的处理，增加了发电厂的整体效益。

4 结语

在西江上布局内河换电站，覆盖从广州到广西贵港的整个5000 t 航道，从而推动油改电，在统一电池仓标准的前提下，可以提升电池的容量及安全性，在充放电次数、衰减性等得到解决的情况下，创造了较好的经济价值。而在换电码头上布置分散式的风电和分布式的光伏，解决电源问题，必将使西江的内河航运减碳目标得以早日实现。通过油改电，有效促进了造船、改船、电池、储能等技术水平的提高，同时提升了内河航运总量，为“双碳”目标的实现及西江、珠江水质的提升做出了积极的贡献。