浅析内河纯电动船舶发展现状

吕明杰，岂兴明，尹 航，江 楠，金英爱

综述

浅析内河纯电动船舶发展现状

吕明杰1,2，岂兴明3，尹 航1,2，江 楠1,2，金英爱1,2

（1．吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室, 吉林长春 130022，2．吉林大学汽车工程学院, 吉林长春 130022，3. 中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

纯电动船作为新兴的产品，具有零碳排放、无污染、噪音小等优势。随着纯电动船舶的研究不断深入，开始应用于内河运输领域。本文介绍了纯电动船舶技术的研究和应用现状，分析了内河纯电动船舶的发展意义和国家相关的政策规划，并对其未来的发展趋势进行了展望。

纯电动船舶 节能减排 内河运输 电力供应

0 引言

目前所称电动船舶分为纯电动船舶、柴电混合动力船舶以及燃料电池船舶等。本文所述的纯电动船舶是传统船舶技术与新能源技术相结合的重要产物，具有结构简单、运营成本低，零排放等特点，并且作为一种清洁能源有着广阔的应用前景，受到了人们广泛关注。在我国不断出台相应法律法规，对排放进行控制的进程中，纯电动船舶的发展对于交通行业的碳达峰，以及促进海洋经济的发展都具有重要意义。

1 内河电动船舶发展现状和应用前景

1.1 国外发展现状

国外纯电动船的应用较早，最早将电力推进应用于船舶的尝试可以追溯到19世纪30年代。挪威、荷兰一直处于电动船舶领域的领先地位。其中，挪威是运行电动船舶最多的国家。全球第一艘大型纯电动船于挪威在2014年建造，2015年投入运营, 名为安培号。安培号由两台450 kW的电动机提供动。利用锂电池提供能量，整个储能系统容量约为1040 kWh。具负责运行的航运公司介绍，该船每年可节约燃料1000吨。截止2019 年 5 月，全球营运中和拟建造电动船为 155 艘，其中80艘建造中，预计 2022年，全球电船舶将迎来快速增长期。

1.2 国内发展现状

随着一系列关于船舶环保和可持续发展的政策相继发布，我国也逐渐推进船舶工业转型升级，向‘船舶电动化’发力[1]。在相关政策的支持和保障下，有发达内河航运体系的中国在电动船舶市场取得了新的进展。在2019年11月12日，全球首艘2000吨级的纯电动内河散货船“河豚”在广州龙穴下水试运营，填补了2000吨位电动内河货船的空白，也标志我国开启绿色航运新时代[2]。

目前，我国河内船舶总量约13万艘而电动船舶仅仅20余艘。相比传统内河船舶总量其数量微乎其微。我国电动船舶主要为内河货船，大多数分布在长江、珠江等沿江沿海城市，主要用途为观光、渡船、托运等。虽然在我国内河航运轮船的动力来源主要为在柴油机，但是为了政策和可持续发展的要求，加速推进船舶电动化具有重大意义。政策促进转型，电动船舶未来前景广阔。

1.3 纯电动船舶推广面临的难题

自2020年起，国际海事航运组织环境规则对船用燃料含硫量进行约束，船舶在公海需使用含硫量低于0.5%的燃料，在近海或靠岸停泊期间含硫量需低于0.1%。对船舶燃料提出了更好的要求。我国也相继出台政策和法规，实施严格的排放标准，推进船舶电动化转型，纯电动船规模推广面临的难题[3～4]：

1）技术层面

动力电池是电动船舶的核心部件，目前其核心技术虽然有突破但仍然需要更新与改进。目前磷酸铁锂动力电池由于其优异的性能如安全性能良好、成本较低、使用寿命长而成为现阶段船舶动力电池的最优选择。但与传统的船舶相比，电动船舶充满电比加满油耗时久，且续航里程低。虽然电动船舶不设有内燃机，减少了燃油管路出现故障引起火灾的可能性，但纯电动蓄电池仓也是容易发生火灾的位置，电池在发生碰撞、短路、高温等情况下会产生热失控，如果消防措施不到位，甚至会发生爆炸[5～6]。与纯电动汽车类似，船舶电池技术还面临更多的挑战。如减少充电时间，船舶充电时的如何停泊、电动船舶与充电桩之间的连接问题等。

2）设施层面

由于电池能够支持的航行里程有限，因此需要设计中途换电和充电服务。然而无论是充电还是换电方案实施起来都比较困难，需要设置具有充、换电的服务区，具备能力的码头数量很少。充电方案需要快速充电技术，这是技术层面的问题。换电方案是最具有前景的一种方式，但也需要码头的电源调配能力和在给电动船舶换电时的装卸问题。

3）成本层面

船舶电动化仍然存在经济性不足的问题。目前应用于电动船舶的锂电池造价昂贵，相比传统燃油车，初期投入成本高20%～30%，初期投入的负担较大，且锂电池的寿命相比传统内燃机短，约为10年，占整个船舶寿命的1/3。期间需要进行电池的更换，成本较高。另外电动船舶的运营成本也并没有明显优势。港口电价优势不明显，耗电费用和提供相同价格的燃料差别不明显。

2 纯电动船发展意义

纯电动船，即驱动能源全部由电能供应的船舶。目前纯电动船还未大规模应用，仍处于发展阶段。但清洁的动力来源和低噪音、人性化的优势已然让纯电动船有了无可比拟的优势。

远洋航运多用于国与国之间的货物或人员运输，航程远、行驶环境复杂多变。对于船舶的吨位、续航能力都有极高的标准，并不适合纯电动船舶发展。相比于远洋海运，内河运输的范围小，且航线里程短。因此对于船舶的续航能力要求并不高。这为内河纯电动船的发展提供了良好的环境，相比传统动力的船舶，纯电动船具有如下优势[7]：

1）纯电动船对环境友好、排放量基本为零。在航运业产生的气体排放逐年上升的情况下我国对纯电动船的产量需求一定会越来越高。全球首艘纯电动船于2014年由挪威船厂制造，命名“安培号”。据负责该船的航运公司财务总监的估算，该船相比柴油动力船只每年可节省运行燃料1000吨。这证明发展纯电动船在节能减排的方向是可行的。如今环境问题日益引起重视，纯电动船将会有十分广阔的发展前景。

2）纯电动船的效率更高，动力性好。由于船的驱动完全使用电力，在行驶过程中电能直接传递给推进器转化为机械能。而柴油机船需要将燃料中的化学能转为热能后再将热能转化为机械能后，之后由传动轴传递到螺旋桨。电池直接供电给推进器的方式减少了中间环节，效率更高，因此有更好的节能效果。

3）纯电动船内部结构简单。柴油机船的动力部分由曲轴连杆结构和配气结构等组成。结构复杂且所占空间大；相比而言纯电动船的动力部分只有蓄电池和推进器组成，因此纯电动船的可操控性更强，反应能力得到了进一步提高。并且方便了维护和保养。同时电动船的载重能力也因可用空间的提升有所增加。

4）运营和维护的成本低。由于纯电动船使用电力作为驱动能源，与柴油机船和混合动力船相比，纯电动船的燃料成本更低。按最新的数据，柴油价格平均6.6元/升，10千伏商业用电约为0.65元/度，按此估算纯电动船单次航程可节省约75%的能源成本。

5）纯电动船另一个突出的优点就是噪声小。由于去掉了柴油发动机等噪声大的部分，纯电动船行驶过程中不会发出过大的声音，在游览观光和捕鱼方面有十分明显的优势，可让乘客和船员有更好的使用体验。

3 国家纯电动船舶发展政策与规划解读

内河航道由于其建设成本低、载运量大、内陆水域分布广泛等特点成为了我国交通运输中极其重要的一部分。《内河航运发展报告》中指出，到2035年，我国的内河货物周转需占全社会比重9%。截至到日前，我国内河船舶中有将近90%的船舶采用了传统柴油机驱动，这将对环境与周边水域产生了极大的破坏。

2007年党的十七大报告中提出：“要建设生态文明”，交通领域的“生态文明”建设便提上日程，近些年来，航运业正在逐步将转型的措施放在提高纯电动船舶的占比之上。我国的内河航道也逐渐具备电动化的基本条件，电动船舶的相关技术也取得了重大的突破，为建设“绿色航道”打下了良好的基础[8]。

《船舶工业“十二五”发展规划》中明确指出，要提高绿色造船水平，需要围绕船舶设计、建造重点环节，积极开展节能降耗技术研究。重点聚焦于绿色环保船型；新能源辅助动力等新概念船型研发；太阳能、风能、燃料电池等在船舶上的应用。2013年12月，交通运输部与财政部等共同推出《老旧运输船和单壳油轮提前报废更新实施方案》，以经济政策鼓励高能耗比、污染和安全风险较大的船舶提前报废，建造新一代低能耗、新公约、新标准的船舶，其中就包括电动船舶[9]。

“十三五”期间，全球船舶市场处于一个供需失衡关系，这就需要船舶工业坚持以创新驱动高质量发展，而集装箱船大型化的成效显著所带来的更严峻的碳排放等问题，则迫使船舶工业将目光放在如何进一步推动电动船舶发展。与此同时，2018年国务院印发的《打赢蓝天保卫战三年行动计划》中提出，提高船舶柴油机排放标准以及扩大排放限制区域；由交通运输部发布的《船舶排放控制区调整方案》规定了对长江航线以及沿海进行排放控制，其中内河控制区应该按照《大气污染防治法》要求使用合规能源以及尾气后处理、清洁能源等措施；《关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的实施意见》提出了，需要报废20年以上服役年限的内河航运船舶，据估计约有近一万艘的船舶需要被淘汰，这扩大了对电动船舶的市场需求。国际海事组织（IMO）通过“限硫令”规定：2020年起禁止使用含硫量0.5 %以上的燃油航行。这一规定大大提高了柴油驱动船舶的航行成本[10]。

因此未来几年，需要通过对电动船舶的大力支持与发展，来助力交通领域实现“绿色航道”、弥补市场空缺以及降低通航成本。

4 推动国家纯电动船舶发展的若干思考

船舶行业首先应聚焦技术本身。提高船舶燃料电池与动力电池的性能，开发相应的高寿命、高密度和高安全性的电池组以及相应配套的动力系统，需要在快速充电、岸电接驳等方面进行突破，大力发展多种新能源技术例如光伏发电技术、风力发电技术等在船舶上的应用，开发多种混合能源驱动的船舶。进一步完善废旧船舶电池的回收技术，延长船舶电池的使用周期。

有关部门需要加强顶层设计，加大政策鼓励以及逐渐完善管理体系。打赢蓝天保卫战，实现“碳中和”，必不可少的就是逐渐减少化石能源在总能源中的占比，我国的能源储备巨大并且种类繁多，因此推进船舶电动化是实现“绿色航道”的必经之路。国家统筹指定电动船舶创新发展的指导意见，集合高等院校、科研单位、金融机构、信息通讯企业以及船舶制造企业等多方力量，共同推进纯电动船舶的技术创新与更迭。并且加大在相关领域如电池技术、轻量化材料、制造业等领域的投入。完善法律法规、信息安全框架以及产品监管，为“孵化”新一代的船舶制造企业提供健康的土壤。在国际上，主动联合国内外相关行业企业，积极向国际海事组织（IMO），国际标准化组织（ISO）等机构提交议案，参与各相关规则规范标准的指定中，维护我国的船舶工业的权益。

完善配套设施建设。针对纯电动船舶充电、更换电池以及日常维护等需求，须在各港口配置相关的基础设施如换电站，可以参考新能源汽车制定相应的优惠政策吸引第三方投资主体参与建设[11]。

开展试点示范，探索商业模式。在特定流域水域中划定试验区，先完成观光船、渡轮的电动化，再逐渐扩大各类船舶电动化的占比，推动目前各船舶研发单位发展电动船舶以及相应的技术，促使企业完成转型。针对船舶电池，可以借鉴电动汽车电池的租赁以及回收办法，防止因电池回收造成二次污染，从而引发环境问题。并以此为基础创立船舶电池管理的商业模式，带动上下游产业，构建成熟的管理、运维、服务模式。

5 结语

本文从技术、政策等层面分析了目前纯电动船舶相较于传统柴油机驱动船舶的优劣以及目前纯电动船舶的发展现状。通过研究国家的政策指明了今后我国的纯电动船舶的发展趋势和方向以及相应的举措。随着环境和市场的需要，纯电动船舶凭借自身的特点得到了我国乃至世界船舶工业的大力支持和发展。但目前存在着动力电池仍有上升空间、基础建设尚未齐全以及国家政策尚未完善等问题，相信在我国政府、相关企业、科研院所以及高校等共同努力之下，未来不久后纯电动船舶技术以及规模将会得到一个爆发式提升。

[1] 李强, 李天煜, 刘伟. 电动船舶标准现状及发展思路研究[J]. 中国标准化, 2019(21): 125-130.

[2] 周漱. 电动船迎来“春天”[J]. 珠江水运, 2018(04): 28-29.

[3] 霍婧, 顾成奎. 电动船舶, 内河航运转型的“绿色推手”[N]. 中国水运报, 2020, 10, 14(06).

[4] 周镇海. 浅析纯电动船的应用前景[J]. 中国水运, 2020(11): 109-110.

[5] 张传喜. 锂离子动力电池安全性研究进展[J].船电技术, 2009, 29(04): 50-53.

[6] 宋强, 胡棋威, 裴波, 刘泽宽, 秦江. 锂电池组热管理系统散热流动性能的数值模拟研究[J]. 船电技术, 2020, 40(08): 38-42.

[7] 交通运输部. 内河航运发展纲要[R]. 北京: 交通运输部, 2020.

[8] 栾胜利.船舶电力推进技术的发展[J]. 船电技术, 2009, 29(04): 46-49.

[9] 工业和信息化部. 船舶工业“十二五”发展规划[R].北京: 工业和信息化部, 2012.

[10] 谢予, 阴晴, 金伟晨. “十三五”中国船舶工业发展回顾与未来展望[J]. 世界海运, 2021, 44(02): 5-9.

[11] 邝展婷. 完善产业配套, 加快推动新能源动力船舶应用[J]. 中国船舶报, 2020-11(001): 1-2.

Brief analysis of development status of pure electric ships on inland waterway

Lv Mingjie1,2, Qi Xingming3, Yin Hang1,2, Jiang Nan1,2, Jin Ying’ai1,2

(1. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130022, Jilin. China. 2. College of Automotive Engineering, Jilin University, Changchun 130022, Jilin. China; 3. China Ship Development & Design Center, Wuhan 430064, China)

U674

A

1003-4862（2022）01-0028-04

2021-06-02

中国政府与英国政府联合创新基金（牛顿基金）中英校企合作项目（UK-CIAPP201）

岂兴明（1978-），男，工程师，主要从事船舶动力。Email：1820557524@qq.com

金英爱（1967-），女，教授，主要从事能源综合利用。E-mail：jinya@jlu.edu.cn