内河纯电动船舶航运的适应性及发展

刘星辰，盛进路

内河纯电动船舶航运的适应性及发展

刘星辰，盛进路

（重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074）

为了控制船舶大气污染物排放，实现船舶绿色发展，船舶电动化势在必行。本文结合电动船舶在我国的发展现状，对相关政策规划进行解读，从国际环境、航运环境以及电池技术等方面对电动船舶进行适应性分析，并分析电动船舶在内河发展存在的问题，提出相应的发展思路。

电动船舶 政策规划 适应性 发展思路

0 引言

随着欧盟、IMO（国际海事组织）等组织相继出台船舶排放新法规，以及内河航运船舶防污染要求的不断提升，纯电动船舶以零排放、传动效率高、运营成本低、技术附加值高等优势逐渐成为航运业关注的热点。

近年来，我国发布了多项促进电动船舶发展的政策，广州和深圳等地方政府出台的政策更是明确指出要加快电动船舶的投入运行。并且我国内河航道条件有着独到的优势，岸电设备规模不断扩大，人工智能发展不断成熟，智能控制技术理论研究已达国际水平，电池动力来源丰厚。为减少船舶运营成本、降低船舶排放污染，实现内河航运绿色转型，纯电动船舶的投入和使用势在必行。

1 内河纯电动船舶的应用现状

1.1 电动船舶发展现状

目前，纯电动船舶已经成为航运业绿色转型的热点，国内外航运企业及相关部门都在大力推广纯电动船舶的建造和使用，以及相关技术设施的建设。在2008年以前由于技术条件的不成熟，电动船的订单量和交付量极少，随着世界对航运环境要求的不断提升，目前世界拟建造和营运中电动船舶共计160余艘。

我国已建造的电动船舶数量仅20余艘，从应用船型上，可以分为客船、车客渡船、港务船以及海工船等，主要应用于内湖、内河以及近海港口[1]。2015年，上海瑞华集团研发的500吨级纯电动内河货船试航成功，意味着纯电动船舶开始进入我们的视线，纯电动船舶的时代也将到来。广船国际有限公司建造了2000吨级电动自卸船，采用超级电容+超大功率的锂电池，船员配备6人，可续航80公里；“大湾区一号”是国内首艘油电混合旅游船，实现了从芯片到混合动力直网电力系统的运用；“君旅号”是我国首艘大型纯电动客船，使用全锂电池动力和吊舱推进器的动力系统，电池容量等同于50辆电动汽车的电池容量；“中天电运001”是我国第一艘千吨级纯电动货船，其电池容量相当于40辆电动汽车的电池容量，在电池技术上采用锂电池混合超级电容的驱动系统，使电池负载量更大，更匹配千吨级船舶的运载能力。

图1 电动船舶船型分类

1.2 发展电动船舶相关政策规划解读

相关部门相继发布了船舶智能化、扩大污染物排放控制区、产业结构调整等有利于电动船舶发展的相关政策，为进一步加快船舶绿色转型提供有利支撑。

为了优化升级传统燃油船舶，添加天然气船舶、电动船舶等新能源船舶的营运，并且要限制船舶污染物排放、扩大船舶排放控制区。淘汰20年以上的老旧船舶以及限制高排放船舶的使用，加快港口岸电设施的建设，促使港口有能力向船舶供应岸电。国务院在2018年出台了《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，此计划的发布促进了电动船舶的发展。

为减少作业人员的配备，降低作业强度，提高船舶智能制造技术和信息集成化水平，并且对一些先进企业要求能够建立比较先进的智能车间以及智能生产线，基本实现数字造船，工信部在2018年发布了《推进船舶总装建造智能化转型行动计划(2019-2021年)》。同时为了提高船舶自动靠、离泊及航行智能感知等技术，为了对智能船舶进行推广示范，并且试点示范自主航行、远程遥控等功能的运用场景，对智能船舶虚实结合、岸海一体进行初步的综合测试，交通运输部在2018年发布了《智能船舶发展行动计划(2019-2021年)》[2]。这两次行动计划表明船舶的智能化转型已经提上日程，为电动船舶的发展奠定基础。

为了鼓励生产混合动力和插电式混合动力发动机,以及鼓励纯电动船舶、混合动力船舶、油电混合动力船舶、船舶岸电技术、纯电动燃料电池等机动车船技术的生产。2019年10月，国家发改委发布了《产业结构调整指导目录（2019年版）》[3]，整个船舶运输产业结构调整真正推动了电动船舶的发展。

2 纯电动船舶在内河航运中的适应性分析

纯电动船舶与传统燃油船舶相比有着零排放、船型结构简单、传动效率更高、运营成本低等方面的优势，相关的配套产业还处在待开发阶段，纯电动船舶在内河航运中的前景一片光明。

2.1 国际环境

欧盟、IMO关于船舶排放新法规的实施，国际海事组织“限硫令”的发布，要求船用燃料的含硫量在近海区要低于0.1％，在公海区要低于0.5％[4]，各国关于船舶污染排放的要求日趋严格，各港口已经实施严格的排放标准。电动船舶在挪威和荷兰已取得较大的成功，世界要求可以发展电动船舶。

2018交通运输部在《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》提到：鼓励淘汰船龄在20年以上的船舶[4]。据此分析，我国内河估计要淘汰1万艘以上的船舶，如果全部用纯电动船来代替，应用前景不可估量。

2.2 航运环境

我国内河航道通航总里程已达10万公里，居于世界第二，但是大部分航道只能通航小吨位船舶，只有约占总里程百分之十几的航道能通航大吨位船舶。限于当前电动船舶续航里程短，技术开发受一定的限制，短里程和小吨位船舶运行的航道更加适应于电动船舶的建造和试运行；同时，内河航道的货运密度（单位航道里程的平均货物周转量）尚未充分利用，电动船舶船型结构简单，可有效提升船舶空间利用率，提高货物的装载量，进而提高航道的货运密度。

以长江航运环境为例，长江干线航道自然地理条件优越，中下游水流平稳，江面开阔，不少河段江面宽度超过 10 千米，具有丰富的深水岸线资源。拥有世界上最先进的航道治理技术及内河流域建设方案,并且是全世界内河客货运输量最大的河流之一。长江干线共有港站220余个，生产性泊位近3300 个，深水岸线资源丰富。无论从地理环境、技术开发以及港口基础和岸线资源方面都可以有利支撑电动船舶的发展，并且巨大的客货运输量有利于电动船舶的可持续发展。

2.3 蓄电池技术

在船用电池的类型选择上，锂电池以其能量密度高、使用寿命长、额定电压高、自放电率很低，以及高低温适应性强等优势成为电动船舶船用电池的优选能源。同时锂电池必须经过中国船级社的认证才能在船舶上试行，目前，被中国船级社认可的船用能源锂电池只有磷酸铁锂电池，并且对磷酸铁锂电池产品检验、系统检验做出了明确规定。

2.3.1 技术规范标准方面

2014年，中国船级社发布的《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南》明确提出磷酸铁锂电池可以作为船舶的动力蓄电池。并且对磷酸铁锂电池间的组件、磷酸铁锂电池的布置与安装、电池管理系统等做出了明确要求，对电池出现的紧急情况规范了相应的保护措施；2019年中国船级社又发布了《纯电池动力船舶检验指南》[5]，该检验指南进一步对蓄电池的配备和容量、电池管理系统、功率和功能、充电装置等做出规定，并规范了蓄电池舱的布置和安全保护措施。

2.3.2 技术性能方面

结合电动能源汽车在我国的应用以及蓄电池技术规范标准，可以看出我国对电动机、电池管理系统、电子变流装置等设备早已有比较充分的应用，在蓄电池的技术开发上不存在很大的壁垒，重点需要突破的就是电池充电技术以及电池使用寿命等难题。据资料显示，宁德时代已经攻克了船用锂电池安全、长续航、大功率、长寿命等技术难题，采用符合IP67以上防护等级的电池包，有效规避水汽、盐雾及粉尘引发的安全风险[6]，满足全生命周期内的IP等级要求。目前，已经有8家电池厂商的产品获得了中国船级社的认定，主流市场主要包括国轩高科、宁德时代以及亿纬锂能。随着今后更多电池厂商的加入，宁德时代的cpt技术、国轩高科的深度集成高压控制系统、比亚迪的刀片技术都将进一步优化磷酸铁锂电池的使用寿命、经济安全、能量储能密度等技术性能。

3 纯电动船发展壁垒及发展思路

3.1 发展壁垒

虽然我国人工智能技术趋于世界先进水平，并且出台了相关政策措施推动电动船的发展，锂离子电池技术也在不断开发，但是国内电动船舶的建造和使用数量还是很少，内河船舶纯电动化主要还存在以下难题：

1）充电与续航问题

电动船舶的充电过程比传统柴油船舶的加油过程更加复杂，耗时更长，并且当前电动船在我国还属于新兴行业，传统柴油船舶有着比较完备的加油体系，而电动船舶在运输过程中可能面临无电可充的情况。目前电动船舶只在旅游观光船和内河短途运输中有所应用，主要原因就是充电设施不够完善，充电方式不够先进，电池续航能力不足，导致船舶无法进行长距离运输。

2）船舶安全管理问题

电动船舶轮机部分和传统柴油船舶的内燃机在操作管理上有很大的不同，电池推进装置、变电装置、电池组等需要专门的技术人员进行操作。船用电池的电压、温度、故障等影响船舶安全的信息是由电池管理系统（BMS）进行监控和识别，再上传至后台或者技术支持中心从而采取相关的应急措施，传统的船员已经不适合安全操作管理新能源电动船舶。

船用电池的安全性能决定船舶及工作人员的安全性。而磷酸铁锂电池在过充放电以及热冲击条件下具有潜在爆炸的危险，在过量充电情况下会产生大量可燃气体，在热失控情况下会产生大量THC、CO、SO2等有毒、可燃烟气，影响船舶及人员安全，并且对航运环境产生一定的污染。

3）船舶建造和运营成本问题

电动船舶经济问题主要在于船舶建造成本以及船舶运营成本。动力电池的价格昂贵，致使电动船舶的建造成本过高，初期资金投入较大，比传统燃油船舶建造成本高出25％左右。并且在提供相同电能情况下的燃油成本与岸电价格相差无几，导致船舶运营成本并未大幅度降低。

4)商业模式不清晰、管理体系不成熟

虽然国家出台相关政策大力支持船舶电动化，但能研发并提供动力电池的企业较少，还没有形成固定的规模，电池租赁和裸船销售的形式被大多企业所采用，除了磷酸铁锂电池获得船检社认可以外，缺乏更多动力电池的选择。船舶制造商与动力电池开发企业缺乏联动性，没有较为完备的供应链模式，船舶技术标准体系以及船岸管理体系尚未建立，缺乏相关的法律制度。

3.2 发展思路

1）开发和创新充电方式，加强电池科研攻关

动力电池研发企业需要加强对电池能量密度、电池容量、使用寿命等指标的技术开发，提升电池的续航能力。并且研制除磷酸铁锂电池外其他锂离子电池作为船舶的动力电池，例如碳酸锂、镍酸锂等锂电池的技术开发。在解决船舶充电问题上，一方面需要制定统一的充电标准，在内河航运密集的地方加大岸电设备的建设和投入，建立完善的充电管理体系，并且大力研发快速充电系统成套技术。另一方面可以合理利用太阳能、风能、波浪能等自然能源辅助发电，设计波浪能、风能、太阳能发电装置，将其转化为电能供船舶推进，可以有效解决船舶续航以及充电问题。并且在大力发展有线充电的基础上，开发无线充电技术，将无线充电应用到实践中，减少船舶充电时间以及停泊时间，提高船舶的营运效率。

2）提高船员适任能力，加强电池安全维护

重新界定电动船舶船员的适任能力和人员配备问题，严格设定电动船舶船员资格证书，对船员进行特殊培训，要求船员在具备传统航海基本常识以及机电操作能力的基础上，掌握船用智能系统包括电池管理系统的操作规范，并具备动力电池安全应急的能力。虽然电动船舶采用了电池管理系统以及大量自动化航行设备，替代了以前船员的监控、操作工作，减少了船员的工作强度以及船员配备数量。但要设定好电动船舶船员最低安全配员的数量，在满足船舶安全且适航的前提下，减少船舶人员配备数量。

磷酸铁锂电池由于在高温条件下会具有潜在爆炸的危险，影响船舶安全，解决方法可以考虑从电解液出发，通过在电解液里添加新型锂盐以及新型溶剂可以有效提升电解液的安全性。同时可以通过用金属氧化物对电极材料进行包装修饰，来提升电极材料的安全性。并且制定电池应急保护措施，明确指出电池出现各种危机情况时的处理措施。

3）制定相关法律法规，做好电池回收处理工作。

电动船舶跟传统的燃油船舶在动力推进系统以及运营管理上都截然不同，因此不能以传统的法律法规来管理电动船舶，应重新制定相关的法律法规体系，特别对船员的责任分工划分明确。并且建立具体的方案流程对船用电池进行回收处理，对废弃电池和可回收电池进行分类，减少对环境的污染。同时国家应给予电动船舶制造商一定的资金支持，并推动降低港口岸电价格，从而减轻企业初期造船成本和电动船舶营运成本。

4 结语

从我国内河航道条件以及航运特点、电池开发技术等方面分析来看，电动船舶是适合在我国大力发展的。但由于锂电池价格昂贵，充电系统不完善，充电方式不先进以及电池容量技术开发有限，因而电动船舶的发展存在充电困难、续航能力不足、造船及营运成本高等方面的问题。相关企业和部门应该开发和创新充电方式，充分利用太阳能、风能、波浪能等能源发电，做好动力电池应急保护措施，对船员进行特殊培训，给予电动船制造企业资金补助，并制定相应的法律法规。

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

[2] 翁雨波. 电动船舶市场或将迎来快速发展期[J]. 中国船检, 2018(10): 34-36+108-109.

[3] 李小鱼.《产业结构调整指导目录（2019年本）》（节选）[J].砖瓦,2020(08):43.

[4] 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(006).

[5] 刘艳良. 浅谈磷酸铁锂电池及其在电动船舶行业应用与发展[J]. 科学技术新, 2020(15): 43-44.

[6] 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.

Adaptability and Development of Pure Electric Ship for Inland River Shipping

Liu Xing Chen, Sheng Jinlu

（School of Traffic and Transportation, Chongqing JiaoTong University, Chongqing400074, China）

U674

A

1003-4862（2021）06-0019-04

2021-05-29

刘星辰（1998-），研究生。研究方向：交通运输工程。E-mail：541517402@ qq.com

盛进路（1976-），男，教授。研究方向：航运管理。E-mail：forwardlulu@163.com