基于电池的电动集装箱船在内河应用中的分析

何金宝，李雯

（1.江西省港口集团有限公司，江西 南昌 330100；2.江西省港航运输有限公司，江西 南昌 330100）

据预测，到2050 年，航运排放量将占全球二氧化碳排放量的17%，对人类生存环境和身体健康构成重大威胁。面对日益严格的监管环境，航运业正在竞相寻找可商业部署的低品质燃油零排放替代品。我国内河通航里程12.7 万公里，居世界第一，内河运输船舶11.95 万艘。研究表明，相对于低品质燃油，电化学燃料将使货船的总成本增加200-600%，因此降低电池成本是电池电动船的推广应用的关键[1,2]。

马士基已经在东亚和西非之间运营的集装箱船上开展混合动力电池试验，一艘全电动集装箱船预计将于20 年代初在挪威开始自主运营，同时日本、瑞典和丹麦等也正在开展电动船项目的研发。国内64TEU 内河绿色智能集装箱船“国创号”2021 年下水，成为首艘模块化电池动力组，采用换电模式运营的内河船舶，是第一艘满足绿色船舶三级认证标准的内河船舶。

然而，目前对电动集装箱船的系统分析，除了这些初步试点项目外，基于电池的电力储能系统推进[5]作为潜在的低排放替代方案有待进一步充分研究[3-4]。因此，本文聚焦于最低电池成本，分析电池-电动集装箱船的发展，并以某应用于内河的2000 吨级纯电池电力推进集装箱船为实例，给出其总体设计，以及对电池储能系统、智能能效系统的分析。

1 船用集装箱式电池储能系统分析

电池-电动集装箱运输的关键技术限制是电池系统和电动机的体积相对于船舶现有发动机、燃料储存和机械空间所占据的体积。同时，在确定船舶电力需求方面，电池储能系统BES 自身重量也必须考虑在内。理论上，可以通过增加吃水来增加其承载能力，但更高的吃水会增加船体阻力，据估算，5GWh 的磷酸铁锂电池重20000 吨且会增加1 米吃水深度，因此需要更多动力来达到相同航速。船上BES 系统的体积取决于船舶的功率要求、巡航速度、航程长度、电力效率和电池能量密度。鉴于在电池成本进一步降低之前，电气化可能仅限于具有更短、更频繁航行、更低功率要求和充电时间限制的小型短程船舶。

2 智能能效系统分析

智能能效管理系统通过在机舱、船体上布置传感器，采集通航环境监测参数以及主要耗能设备（柴油机、气体机）能源消耗参数等，结合动力形式、运行工况特点以及运营航段情况等，通过对船航行状态、耗能状况的在线监测与数据的自动采集，实现航行状态自动判断、能耗及能量分布分析、能效分析及评估等，为船舶管理者提供综合评估结果以及辅助决策建议。同时结合货运航线、各航段水文条件、动力系统运行模式以及燃料消耗装置特性等，实现基于航次计划及经济效益下的航速优化。

（1）能效在线监控功能：①主要耗能设备的功率、压力、温度等参数；②通过流量计电能表等监测主要耗能设备燃料和电能消耗参数；③监测推进功率参数；④GPS 及计程仪监测船速、对水速度以及航向等；⑤测深仪监测水深；⑥液位计监测船舶吃水。

（2）能效能耗计算及评估：①船舶能效营运指数（EEOI）；②单位距离燃料消耗；③单位运输功燃料消耗；④单位距离CO2排放；⑤单位运输量CO2排放；⑥燃料小时消耗量；⑦燃料日消耗量；⑧燃料航次（航段）消耗量等。

（3）从推进系统、电力系统等方面对整船的能量消耗分布和能量利用率进行计算，包括：①初级能源消耗端能量分布；②能量损失分布；③能量利用率。

（4）航速优化功能主要包括：①计算已航行距离、已航行时间，预报剩余航程、预计到港时间；②计算当前航速下燃油消耗率、剩余航程所需燃料量等；③评估航速影响因素及其相关关系；④提供船舶营运费用核算功能；⑤基于经济效益、航次计划和燃油消耗，提供航速优化建议和方案。

3 电动船舶成本分析

通过计算每公里航程长度的行驶总成本（TCP）来测试电池电动集装箱船的经济可行性。研究表明，对于航程小于1000 公里8000 标准箱的船级，电池电动船的TCP 低于现有ICE 船，在更长航程中，电池系统的额外成本、增加的电力需求和充电基础设施超过了燃料转换所节省的成本和直接电气化的效率提升。但是，如果考虑到环境成本，电池驱动船的成本在5000 公里航程均处于优势。然而，尽管这些大航程更具有成本效益，但电池重量会使船舶吃水超出安全运行参数，因此在船舶设计没有实质性改变的情况下，大航程船舶不太可能成为完全电气化的最合适选择，而运行在内河航线的中小型船舶更具优势。

4 一型电动船的总体设计案例分析

本节以航行于内河B 级航区的某纯电池电力推进集装箱船为例，给出已应用的纯电池电动船的总体设计方案。该船为了响应国家节能减排及碳中和的号召，设计了4 个集装箱式电池作为推进动力及全船电源。考虑了内河支线航道航速很低，主机的负荷率极低，为了进一步解决主机在低负荷下的耗能高的问题，设置变频电力推进，在船舶航行于限制航道的时候使用。

4.1 主要尺度

表1 为该船的主要技术参数。该船为2000 吨级纯电池电力推进集装箱船，其推进及电源系统采用2台330kW 的电力直驱全回转对转舵桨，额定转速为1500r/min。采用4 个集装箱磷酸铁锂电池，额定容量1680KWh。其航速和续航力在吃水3.2m 状态下，在两台对转舵桨各获得350 kW 功率下，设计航速～14km/h，满载排水量2620 吨。在不更换箱式电池的情况下，连续续航时间8 小时。载重量上，该船用于装载20 英尺的标准集装箱，设计最大箱数为96 标准箱+4 电池标准箱。

表1 船舶主要技术参数

4.2 总体布置

该船为集装箱电池驱动对转舵桨推进、钢质全焊接、单甲板、尾机型、首甲板室，采用二台CRP350 对转舵桨为主动力的集装箱。该船货舱区为纵骨架式、双底双舷侧、长大舱口结构，设置有抗扭箱。首/尾部及机舱区为横骨架式、单底、单舷侧结构。总体布置示意图如图1 所示。

图1 2000 吨级纯电池电力推进集装箱船总布置示意图

5 结论

本文分析了船用集装箱式电池储能系统、智能能效系统、船舶成本分析等，并通过某纯电集装箱船案例分析，确定了由可再生电力驱动的电池电动船舶为减少内河航线的航运排放提供的应用可行性。同时，快速改进电池技术可能使直接电气化在航运业脱碳方面发挥关键作用，尽管直接电气化已成为零排放航运技术上可行且具有成本效益的途径，但成熟的应用和推广仍需解决若干挑战。