闽江电动货船经济效益和减碳效益分析

黄光斌 欧珊珊 王金友 江岳文

（1 福建水口发电集团有限公司 福建福州 350004 2 福州大学电气工程与自动化学院 福建福州 350108 3 中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

电动船是1 种通过电力来驱动运行的船型，通过船只的以电代油，达到绿色发展的目的。近几年，国家出台了多项鼓励发展电动船的政策。国家发改委于2018 年6 月印发《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，明确提出推广清洁能源船舶，并于2019 年8 月修订并发布了 《产业结构调整指导目录（2019年本）》，“纯电动和天然气船舶”为国家鼓励行业（2020 年1 月1 日开始）。福建省也出台《2022 年福建省电动船舶产业发展试点示范实施方案》等，并且广州、深圳等地也提出了推动电动船投入运营的要求。与此同时，随着欧盟、IMO（国际海事组织）等组织颁布了新的排放标准，以及对内河船舶环境保护标准的提高，使得纯电动船舶以零排放、高传动效率、低运营成本和高技术附加值等优势逐渐成为航运业关注的热点［1］。

国外对港口岸电技术的研究比较早，瑞典哥德堡港在2000 年率先采用了岸电技术［2］。在2011 年电动船舶技术已被IEEE 技术活动委员会（TAB）认定为跨越多个IEEE 协会以及IEEE 以外的工程学会领域的十大新兴技术挑战之一［3］。2021年11 月，全球首艘纯电动与无人驾驶的货轮Yara Birkeland号在挪威的首次航行中取得了巨大成功。这艘货轮一旦投入使用，可以替代40 000 辆柴油货车，并且1 a 可以降低1 000 t的CO2排放量。

2013 年，我国第一艘纯电动船正式投产，主要用于内湖、内河和沿海港口。2021 年，江龙公司已将280 客座的“金龙鱼”游船和486 客座电动游船“珠江王子”船交付。中国远洋集团在2022 年3 月18 日宣布，将在2023 年年底之前，建造2 艘700 TEU 的长江干线电力集装箱船，船舶系统的设计采用了船电分离的方式，并以集装箱式动力电池为动力源。2022 年6 月20 日我国首艘2 000 t 集散双用新能源船舶在浙江长兴正式交付。该船搭载了3 400 kWh 的大容量磷酸铁锂电池，一次充电只需要4～5 h，就可以使船只在300 km 内满负荷行驶；该船排放不含油污水且噪音低，同时每年运行费用只有常规柴油船的1/5。根据市场研究公司Fortune Business Insights 在《电动船舶市场规模和行业分析》 报告中的分析显示，预计到2027年全球电动船舶的市场规模将达108.2 亿美元，电动船的发展成为当下新热点。

就船用电池而言，由于锂电池具有能量密度高、使用寿命长、额定电压高、自放电率低、温度适应性好等优点，已逐渐成为电动船用电池的首选。同时，锂电池还需要中国船级社的认证，并对其产品进行严格的系统检验［4］。

国内外对电动船舶的技术研究也在如火如荼地开展中。文献［5］在特定航线下对2 种不同的换电服务费收取标准进行了比较，未来还可以通过对大量不同样本建模展开研究，为电动船的大规模普及打下基础。直流并网技术是电动船行业的重要技术，文献［6］对其直流并网主电路建立等效仿真模型，设计合适的保护电路，以降低全船失电的风险，为电动船舶的可靠航行做好准备。文献［7］提出应用混合启发式算法来优化电动船舶调度，可达到优化船舶充电及航运路径的目的。混合动力船舶的船载电力系统连接多个电源、储能系统以及各种类型负载，文献［8］对此系统设计了电源管理方案，采用等效能耗最小化策略，可实现实时混合能源间的最优功率分配，解决由波动负载带来的电能质量低的问题。

本文致力于研究电动船舶所带来的经济效益和排碳效益，以福建闽江为案例，具体分析该航线特点，并将传统油船的能耗成本和碳排放与电动船舶进行对比分析，最后根据电池租赁价格的变化，对电动船舶的投资回收期、净现值、税后收益和年运费收入等相关经济指标进行敏感度分析，以进一步明确电动船舶发展的必要性和可行性。

1 闽江流域及电动船舶概况

闽江是福建省流域雨量最大的河流，与黄河的水量相近，在全国排名第七，每年的径流量变化相对平稳，也是重要的水运通道。但近年由于水位太低，通航设备不能正常运行，使得可供航行的天数缩短，在2020 年只有44 d 可以通航。在闽江水口大坝工程竣工后，水口水电站的下游水位升高了6.5 m，使闽江的通航条件得以正常运行，基本实现了全年通航。福建南平-福州闽江马尾段的通航能力从500 t 提高到1 000 t，年运输能力预计1 400 万t。

闽江工业运输量主要由闽江腹地三明市、南平市、福州市闽清县的水运量组成。其中三明市货运量形成的直接来源是其沿江大企业的大宗货物进出，适合水运的主要货源有：三钢集团的铁矿石与钢材，青山纸业的木片、竹片、煤炭与石灰等，金牛水泥的煤炭与水泥，以及集装箱式的社会零散货源。南平市的主要货源有：水泥、金属矿石、非金属矿石、机电产品、木材、粮食以及煤炭等。福州市闽清县的主要货源有：瓷砖、建筑构件以及陶土、透辉石、水泥熟料、煤炭、石英砂等散货。

为响应我国“3060”双碳目标，计划在闽江通航千吨级换电式纯电动集装箱货船：船长77 m，船宽10.8 m，型深2.85 m，吃水2.1 m，设计航速13 km/h，最大箱位数48 TEU，载重1 200 t。项目采用船电分离、电池租赁的方式。货船拟采用宁德时代集装箱式可移动电池作为动力源，电池单箱电量1 500 kWh，以磷酸铁锂电池为能源载体，采用20 ft［5 898 mm（L）×2 352 mm（W）×2 393 mm（H）］ 标准集装箱为成组单元的通用模块化电源系统。储能集装箱配有空调系统、消防系统、配电系统、安防系统、门禁系统等，防护等级高，满足各种使用环境。未来计划航程由福建南平的沙溪口出发经闽清水口电站至福州马尾，往返共380 km，航行30 h，耗电量6 080 kWh。

2 经济效益模型

本文选择投资回收期、净现值、税后利润和年运费收入等经济指标作为纯电动船经济效益评价指标［9］。

船舶年运行成本由所有船舶电池的年总租赁费用与船舶年总成本组成。船舶年总成本由船舶年投资成本、船员工资以及船舶通行费组成。电动船年总用电费见式（1）。

式中：Ees是电船年总租赁费用；Vs是年往返航次；Qes是单航次消耗电量；Pes是电池租赁价格。

电动船舶的年投资成本根据费用等年值法计算得出，见式（2）。

式中：A 是单船等年值投资成本；N 是船舶年限；P 是船舶购买价格；i 是贴现率；r 是船舶残值率。

年运费收入公式见式（3）。

式中：Fes是年运费收入；mes是年载运量；fes是单位运费收入。

投资回收期是以项目的净收益回收项目投资所需要的时间，一般以年为单位。投资回收期越短，表示项目的盈利能力和抗风险能力越强，其计算见式（4）。

式中：I 是年税后收益；M 是投资回收期。

净现值是指按照设定的折现率计算项目计算期内的各年净现金流量的现值之和。该指标是考察项目盈利能力的绝对量指标，净现值≥0，表明项目的盈利能力达到或超过了要求。净现值的计算模型［10］见式（5）。

式中：S 是净现值；V 是年税后利润；N 是船舶年限。

3 闽江电动船舶效益测算

3.1 经济效益分析

预测闽江内河到2025 年水运量将达到1 185 万t，其中上行（福州马尾-福建南平）300 万t，下行（福建南平-福州马尾）885 万t。考虑负载率为0.9，则每艘船可运货1 080 t，电动船的总年往返航次约为8 195 趟（以运输量大的下行次数记为趟数），预计至少需要25 艘电动船以供运载货物，平均每艘船的年往返航次为328 趟，且单趟航行的耗电量为6 080 kWh，可以得出所有船舶的年总耗电量为50 GWh。

电动船舶相关参数值见表1。

表1 相关参数值

由于目前尚未规定电动船舶电池的租赁电价，根据表1数据，在保证动力电池投资运营者在设施使用寿命内能够回收成本及合理收益的条件下，计算船用磷酸铁锂动力电池租赁价格成本至少为2.60 元/kWh，综合考量设动力电池的租赁价格为2.60 元/kWh。根据表1 计算出各经济指标以及电池租赁价格成本所需的参数数值，详见表2。

表2 经济评价指标

在现有的电池租赁价格下，电动船舶无法实现有效的投资回收期。若要实现30 a 投资回收期，当其他参量不变时，可计算出与之相对应的电池租赁价格为2.43 元/kWh。

当电动船与油动力船在同等条件下，即电动船年总耗电量为50 GWh 时，油动力船耗油量为2.06 万m3。通过计算油动力船和电动船舶的运行成本，对二者的经济性进行对比分析。

油动力船年动力成本=年耗油量×燃油价格（选取当日福建省0 号油价）=2.06×107L×7.86 元/L≈1.619 亿元

电动船舶年动力成本=年耗电量×电池租赁价格=5.0×107kWh×2.60 元/kWh≈1.300 亿元

若将油动力船换为电动船舶，成本可缩减约20%。由表2的计算结果可以看出：当动力电池的租赁价格设为电池租赁成本2.60 元/kWh 时，该项目尚处于亏本状态。未来电池行业的发展也将降低电池租赁成本，这将使得电动船舶的经济效益更为可观。

3.2 环境效益分析

根据电动船舶的用电性质，对电动船舶与油动力船只的碳排放量进行计算比较。

油动力船的排碳量=年耗油量×柴油碳排放系数=2.06×107L×3.10 kg/L=6.386 万t

电网碳排放系数=福建火电比例×（1+输电的线损率）×火电平均煤耗率×单位标准煤产生的CO2质量=58%×（1+4.63%）×0.32 kg/kWh×3.2 kg=0.621 kg/kWh

电动力船的排碳量=年耗电量×电网碳排放系数=5.0×107kWh×0.621 kg/kWh=3.110 万t

在所有油动力船只满载运行时，油动力船只与电动船舶在同等条件下，电动船舶耗电产生的碳排放量与油动力船只相比，降低了51.3%，电动船舶所带来的环境效益明显高于油动力船只，于环境保护而言大有裨益。在福建省能源规划中，若未来的电力全部来源于清洁能源，则温室气体的排放1 a 可减少6.386 万t。

3.3 敏感性分析

敏感性分析是指分析对项目的效益指标有重要影响的因素，得出该因素对项目效益指标的影响程度和敏感程度。由于船运市场的不确定性和电池技术的高速发展，使得电池的价格波动比较大。本文选取电池租赁定价作为电动敏感度分析的因素，随着电池租赁价格的变化，对其投资回收期、净现值、年税后利润等经济指标的变化进行分析，为今后更好地发挥电动船舶的经济效益、制订可行的方案提供参考。以2.60 元/kWh为基础电池租赁价格，根据-20%～0%的变动计算相关指标，结果如表3 及图1 所示。

图1 净现值与年税后利润的敏感性分析

表3 随电池租赁价格变化的敏感性分析表

4 结论

本文构建了电动船舶效益测算模型，从经济与环保2 个角度出发，对福建闽江的特别案例进行实例分析，结果表明：

（1）电动货船与其在同等条件下油动力船相比，动力成本可缩减约20%，碳排放降低了51.3%，电动船舶带来了经济和环境的双重效益；

（2）随着电池租赁价格的降低，净现值与年税后利润逐渐由亏本转向盈利，投资回收期缩短至4.87 a，低于行业平均水平；

（3）船舶电池若采用绿色电能，可使得温室气体年排放减少6.386 万t。

未来可再生能源的发展，也将使得绿色电价持续下降，这会给电动船舶计划带来更大的利润空间。同时电池技术的进步，也会降低电动船舶的动力成本。