5月8日,我國長江流域首艘千噸級純電動貨船“中天電運001”號在江蘇省常州市試航。該船采用鋰電池與超級電容“雙電”驅動,整船電池容量1458千瓦時,相當于40輛電動汽車;通過岸電充電2.5小時,可續航50千米;按全年運營150航次計算,年用電量在45萬度左右,可替代燃油20.16噸。
近年來,隨著世界能源消耗的日益增長和環境污染的不斷加劇,綠色、可持續發展理念深入人心。與新能源汽車類似,在船舶領域,動力電池技術的逐步成熟和成本的不斷下降,使電動船產業的發展具備了基本條件,電動船逐漸成為綠色航運市場“新寵”。當前,電動船在內河渡船、短途客船、觀光船以及小型游艇等領域已占據重要地位,但在中短途運輸、中小量運輸等領域尚未被廣泛應用,在遠洋運輸領域還處于空白階段。未來,隨著科技的快速發展以及相關政策、法規的逐步完善,電動船要在中短途運輸、中小量運輸領域被廣泛應用,在遠洋運輸領域實現零的突破,仍有一段很長的路要走。
電動船成為航運市場“新寵”
1839年,德國科學家研制出世界上第一艘電動船,由此開啟了電動船新世界的大門。隨著蓄電池和電機技術水平不斷提升,歷經40多年的發展,電動船開始具有了一定實用性。1881年和1882年,法國和英國分別成功進行了新型電動船試航;同時期,英國在泰晤士河沿岸還建立了世界上第一支經營出租的電力游艇船隊,并建設了一系列充電站。
誕生初期,由于電動船的電機技術尚不成熟,電池性能也有待提升,故電動船技術大多應用于內河水域的小型渡船和游艇。隨著動力更強大的柴油發動機的發展和燃料補給的便利,電動船逐漸失去原有風光,其發展也趨于止步。
船舶動力進入柴油機時代后,船用柴油和重質燃油成為主要燃料,但其燃燒后排放的廢氣中含有二氧化碳、氮氧化合物、硫氧化合物等大量污染物,會對生態環境產生惡劣影響。當前,航運業在經濟全球化進程中發揮著重要作用,約有80%的國際貿易都通過船舶運輸完成,由此造成的環境污染問題不容小覷。據估計,1艘萬箱集裝箱船的硫化物排放量在常用工況下相當于27萬輛重型卡車,若不采取有效減排措施,到2050年,航運業的溫室氣體排放量將達到全球溫室氣體總排放量的12%~18%。
為應對一系列環保問題和挑戰,綠色、可持續發展已成為航運業未來發展的基調。雖然,國際海事組織(IMO)在船舶尾氣排放和船舶能效等方面制定了很多標準和規范,各國政府及相關部門也發布了眾多交通運輸業節能減排政策和規則,但都不能從根本上解決污染物排放問題。為此,各國開始積極尋求船舶替代動力燃料,希望能大幅度減少傳統柴油動力船舶的使用。
以純電力作為動力來源的電動船,具備零污染排放的特性,由此受到了航運界的青睞。與傳統燃油動力船舶相比,電動船在控制廢棄物排放污染、噪音污染等方面擁有得天獨厚的優勢。
鋰離子電池助力電動船發展
目前,電動船多用鉛酸電池作為電力供應源。雖然傳統鉛酸電池技術發展逐漸成熟,成本也較低,但其較低的能量密度和較長的充電時間,致使電動船的性能與內燃機船相比差距較大,其實用性也因此受到限制,使得該船主要應用于內河渡船和觀光船等領域。為了避免電池儲能技術再次成為電動船發展的攔路虎,科研學者紛紛將目光投向了鋰離子電池技術。
鋰離子電池一經問世就憑借其高能量密度的優勢迅速進入交通領域。經過二十多年的發展,鋰離子電池技術水平不斷提高、市場模式日漸成熟、應用規模快速擴大。隨著鋰離子電池的成本下降,它在電能存儲應用方面的經濟性凸顯,以鋰離子電池技術為支撐的電動汽車顯示出強大的市場顛覆力。
全球電動船在建及營運數量
得益于鋰離子電池在電動汽車行業的成功,該電池技術也一舉成為電動船發展的首要驅動因素。當下,國內外已在鋰離子電池儲能系統的關鍵技術上取得重大突破,還在船舶電力系統組網技術、船舶電力推進技術、大功率電力并網技術等方面相繼取得大量研究成果。目前,全球在建及營運的電動船數量已近230艘,包括渡船、近海船、客船、拖船等多種船型。數據顯示,2019年、2022年以及2025年的電動船鋰電化滲透率分別按照0.035%、0.55%、18.5%計算,截至2025年,電動船用鋰電池市場將達到35.41億瓦時(GWh)。
國外的電動船發展起步較早,特別是北歐和北美地區,在當地有關部門的大力推動下,已取得巨大進展。其中,挪威是全球大型電動船運營數量最多的國家,船舶主要是往返于島嶼航線的渡船。2015年,西門子公司與挪威造船廠Fjellstrand合作開發了世界上第一艘電池電力驅動的“Amepre”號滾裝渡船,每天34次往返于卑爾根以北的拉維克和奧本達爾,每年節省約100萬升柴油,可減少2680噸二氧化碳和37噸氮氧化物排放。
世界上第一艘電池電力驅動的“Amepre”號滾裝渡船
與國外相比,我國對電動船的研究和應用起步較晚,在內河小型游船和巡邏船上有部分應用案例,運輸船舶領域的應用較少,整體技術水平不高。近年來,在國家政策扶持引導和新能源汽車產業的帶動下,我國鋰離子動力電池技術水平大幅度提升,成本明顯下降,具備了支撐電動船應用推廣的良好基礎。同時,寧德時代新能源科技股份有限公司、惠州億緯鋰能股份有限公司等磷酸鐵鋰電池巨頭企業也紛紛涌入電動船市場,為我國電動船產業發展注入新鮮活力。2019年1月,我國建造的世界首艘千噸級純電動散貨船“河豚”號順利交付,該船充電2小時,續航能力可達80公里;2020年1月,我國自主研發的首艘千噸級純電動客船“君旅號”在湖北省武漢市漢口王家巷客運旅游碼頭實現試運行往返,充分展現出我國在電動船領域的技術實力以及推動“綠色”船舶發展的決心。
四大因素影響電動船未來發展
當前,電動短途客運、輪渡及游覽船舶產業雛形已現,隨著技術不斷突破與時代需求的發展,未來,電動船將發展為中短途運輸、中小量運輸的中堅力量。從我國電動船的發展現狀以及發展趨勢來看,安全性、技術性、經濟性以及配套政策將成為影響該型船未來發展的關鍵因素。
安全性:安全保障要求高,鋰電池能否滿足要求還需考驗
鋰離子電池因過充電、過放電、電池短路和熱沖擊等皆可能導致燃燒、爆炸等安全事故,全球各地的鋰離子電池燃燒事故更是時有發生。2019年10月,挪威渡船公司Norled旗下“MF Ytteroyningen”號客船的蓄電池室發生嚴重氣體爆炸,12名消防員因接觸與電池有關的有害氣體而被送往醫院。對安全性要求頗高的電動船能否成功依托鋰電池進入航運市場,關鍵在于是否解決營運安全保障的系統性問題。
“MF Ytteroyningen”號
技術性:電動船“提續航”與“降自重”的平衡難題有待突破
當前,電動船儲能電池的儲能密度是影響電動船發展的首要技術難關。正如純電動重型卡車的發展被“續航短、自重大”的硬傷所局限,正在向大型化發展的電動船也面臨同樣問題——續航與自重相互制約,難以兼得。2019年交付的“君旅號”安裝有重達25噸的大容量鋰電池組,整船電池容量為2280千瓦/時,相當于50臺電動汽車的電池容量。電動船電池的續航容量越大,其占用的空間和重量就越大,相應犧牲的船舶載重量也越大,從而導致電動船營運的經濟性進一步降低。
經濟性:大容量電動船一次性成本較高,鋰電池推廣成難點
目前,小容量電動船普遍用于渡船、觀光船等短途、小量運輸領域,對續航能力要求不高。大容量電動船的電池則既要滿足一定的功率要求,也要具有較高的續航能力,如此巨大的電池容量需求,無疑增加了電動船的建造成本投入。與此同時,由于船用鋰電池壽命一般為10年,而船舶壽命周期通常為30年,因此大容量電動船在使用期間更換電池的成本也較高。船用電池的高成本在一定程度上將制約鋰電池在電動船上的推廣應用,從而也將對電動船的未來發展產生一定影響。
配套政策:配套及政策跟不上,電動船規模化推廣受阻
對港口而言,供電設施初始建設投資較大,運營維護成本高,巨額投資建設的充電設施回報率很低,使得岸基充電設施的建設無法進行大規模商業化拓展。在技術方面,錨地跨船供電技術的安全性面臨挑戰,江中拋錨自泊的船舶在電力供應方面還存在較大技術難度。此外,產品及技術標準不統一,也限制著電動船產業的發展,在電動船舶領域,至今沒有確立充電設備技術標準,現有電動船的充電設備仍是“一船一策”。
直面挑戰抓住發展機遇
深化技術創新與突破,提升動力電池性能與經濟性。電動船的未來發展必將是由渡船走向貨運,由內河走向遠洋,而當前的鋰離子電池技術尚難以滿足電動船未來發展的技術需求。因此,電動船在技術創新領域仍需不斷加強,強化自主創新能力,尤其要從提高電池能量密度、提高電池性能和降低電池成本等電池技術層面進行根本性突破。同時,需要兼顧在電池環保、安全性方面下功夫,打造性能突出、經濟可靠的電動船“綠色心臟”。
完善配套與政策支持,提出多元化推廣機制。電動船產業應借鑒電動汽車發展的成熟經驗,加大配套基礎設施建設力度,統籌規劃,協調發展,建立統一的充電形式;努力突破充電技術難點,積極探索新的充電模式,例如無線充電技術。此外,還需推出多元化推廣機制,從財政補貼、商業模式、管理機制等多方面完善配套政策支持,運用市場機制,重點在城市渡船、觀光船、內河船舶領域進行推廣。
以混合電力推進系統為跳板,積極布局電動船市場。隨著全球海事環保標準和要求不斷提高,我國綠色航運建設不斷深入,電動船已成為實現船舶工業節能減排和轉型升級的重要路徑。船舶行業需抓住機遇,積極推進電動船技術發展,更新船舶設計、建造技術,鼓勵多種電池技術并存;可優先發展經濟型的混合電力推進系統,有利于快速形成電動船規模化應用市場,為未來純電動船進入航運市場奠定基礎。
把握智能化發展機遇,推進電動船與智能船協同發展。由于物聯網、大數據、人工智能、5G等新理念、新技術的突飛猛進,相比汽車行業的自動駕駛技術,智能航運時代比預期來得更快。智能化與電氣化密不可分、相輔相成,如今電動船遇上智能船,只需順應時代發展,把握發展機遇,以電動船發展推動智能船發展,以智能船技術提升電動船水平,推進電動船與智能船協同發展,打造出一條智能化的綠色航運發展之路。
隨著動力電池技術的快速發展以及航運環保要求的不斷提高,電動船已經站在了航運發展的風口之上,未來占據航運業的一席之地也將成為不爭事實。但機遇與挑戰并存,電動船未來發展仍需直面現實,未來,電動船能否取代柴油推進船舶成為航運主流動力尚難以定論,畢竟當前的電動船發展對于遠洋運輸需求而言明顯難當大任。電動船與燃油船各有所長,在各自的優勢領域里,發揮各自的主流作用,二者相互補充、相互依存也許是未來發展的最好選擇。