首頁資訊純電動船換電風(fēng)險與對策——以“中遠海運綠水01”輪為例

純電動船換電風(fēng)險與對策——以“中遠海運綠水01”輪為例

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2025年09月17日 00:50

摘要：中國自主研發(fā)的世界首制萬噸級純電動集裝箱船“中遠海運綠水01”輪在純電動集裝箱船裝箱數(shù)、載重能力及電池容量方面均處于世界領(lǐng)先地位。介紹該輪的基本信息、電池動力系統(tǒng)和換電模式，分析純電動船換電風(fēng)險并提出相關(guān)對策，為純電動船換電操作提供參考。

關(guān)鍵詞：純電動船舶；新能源；船舶換電

一、引言

電動船是一種通過電動機及電池組等電力裝置提供動力，以此替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機作為動力驅(qū)動的船舶。該類船舶具有綠色智能的特色，在中小船型、短距離固定航線運輸中優(yōu)勢明顯。船舶電動化是交通行業(yè)踐行國家“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略的重大舉措。根據(jù)安裝形式不同，船舶使用的電池組可分為固定充電式和換電式兩種。固定充電式電池組安裝在固定艙室，需在碼頭等固定場所充電；換電式電池組被集成在一個集裝箱內(nèi)，既可通過固定場所充電，也可直接更換電池組快速換電。與固定充電式相比，換電式電動船補電效率高、續(xù)航能力強，在國內(nèi)外的發(fā)展優(yōu)勢明顯。荷蘭、挪威等國家已相繼投用換電式的中小型電動船。我國江蘇、湖北等長江流域省份的電動船也發(fā)展較快，研究機構(gòu)EVTank預(yù)測，我國電動船市場規(guī)模將從2022年的11.9億元提升至2025年的162.5億元，船型也由短途小型船舶向中長途貨船拓展。

2024年4月19日下午，中國自主建造的全球首艘萬噸級純電動集裝箱船“中遠海運綠水01”輪抵達南京港龍?zhí)洞a頭。該輪入選“2023年度央企十大國之重器”。在海事等機構(gòu)或部門的精心服務(wù)下，該輪順利完成24只箱式電源的首次充換電工作。與日漸成熟的電動汽車相比，電動船舶仍處于新興發(fā)展階段。此次作業(yè)成功也為電動船換電模式的普及打下堅實基礎(chǔ)。本文介紹該輪的基本信息、電池動力系統(tǒng)和換電模式，分析純電動船換電風(fēng)險并提出相關(guān)對策，為純電動船換電操作提供參考。

二、政策背景

( 一 ) 2023年船舶溫室氣體減排戰(zhàn)略

2011年IMO發(fā)布了全球第一套溫室氣體減排強制性措施，并將其納入MARPOL公約強制實施。2023年7月，在IMO海上環(huán)境保護委員會第80屆會議 ( MEPC 80 ) 上通過了“2023年船舶溫室氣體減排戰(zhàn)略”，明確提出到2030年實現(xiàn)溫室氣體排放總量與2008年相比減排20%，到2040年減排70%，到2050年實現(xiàn)凈零排放的目標(biāo)。該戰(zhàn)略加快了航運脫碳進程，促進了電動船及換電技術(shù)的發(fā)展。

( 二 ) 國內(nèi)政策

國務(wù)院于2021年2月印發(fā)《關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系的指導(dǎo)意見》( 國發(fā)〔2021〕4號 )，該意見提出加大推廣綠色船舶示范應(yīng)用力度，推進內(nèi)河船型標(biāo)準化。2022年9月，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展改革委等五部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快內(nèi)河船舶綠色智能發(fā)展的實施意見》( 工信部聯(lián)重裝〔2022〕131號 )，提出到2025年電池等綠色動力關(guān)鍵技術(shù)取得突破、到2030年內(nèi)河船舶綠色智能船型實現(xiàn)批量建造等目標(biāo)。同時，該意見明確提出要加快發(fā)展電池動力船舶，以貨船為試點，開展標(biāo)準化箱式電源換電技術(shù)研究與應(yīng)用。交通運輸部于2020年5月發(fā)布的《內(nèi)河航運發(fā)展綱要》提出到2035年內(nèi)河航運新能源船舶和清潔能源船舶占比要顯著提高的發(fā)展目標(biāo)。

2023年，江蘇省出臺了《江蘇省新能源船舶產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展三年行動方案 ( 2023—2025年 )》，福建省出臺了《全面推進“電動福建”建設(shè)的實施意見 ( 2023—2025年 )》，湖北省出臺了《湖北省支持綠色智能船舶產(chǎn)業(yè)發(fā)展試點示范若干措施》。上述政策文件均提出支持船用動力電池研發(fā)、充換電配套設(shè)施建設(shè)等措施。“中遠海運綠水01”輪正是對上述戰(zhàn)略的積極響應(yīng)。

三、“中遠海運綠水01”輪簡介

( 一 ) 船舶基本信息

“中遠海運綠水01”輪總長119.8 m，型寬23.6 m，型深9 m，設(shè)計吃水5.5 m，具備裝載700個標(biāo)準集裝箱的能力，最高航速19.4 km/h。船上配備3 6 塊移動箱式磷酸鐵鋰電池，總?cè)萘扛哌_5萬kWh，相當(dāng)于800多輛電動小轎車的電池容量，能夠支持超過380 km的航行以及船上的日常用電需求，船舶主要航線為南京港到上海洋山港，采用換電模式，可實現(xiàn)全程純電航行。在“2023年度央企十大國之重器”評選活動中，“全球首制700 TEU純電池動力集裝箱船順利試航”入選，該輪后被正式命名為“中遠海運綠水01”( 如圖1所示 )，是目前全球最大、世界首制萬噸級純電動力集裝箱船。其在電動集裝箱船總長、型寬、裝箱數(shù)、載重噸及電池容量方面，均為世界第一。此外該輪還集成船岸協(xié)同的智能運維、電池智能管理、智能輔助駕駛、可視化航道預(yù)警等智能化技術(shù)應(yīng)用，智能化水平高，船舶輔助安全駕駛能力強。

圖1 “中遠海運綠水01”輪

( 二 ) “中遠海運綠水01”輪動力系統(tǒng)

1.動力系統(tǒng)組成

“中遠海運綠水01”輪的動力系統(tǒng)組成如圖2所示，該輪使用安全性更高、成本更低、使用壽命更長的磷酸鐵鋰電池作為船舶的動力電池，在正常充、放電情況下不產(chǎn)生有毒、可燃氣體。動力電池采用集裝箱一體化設(shè)計，尺寸為船用標(biāo)準20尺高箱，由電池艙、設(shè)備艙、空調(diào)艙和消防艙組成。每個箱式電源由8個電池簇組成，配置1套電池管理系統(tǒng) ( BMS ) 進行智能化運營管理，系統(tǒng)主要功能包括充放電狀態(tài)和電量監(jiān)控、故障警報、故障在線診斷、電池健康狀態(tài)預(yù)測、災(zāi)害分析預(yù)警等[1]。系統(tǒng)可通過手機APP及WEB端同時接入，以在線監(jiān)控電池狀況，實現(xiàn)信息的船岸聯(lián)動、信息實時共享、運維管理等工作，確保電池包不出現(xiàn)熱失控。

圖2 動力系統(tǒng)組成

2.電池安全性高

電池箱配有兩層防火介質(zhì)：第一層為氣溶膠，感煙裝置探測到煙氣后釋放該物質(zhì)；第二層為七氟丙烷，該物質(zhì)也是目前用于鋰電池失火的主流介質(zhì)，如氣溶膠釋放后仍不能控制溫度，隨著溫度升高，七氟丙烷會被釋放并通過管路直接灌入電池包精準滅火。一旦因內(nèi)部系統(tǒng)錯誤導(dǎo)致無法釋放，也可通過箱外紅色閥門釋放七氟丙烷。在充放電過程中，箱內(nèi)通過風(fēng)冷降溫。箱體采用“A-60”級防火分隔，整箱為全防火材料，即使消防介質(zhì)無法有效滅火，也僅會在內(nèi)部燃燒，僅有煙氣冒出，不會導(dǎo)致火災(zāi)擴散。從安全性來看，“中遠海運綠水01”輪安全等級高，通過多重防護和電池智能管理手段大大提升了電池本身的安全性。

“中遠海運綠水01”輪運用智能集成平臺和能量管理系統(tǒng) ( EMS )，根據(jù)水流、電池容量等給出經(jīng)濟航速建議，確保從上游南京到下游上海無須中途換電，從上海返回南京需在南通通海碼頭換電一次，即一個往返航程只需換電一次，航運效率高。

3.建造成本極其高昂

目前箱式電源因安全設(shè)計要求高，建造成本極其高昂，特別是初始建造成本高。以“中遠海運綠水01”輪為例，電池投資成本近乎船舶造價的一半。同時，因投資成本高，換電站在短期內(nèi)還難以像陸上汽車充電站那樣普及，所以換電式電動船基本都是固定航線，電池周轉(zhuǎn)率也低。目前，電動船舶靠節(jié)省燃油獲取經(jīng)濟效益并不可取，其建造更多出于大型國有航運企業(yè)戰(zhàn)略意義上的考慮。

( 三 ) 換電模式的優(yōu)勢

換電式電動船換電時，船員及相關(guān)人員至少需完成電池組的拆卸、安裝和動力測試等工作。采用換電模式有如下優(yōu)勢：

1.環(huán)保效益高

和新能源車類似，隨著國際公約對船舶大氣排放的日益嚴格，一系列新的船舶排放標(biāo)準逐步生效，特別是氮氧化物排放和碳強度的要求提升明顯。純電動船在節(jié)能減排上優(yōu)勢明顯，以“中遠海運綠水01”輪為例，每行駛100 km能夠節(jié)省燃油3 900 kg，相當(dāng)于減少二氧化碳排放12.4 t。燃油消耗減少的同時也大大降低了氮氧化物和硫氧化物對空氣質(zhì)量的影響，與同類型燃油動力船舶相比預(yù)計全年減排廢氣達2 472 t。與LNG船舶相比，電動船是真正意義上的零排放，其應(yīng)用對助力長江黃金水道綠色升級，以及我國內(nèi)河零碳航運發(fā)展具有重要的意義。

2.運營成本優(yōu)勢明顯

船舶用電的成本優(yōu)勢明顯，運營成本更低。以700 TEU電動集裝箱船為例，電價約1.45 元/kWh。2024年6月船用燃料油價格為5 450元/t，柴油價格為7 450元/t。700 TEU電動集裝箱船航行100 n mile約節(jié)約能耗費用3.35萬元。然而，由于電池造價昂貴，短期來看電動船難以通過電力價格優(yōu)勢產(chǎn)生實際經(jīng)濟效益。但長遠來看，在“碳達峰、碳中和”等戰(zhàn)略下，電動船得到了明顯的政策支持。此外，電動船配員一般予以減配，人員管理成本進一步降低。綜上，電動船雖然電池成本投入大，但綜合運營成本優(yōu)勢明顯。

3.航行效率高

與電動車相似，電動船船岸交互較好，且智能化系統(tǒng)改進了船舶推進方式，能夠優(yōu)化能源管理，提高航行效率。固定式充電一般需要約10 h的充電時間，更換一組電池僅需10 min左右，即使更換全部電池也僅需幾個小時。換電更易滿足船舶大量用電的需求，尤其適合集裝箱船這種裝卸時間較少的船型。

四、換電風(fēng)險分析

( 一 ) 火災(zāi)風(fēng)險

盡管在運輸環(huán)節(jié)電池作為船舶的動力源可參照船舶燃油不作為危險貨物進行管理，但箱式電源火災(zāi)始終是重要風(fēng)險。鋰電池比汽油等化石燃料燃燒得更快，燃燒時最高溫度可能超過1 000 ℃。另外，鋰電池常見的短路、快速放電、過度充電、電池損壞等問題容易導(dǎo)致“熱失控”現(xiàn)象[2]，“熱失控”會釋放大量易燃氣體，導(dǎo)致火勢迅速蔓延，復(fù)燃概率也更高。這是因為鋰電池燃燒過程中會產(chǎn)生氧氣，所以目前常見的船用滅火劑都難以阻斷其燃燒。雖然水霧能通過降溫起到一定的火災(zāi)抑制作用，但滅火過程中往往需要大量的水才可以撲滅表面的火焰，還要持續(xù)用水以防止鋰電池復(fù)燃的風(fēng)險。用水過多可能會導(dǎo)致船舶穩(wěn)性發(fā)生變化，造成船舶傾覆。目前，電動船專用的滅火介質(zhì)為七氟丙烷，但其實際效果仍然有限。鋰電池在燃燒過程中，還會與空氣中的氧氣等氣體產(chǎn)生反應(yīng)，生成甲苯、苯乙烯、一氧化碳和氟化氫等氣體，這些氣體都具有不同程度的毒性。長期處在這種環(huán)境中，人員容易出現(xiàn)中毒或窒息。

( 二 ) 船舶失控風(fēng)險

作為全船唯一的動力來源，電池動力系統(tǒng)不僅要提供船舶航行所需的動力，還需為船舶正常航行、船舶安全及冷藏貨物相關(guān)的設(shè)備供電，并提供電力以保障必要的居住條件和生活條件。在電池更換過程中，全船將同時失去動力和電力。“中遠海運綠水01”輪盡管配備了應(yīng)急燃油動力裝置以保證船舶換電狀態(tài)下的行動能力，但在換電過程中一旦發(fā)生碰撞、斷纜等緊急情況就會產(chǎn)生失控風(fēng)險。

( 三 ) 碼頭應(yīng)急處置風(fēng)險

由于船用電池容量較大，為縮短充電時間，往往采用高壓充電、低壓補電方式，提高充電倍率，此種方式容易加速電池衰減并引發(fā)安全風(fēng)險。[2]同時，換電站集中堆放大型箱式電源，充電釋放大量熱能，管理不當(dāng)易導(dǎo)致鋰電池?zé)崾Э?，進而引發(fā)火災(zāi)。一旦發(fā)生火災(zāi)等突發(fā)情況，碼頭現(xiàn)場處置難度大?！督煌ㄟ\輸部辦公廳國家發(fā)展改革委辦公廳工業(yè)和信息化部辦公廳國家能源局綜合司關(guān)于推動電動船舶健康安全發(fā)展的通知》明確規(guī)定換電模式集裝箱電動船試點中的箱式電源在換電吊裝過程中屬于非危險品，碼頭無須具備港口危險貨物作業(yè)資質(zhì)，因此部分換電站碼頭在運營過程中可能缺乏第9類危險貨物應(yīng)急處置的經(jīng)驗和能力。

( 四 ) 充電故障風(fēng)險

雖然目前中國船級社發(fā)布了《船舶應(yīng)用電池動力規(guī)范》《船舶直流綜合電力系統(tǒng)檢驗指南》，明確了電動船研發(fā)設(shè)計、建造、運營等環(huán)節(jié)的要求，但在電池容量、充換電指標(biāo)、接口、堆裝等方面仍缺乏相應(yīng)的強制性標(biāo)準，容易出現(xiàn)充電站與電池不匹配、碼頭充電裝置匹配度差、換電效率低等問題，插口兼容性弱可能導(dǎo)致充電故障甚至損壞電池，進而產(chǎn)生“熱失控”等問題。

( 五 ) 人員觸電風(fēng)險

由于鋰電池要為電動船舶提供動力，因此其內(nèi)部系統(tǒng)的直流電和交流電遠遠超過人體所能承受的最高電壓，在換電操作過程中人員有觸電風(fēng)險。

五、相關(guān)對策

( 一 ) 制定強制性技術(shù)標(biāo)準

根據(jù)電動船研究、營運的情況，及時修訂《船舶應(yīng)用電池動力規(guī)范》《船舶直流綜合電力系統(tǒng)檢驗指南》等規(guī)范，制定純電動船舶的配套技術(shù)標(biāo)準，明確電池容量、充換電指標(biāo)、接口、堆裝等方面的要求，規(guī)范鋰電池換電作業(yè)流程和要求，為純電動船舶的建造和換電作業(yè)提供技術(shù)指導(dǎo)。從防火方面考慮，建議明確電池艙應(yīng)具有一定耐熱性，并保證結(jié)構(gòu)性分隔達到“A-60”或“A-0”要求。電池艙的電池托架和電池柜應(yīng)當(dāng)采用鋼制材料，內(nèi)部的電池箱或者電池柜應(yīng)適當(dāng)設(shè)置格柵，以利于通風(fēng)和散熱。電池與艙壁和上甲板應(yīng)保持一定間距，大小可參考液貨船相關(guān)標(biāo)準。電池艙的出入口應(yīng)直通開敞甲板，不應(yīng)在船舶生活區(qū)設(shè)置通往電池艙的通道。

( 二 ) 考慮將換電操作納入船員培訓(xùn)體系

考慮到電動船的特殊風(fēng)險，在電動船逐步普及的情況下，應(yīng)梳理船員換電操作的程序和要求，適時考慮修改內(nèi)河船船員適任考試和發(fā)證相關(guān)的要求，增加電動船換電操作相關(guān)理論考試科目和評估項目，將純電動船船員納入船員培訓(xùn)體系，加大對純電動船輪機員的培訓(xùn)力度，確保其適任。對于換電式電動船，除應(yīng)急處置外，換電操作也應(yīng)作為船員培訓(xùn)的重要內(nèi)容，培訓(xùn)內(nèi)容應(yīng)包括但不限于“熱失控”處置、電動機操作、電池維護以及換電過程中的動力轉(zhuǎn)換 ( 如油電雙動力 ) 和接線操作等。盡管目前“中遠海運綠水01”輪聘請了專業(yè)團隊從事?lián)Q電操作，但將來應(yīng)由船員來完成主要的換電操作任務(wù)。

( 三 ) 做好換電現(xiàn)場守護

可在換電作業(yè)點上下游各安排一艘警戒艇駐守，參照《油氣化工碼頭設(shè)計防火規(guī)范》相關(guān)要求，提醒無關(guān)船舶遠離換電現(xiàn)場，降低船舶碰撞風(fēng)險。作業(yè)點100 m以內(nèi)禁止明火作業(yè)，防范火災(zāi)風(fēng)險。安排至少一艘消防拖輪和消防車在現(xiàn)場駐守，用于換電過程中船舶失去動力和發(fā)生火災(zāi)時的應(yīng)急處置。

六、結(jié)語

盡管電動船舶作為一種新業(yè)態(tài)仍處于探索階段，但其在內(nèi)河船舶高效、環(huán)保運營方面具有巨大潛力。船舶換電是一種高效補電的方式，但存在發(fā)生火災(zāi)、船舶失控、操作人員觸電等方面的風(fēng)險。通過制定強制性技術(shù)標(biāo)準、將換電操作納入船員培訓(xùn)體系和做好換電現(xiàn)場守護等措施可防范相關(guān)風(fēng)險。可以預(yù)見，換電式純電動船必將得到快速發(fā)展。

參考文獻：

[1] 黃新星.基于電動船鋰電池組的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].船電技術(shù),2024(3):32-35.

[2] 彭宏愷.純電池動力船舶優(yōu)勢及風(fēng)險控制探討[C]//中國航海學(xué)會內(nèi)河海事專業(yè)委員會.中國航海學(xué)會內(nèi)河海事專業(yè)委員會2023年海事管理學(xué)術(shù)年會優(yōu)秀論文集.2023:3-6.

作者簡介:

彭樹林，南通海事局，局長。

陳誠，南通海事局開發(fā)區(qū)海事處監(jiān)管科，副科長。

孟昂，南通海事局危管防污處，四級主辦。

本文刊發(fā)于《世界海運》2024年第9期，轉(zhuǎn)發(fā)須注明作者和原文出處。

【投稿】【提供線索】【轉(zhuǎn)載】請后臺留言或電郵投稿，主題格式為【投稿】+文章標(biāo)題，發(fā)送至media@xindemarine.com郵箱。

聯(lián)系主編：15998511960