Nature Energy:聚焦电动船舶航运业发展的可行性

清新电源 2022-08-07 07:00

研究背景

据统计,每年全球90%货物通过海洋运输业进行贸易得益于廉价、高能重质燃油供应,海运业飞速增长航运业每年消耗350万桶低品质燃油(HFO海洋生态环境、空气污染和气候变化影响而造成巨大破坏预测2050年,海运排放量预计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政策压力和环境压力促使国际海事组织(IMO采取监管行动根据《巴黎协定》减少温室气体排放禁止在2024后在北极水域使用或携带HFO同时规定允许的船用燃料硫含量从3.5%降低到0.5%

面对日益严格的监管环境,海运业正在竞相寻找可商业部署的HFO零排放替代品研究表明,相对于HFO,电化学燃料将使货船的总成本增加200-600%,因此需要进一步研究现有技术让未来的电化学燃料与燃油成本媲美。报道称,马士基公司作为体量最大的航运公司,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类似的电动船项目。

然而,人们迄今尚未系统分析电动集装箱船的可行性,除了这些初步试点项目外,基于电池电力储能系统推进作为海运业潜在的低排放替代方案尚未得到充分研究。因此,本文作者聚焦于电池成本和最高能量密度,研究基于电池电动集装箱船的技术前景、经济可行性和环境影响。

成果简介

美国劳伦斯伯克利国家实验室Amol A. Phadke教授Nature Energy上发表了标题为Rapid battery cost declines accelerate the prospects of all-electric interregional container shipping”的文章该文章主要介绍随着电池技术领域快速发展及电池成本较低,对海上船舶领域发展的影响,分析表明电气化船舶对减少污染物排放具有重要意义,同时作者提出了在未来十年内实现集装箱船舶电气化的途径,为在航运领域实现碳中和构想提供了指导性方针。

图文导读

1. 船载电池系统的承载能力按航程长度占TEU总量的百分比。(a)电池能量密度为470 Wh l-1使用情景;b电池能量密度为1200 Wh l-1使用情景。

(一)电动船舶技术可行性分析

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,因此需要更多动力来达到相同航速

据估算,5 GWh的磷酸铁锂电池重20000吨且会增加1米吃水深度,因此需要更多动力满足航速。额外重量的分布也会影响船舶流体动力学、空气动力学、稳定性和能耗等传统内燃机船使用压载系统,水箱根据货物负载进行调整,以分配重量并抵消浮力。

全电动或混合动力推进系统的案例研究表明,通过将电池组件分布在现有的空隙、机械和镇流器空间中,BES系统可以部分或完全取代镇流器系统,因此不会对对称性和平衡产生重大影响,且可以在船舶内部更灵活地配置。

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,电气化可能仅限于小型短程船舶具有更短、更频繁航行、更低功率要求和充电时间限制的船舶因此作者选用LFP电池进行建模。结果显示在0到22000公里的航线上。这说明随着承载能力的增加,电池在总承载能力体积中所占的百分比会降低,因为较大的船舶通常每单位承载能力的能量需求较低,同时为减少港口堵塞,需要兆瓦级充电基础设施来满足电池电动集装箱船的大量能源需求,需要优化港口充电设施来最大限度合理化分配港口船舶充电条件。

图2. 不同船舶形式总成本。(a)现阶段ICE船的TCP(b)现阶段BES船的TCP(c)未来ICE船的TCP;(d)未来BES船的TCP

(二)电动船舶成本分析

作者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与ICE船的经济可行性。对于这两种船型,分别计算燃料、运营和维护成本,以及直接燃烧或电网电力排放的氮氧化物、二氧化硫和二氧化碳的环境成本。

对于航程小于1000公里8,000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在近期情景下,所有船级的电池电力运输的TCP在3000公里左右的范围内低于现有ICE船。包括环境成本在内,小容量船舶的航程可达6500公里,最大型船舶的航程可达12000公里。

然而,尽管这些航程具有成本效益,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候选者。

3. 全球十大运输港口图。

(三)电动船舶部署潜力分析

分析表明,海运行业向集装箱船巨头化的趋势推动了一种轴辐式贸易模式,即大容量的大型集装箱将货物从一个枢纽长距离运输到另一个枢纽从目的地枢纽,许多较小的支线船将集装箱运送到较小的区域港口的最终目的地。几乎所有这些支线船都穿越可以电气化的短途航线,这将增加电池电动集装箱船的采用率,远远超出区域内贸易数据所暗示的潜力。世界上连接最好的10个港口,都是长度小于5000公里的区域内航线。

此外,支线船的平均使用年限比容量船长,且许多支线船使用寿命即将结束,且2020年IMO限制硫含量的规定可能会导致这些燃油效率低下的船舶过早报废,从而为电池电动小型船舶进入船队创造机会

4. 不同驱动船舶污染气体排放图。a)CO2排放b)SO2排放c)NOx

(四)电池电气化船舶减排潜力分析

电池电力集装箱运输将消除所有直接燃烧排放,并显著改善港口和全球贸易航线附近社区的局部空气污染和人类健康。然而,生命周期减排量取决于电源的污染强度以及输、配电和充电损耗。

作者比较了一艘小型新巴拿马型集装箱船的CO2NOxSO2排放强度,该集装箱船使用HFO或VLSFO(低硫燃油)运行的低速柴油发动机与电池电动船在一系列实际的起航排放强度下电池电动船将消除黑碳直接排放,鉴于其在减少雪反照率和加速冰融化方面的明显作用,这对于在北极水域运营的相当大比例的船舶来说尤其重要。

同时,碳排放和空气污染物的减少高度依赖于船舶充电所在电网的发电矩阵。假设平均电网碳强度为535 g CO2 kWh-1(包括传输、转换和电机低效率损失),一艘电池电动集装箱船在美国充电,港口产生大约0.78 g CO2 km-1HFO和VLSFO减少了16%VLSFO相比,电池电气化在美国每公里SO2排放量减少了86%,但在中国排放量仅减少了4%VLSFO相比,在美国和中国港口收费的船舶的NOx排放量分别减少了约83% 和42%。

上述发现表明需要将充电基础设施与可再生能源发电相结合,以充分利用电池电气化的减排潜力。

小结与展望

研究表明,由可再生电力驱动的电池电动船舶为减少区域内和内陆航线的航运排放提供了一条捷径。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,但商业部署仍需解决若干挑战。虽然电池电动船的运营成本远低于传统船舶,但其前期成本将高得多,这主要是由于电池的成本。因此,需要创新的融资和商业模式来解决更高的前期成本,必须建造容量为数百兆瓦的输电连接充电站——类似于大型并网存储设施——以支持船舶充电,鉴于传统船舶对环境的破坏比这些船舶的推进成本高出一个数量级,诸如对示范和法规的财政激励等政策将在支持向零排放航运过渡方面发挥关键作用。

文献信息

Rapid battery cost declines accelerate the prospects of all-electric interregional container shipping(Nature Energy, 2022, 7, 664-674. DOI: 10.1038/s41560-022-01065-y)

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41560-022-01065-y



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