纯电动船换电风险与对策——以“中远海运绿水01”轮为例

  中国自主研发的世界首制万吨级纯电动集装箱船“中远海运绿水01”轮在纯电动集装箱船装箱数、载重能力及电池容量方面均处于世界领头羊。介绍该轮的基础信息、电池动力系统和换电模式，分析纯电动船换电风险并提出相关对策，为纯电动船换电操作提供参考。

  电动船是一种通过电动机及电池组等电力装置提供动力，以此替代传统内燃机作为动力驱动的船舶。该类船舶具有绿色智能的特色，在中小船型、短距离固定航线运输中优势显著。船舶电动化是交通行业践行国家“碳达峰、碳中和”战略的重大举措。根据安装形式不同，船舶使用的电池组可分为固定充电式和换电式两种。固定充电式电池组安装在固定舱室，需在码头等固定场所充电；换电式电池组被集成在一个集装箱内，既可通过固定场所充电，也可直接更换电池组快速换电。与固定充电式相比，换电式电动船补电效率高、续航能力强，在国内外的发展优势显著。荷兰、挪威等国家已相继投用换电式的中小型电动船。我国江苏、湖北等长江流域省份的电动船也发展较快，研究机构EVTank预测，我国电动船市场规模将从2022年的11.9亿元提升至2025年的162.5亿元，船型也由短途小型船舶向中长途货船拓展。

  2024年4月19日下午，中国自主建造的全球首艘万吨级纯电动集装箱船“中远海运绿水01”轮抵达南京港龙潭码头。该轮入选“2023年度央企十大国之重器”。在海事等机构或部门的精心服务下，该轮顺利完成24只箱式电源的首次充换电工作。与日渐成熟的电动汽车相比，电动船舶仍处于新兴发展阶段。此次作业成功也为电动船换电模式的普及打下坚实基础。本文介绍该轮的基础信息、电池动力系统和换电模式，分析纯电动船换电风险并提出相关对策，为纯电动船换电操作提供参考。

  2011年IMO发布了全球第一套温室气体减排强制性措施，并将其纳入MARPOL公约强制实施。2023年7月，在IMO海上环境保护委员会第80届会议 ( MEPC 80 ) 上通过了“2023年船舶温室气体减排战略”，明白准确地提出到2030年实现温室气体排放总量与2008年相比减排20%，到2040年减排70%，到2050年实现净零排放的目标。该战略加快了航运脱碳进程，促进了电动船及换电技术的发展。

  国务院于2021年2月印发《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》( 国发〔2021〕4号 )，该意见提出加大推广绿色船舶示范应用力度，推进内河船型标准化。2022年9月，工业与信息化部、国家发展改革委等五部委联合发布《关于加快内河船舶绿色智能发展的实施建议》( 工信部联重装〔2022〕131号 )，提出到2025年电池等绿色动力关键技术取得突破、到2030年内河船舶绿色智能船型实现批量建造等目标。同时，该意见明白准确地提出要加快发展电池动力船舶，以货船为试点，开展标准化箱式电源换电技术探讨研究与应用。交通运输部于2020年5月发布的《内河航运发展纲要》提出到2035年内河航运新能源船舶和清洁能源船舶占比要明显提高的发展目标。

  2023年，江苏省出台了《江苏省新能源船舶产业高水平发展三年行动方案 ( 2023—2025年 )》，福建省出台了《全方面推进“电动福建”建设的实施建议 ( 2023—2025年 )》，湖北省出台了《湖北省支持绿色智能船舶产业高质量发展试点示范若干措施》。上述政策文件均提出支持船用动力电池研发、充换电配套设施建设等措施。“中远海运绿水01”轮正是对上述战略的积极响应。

  “中远海运绿水01”轮总长119.8 m，型宽23.6 m，型深9 m，设计吃水5.5 m，具备装载700个标准集装箱的能力，最高航速19.4 km/h。船上配备3 6 块移动箱式磷酸铁锂电池，总容量高达5万kWh，相当于800多辆电动小轿车的电池容量，能够支持超过380 km的航行以及船上的日常用电需求，船舶主要航线为南京港到上海洋山港，采用换电模式，可实现全程纯电航行。在“2023年度央企十大国之重器”评选活动中，“全球首制700 TEU纯电池动力集装箱船顺利试航”入选，该轮后被正式命名为“中远海运绿水01”( 如图1所示 )，是目前全球最大、世界首制万吨级纯电动力集装箱船。其在电动集装箱船总长、型宽、装箱数、载重吨及电池容量方面，均为世界第一。此外该轮还集成船岸协同的智能运维、电池智能管理、智能辅助驾驶、可视化航道预警等智能化技术应用，智能化水平高，船舶辅助安全驾驶能力强。

  “中远海运绿水01”轮的动力系统组成如图2所示，该轮使用安全性更高、成本更低、常规使用的寿命更长的磷酸铁锂电池作为船舶的动力电池，在正常充、放电情况下不产生有毒、可燃气体。动力电池采用集装箱一体化设计，尺寸为船用标准20尺高箱，由电池舱、设备舱、空调舱和消防舱组成。每个箱式电源由8个电池簇组成，配置1套电池管理系统 ( BMS ) 进行智能化运营管理，系统基本功能包括充放电状态和电量监控、故障警报、故障在线诊断、电池健康状态预测、灾害分析预警等[1]。系统可通过手机APP及WEB端同时接入，以在线监控电池状况，实现信息的船岸联动、信息实时共享、运维管理等工作，确保电池包不出现热失控。

  电池箱配有两层防火介质：第一层为气溶胶，感烟装置探测到烟气后释放该物质；第二层为七氟丙烷，该物质也是目前用于锂电池失火的主流介质，如气溶胶释放后仍不能控制温度，随着温度上升，七氟丙烷会被释放并通过管路直接灌入电池包精准灭火。一旦因内部系统错误导致没办法释放，也可通过箱外红色阀门释放七氟丙烷。在充放电过程中，箱内通过风冷降温。箱体采用“A-60”级防火分隔，整箱为全防火材料，即使消防介质无法有效灭火，也仅会在内部燃烧，仅有烟气冒出，不会导致火灾扩散。从安全性来看，“中远海运绿水01”轮安全等级高，通过多重防护和电池智能管理手段极大的提升了电池本身的安全性。

  “中远海运绿水01”轮运用智能集成平台和能量管理系统 ( EMS )，根据水流、电池容量等给出经济航速建议，确保从上游南京到下游上海无须中途换电，从上海返回南京需在南通通海码头换电一次，即一个往返航程只需换电一次，航运效率高。

  目前箱式电源因安全设计的基本要求高，建造成本极其高昂，特别是初始建造成本高。以“中远海运绿水01”轮为例，电池投资所需成本近乎船舶造价的一半。同时，因投资成本高，换电站在短期内还难以像陆上汽车充电站那样普及，所以换电式电动船基本都是固定航线，电池周转率也低。目前，电动船舶靠节省燃油获取经济效益并不可取，其建造更多出于大型国有航运企业战略意义上的考虑。

  换电式电动船换电时，船员及有关人员至少需完成电池组的拆卸、安装和动力测试等工作。采用换电模式有如下优势：

  和新能源车类似，随着国际公约对船舶大气排放的日益严格，一系列新的船舶排放标准逐步生效，特别是氮氧化物排放和碳强度的要求提升明显。纯电动船在节能减排上优势显著，以“中远海运绿水01”轮为例，每行驶100 km能节约燃油3 900 kg，相当于减少二氧化碳排放12.4 t。燃油消耗减少的同时也大幅度的降低了氮氧化物和硫氧化物对空气质量的影响，与同类型燃油动力船舶相比预计全年减排废气达2 472 t。与LNG船舶相比，电动船是真正意义上的零排放，其应用对助力长江黄金水道绿色升级，以及我国内河零碳航运发展具备极其重大的意义。

  船舶用电的成本优势显著，经营成本更低。以700 TEU电动集装箱船为例，电价约1.45 元/kWh。2024年6月船用燃料油价格为5 450元/t，柴油价格为7 450元/t。700 TEU电动集装箱船航行100 n mile约节约能耗费用3.35万元。然而，由于电池造价昂贵，短期来看电动船难以通过电力价格上的优势产生实际经济效益。但长远来看，在“碳达峰、碳中和”等战略下，电动船得到了明显的政策支持。此外，电动船配员一般予以减配，人员管理成本逐步降低。综上，电动船虽然电池成本投入大，但综合经营成本优势明显。

  与电动车相似，电动船船岸交互较好，且智能化系统改进了船舶推进方式，能够优化能源管理，提高航行效率。固定式充电通常要约10 h的充电时间，更换一组电池仅需10 min左右，即使更换全部电池也仅需几个小时。换电更易满足船舶大量用电的需求，尤其适合集装箱船这种装卸时间较少的船型。

  尽管在运输环节电池作为船舶的动力源可参照船舶燃油不作为危险货物来管理，但箱式电源火灾始终是重要风险。锂电池比汽油等化石燃料燃烧得更快，燃烧时最高温度可能超过1 000 ℃。另外，锂电池常见的短路、快速放电、过度充电、电池损坏等问题轻易造成“热失控”现象[2]，“热失控”会释放大量易燃气体，导致火势迅速蔓延，复燃概率也更高。这是因为锂电池燃烧过程中会产生氧气，所以目前常见的船用灭火剂都难以阻断其燃烧。虽然水雾能通过降温起到一定的火灾抑制作用，但灭火过程中往往需要大量的水才可以扑灭表面的火焰，还要持续用水以防止锂电池复燃的风险。用水过多可能会导致船舶稳性发生明显的变化，造成船舶倾覆。目前，电动船专用的灭火介质为七氟丙烷，但其实际效果仍然有限。锂电池在燃烧过程中，还会与空气中的氧气等气体产生反应，生成甲苯、苯乙烯、一氧化碳和氟化氢等气体，这些气体都具有不一样程度的毒性。长期处在这种环境中，人员有可能会出现中毒或窒息。

  作为全船唯一的动力来源，电池动力系统不仅要提供船舶航行所需的动力，还需为船舶正常航行、船舶安全及冷藏货物相关的设备供电，并提供电力以保障必要的居住条件和生活条件。在电池更换过程中，全船将同时失去动力和电力。“中远海运绿水01”轮尽管配备了应急燃油动力装置以保证船舶换电状态下的行动能力，但在换电过程中若发生碰撞、断缆等紧急状况就会产生失控风险。

  由于船用电池容量较大，为缩短充电时间，往往采用高压充电、低压补电方式，提高充电倍率，此种方式容易加速电池衰减并引发安全风险。[2]同时，换电站集中堆放大型箱式电源，充电释放大量热能，管理不当易导致锂电池热失控，进而引发火灾。若发生火灾等突发情况，码头现场处置难度大。《交通运输部办公厅 国家发展改革委办公厅工业与信息化部办公厅 国家能源局综合司关于推动电动船舶健康安全发展的通知》明确规定换电模式集装箱电动船试点中的箱式电源在换电吊装过程中属于非危险品，码头无须具备港口危险货物作业资质，因此部分换电站码头在运营过程中可能缺乏第9类危险货物应急处置的经验和能力。

  虽然目前中国船级社发布了《船舶应用电池动力规范》《船舶直流综合电力系统检验指南》，明确了电动船研发设计、建造、运营等环节的要求，但在电池容量、充换电指标、接口、堆装等方面仍缺乏相应的强制性标准，有可能会出现充电站与电池不匹配、码头充电装置匹配度差、换电效率低等问题，插口兼容性弱可能会引起充电故障甚至损坏电池，进而产生“热失控”等问题。

  由于锂电池要为电动船舶提供动力，因此其内部系统的直流电和交流电远超于人体所能承受的最高电压，在换电操作的流程中人员有触电风险。

  根据电动船研究、营运的情况，及时修订《船舶应用电池动力规范》《船舶直流综合电力系统检验指南》等规范，制定纯电动船舶的配套技术标准，明确电池容量、充换电指标、接口、堆装等方面的要求，规范锂电池换电作业流程和要求，为纯电动船舶的建造和换电作业提供技术指导。从防火方面考虑，建议明确电池舱应具有一定耐热性，并保证结构性分隔达到“A-60”或“A-0”要求。电池舱的电池托架和电池柜应当采用钢制材料，内部的电池箱或者电池柜应适当设置格栅，以利于通风和散热。电池与舱壁和上甲板应保持一定间距，大小可参考液货船有关标准。电池舱的出入口应直通开敞甲板，不应在船舶生活区设置通往电池舱的通道。

  考虑到电动船的特殊风险，在电动船逐步普及的情况下，应梳理船员换电操作的程序和要求，适时考虑修改内河船船员适任考试和发证相关的要求，增加电动船换电操作相关理论考试科目和评估项目，将纯电动船船员纳入船员培训体系，加大对纯电动船轮机员的培训力度，确保其适任。对于换电式电动船，除应急处置外，换电操作也应作为船员培训的重要内容，培训内容应包括但不限于“热失控”处置、电动机操作、电池维护以及换电过程中的动力转换 ( 如油电双动力 ) 和接线操作等。尽管目前“中远海运绿水01”轮聘请了专业团队从事换电操作，但将来应由船员来完成主要的换电操作任务。

  可在换电作业点上下游各安排一艘警戒艇驻守，参照《油气化工码头设计防火规范》有关要求，提醒无关船舶远离换电现场，降低船舶碰撞风险。作业点100 m以内禁止明火作业，防范火灾风险。安排至少一艘消防拖轮和消防车在现场驻守，用于换电过程中船舶失去动力和发生火灾时的应急处置。

  尽管电动船舶作为一种新业态仍处于探索阶段，但其在内河船舶高效、环保运营方面具有巨大潜力。船舶换电是一种高效补电的方式，但存在发生火灾、船舶失控、操作人员触电等方面的风险。通过制定强制性技术标准、将换电操作纳入船员培训体系和做好换电现场守护等措施可防范相关风险。能预见，换电式纯电动船必将得到快速发展。

  [1] 黄新星.基于电动船锂电池组的远程监控系统设计[J].船电技术,2024(3):32-35.

  [2] 彭宏恺.纯电池动力船舶优势及风险控制探讨[C]//中国航海学会内河海事专业委员会.中国航海学会内河海事专业委员会2023年海事管理学术年会优秀论文集.2023:3-6.

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