换电行业：电动船分布式换电模式探索

电动船换电是指利用电动船舶进行航运，并通过换电站为电动船提供电池更换和充电服务的运营模式。该行业具有环保、高效、可持续发展等特点。电动船换电行业的核心是建设分布式换电站网络，通过灵活的电池更换和充电方案，实现电动船的连续航行和高效运营。 该模式在政策支持和市场需求的推动下，正迅速发展。虽然当前行业面临着技术成熟度、运营成本、市场推广等挑战，需要不断加强技术研发、推动标准化和规范化。未来，电动船换电行业有望成为船舶运输行业向低碳、环保方向转变的重要推动力量，为实现经济、社会和环境的可持续发展做出贡献。 风险提示：政策环境变动风险：船艇制造业受国家及地方产业政策影响较大，若未来政策出现不确定性，将对行业产生不利影响。原材料风险：电动船电池原材料碳酸锂今年来价格波动较大，若未来该原材料持续这一态势，将给行业带来较大的不确定性风险。项目实施风险：电动船换电项目设计利益相关方众多，不可控因素大，项目实施情况可能受到各方面因素影响，进而使经济性产生偏差。模型风险 ：若对换电船LCOT测算模型及假设条件在市场、政策环境改变的情况下不再成立，则有可能影响测算结果，导致研究结论出现偏差。 1.行业概述 随着社会对可持续发展和环境保护的日益关注，以及“3060双碳”目标在我国交通领域的全面贯彻落实，电动船作为清洁能源交通的重要组成部分，迅速崛起并吸引了广泛的关注。电动船的使用不仅可以减少对化石燃料的依赖，还能降低排放，有助于改善水域环境质量。近年来，电动船产业取得了显著的发展，并引发了对于更高效、环保的能源供应和充电技术的需求。 在电动船领域，换电模式作为一种新兴的充电解决方案，正逐渐成为行业的热点关注。 通过换电模式，电动船可以快速替换电池而无需进行传统的充电过程，从而大大缩短充电时间，提高电动船的利用率和运营效率。此外，换电模式还能解决充电基础设施建设不足的问题，为电动船的长途航行和持续使用提供了可行的解决方案。 1.1电动船以及换电模式的定义和分类 电动船是一种以电力驱动的船舶，通过电动机以及电池组等电力装置提供动力，并替代传统的内燃机驱动船舶。相较于传统燃油船舶，电动船具有零排放、低噪音和环保等优势，被广泛应用于内河运输、观光旅游等领域。 根据不同的技术特点，电动船可以进行如下分类： 混合动力船：同时搭载电动系统和内燃机系统，电动系统主要用于低速巡航或靠港操作，内燃机系统则用于提供较高功率和长距离航行时的能源支持。混合动力船可以根据不同需求调整电力和燃油的使用比例，从而实现更高的燃料效率和环保性能。 纯电动船（以下简称电动船）：完全依靠电池供电的船舶，没有任何内燃机设备。 电池组通过电动机将电能转化为机械能，驱动船舶行驶。纯电动船具有零排放、低噪音和高效能的特点，适用于短程、中程甚至长程航行。根据电池安装形式不同，纯电电动船还可进行进一步细分： 固定充电式电动船：电池组安装在船舶固定舱室内，在码头或者专用设施进行充电。 换电式电动船：电池组集成在一个或者多个标准集装箱内（通常为40尺），船舶既可以像固定充电式电动船一样在码头或者专用设施充电，又直接更换电池集装箱进行换电。本文所论述的换电模式主要针对此类电动船。 充电船、移动式充换电平台：为其他电动船提供充换电服务的特殊电动船，配备有大容量的电池组，并配备相应的充电/换电设备，可以在水上为其他电动船充电/换电。目前该类特殊船只仅限于设想阶段。 充电船换电模式是指电动船在运行过程中采用换电方式进行能量补充的一种技术方案。 在该模式下，电动船通过与专门的换电设施进行对接，将耗尽的电池集装箱快速替换为已充满电的电池集装箱，以实现电动船的续航能力延长。对比固定充电模式，换电模式有如下优点： 通过使用换电设施提供的充满电的电池集装箱，电动船可以快速恢复续航能力，无需等漫长的充电过程； 实现电动船舶与动力电池的分离，有利于实现诸如电池租赁等新型商业模式，极大提升电动船航运的经济性； 换电设施可以以更高的效率以及更优惠的电价（夜间谷时充电）给电池组充电，实现连续运营和高效利用； 换电设施可以被视为一种储能系统，电池仓闲置时可作为储能参与电网调峰或者虚拟电厂等各类电力服务，实现资源的最大化利用。 1.2相关行业政策 国际层面上，航运电气化一直被视为碳中和的重要路径。国际海事组织（IMO）早在2011年颁布的《国际防止船舶造成污染公约》（MARPOL）中便将减少航运温室气体及油类污染排放列入工作重点。当前IMO的执行目标为：2030年将全球海运每单位运输活动的平均温室气体排放降低40%，2050年降低70%（对比2008年碳排放标准），以最终实现巴黎和约中对温室气体排放控制的相关目标。该战略目标得到了国际社会的积极响应，各国政府及区域性经济实体也出台了相应的碳减排措施，例如美国环保局（EPA）的船舶排放标准、欧盟“海运燃料条例”及零碳联盟的“航运去碳化呼吁”等。 图表1：IMO船舶温室气体减排战略路线图（截选） 我国政府也将发展绿色交通作为“双碳”背景下的重要战略目标，国务院在2021印发的《2030年前碳达峰行动方案》中明确提出交通运输绿色低碳行动：到2030年新增清洁能源交通工具比例达40%左右，加快绿色交通基础设施建设，有序推进充电桩、配套电网等基础设施建设。在航运减碳的大背景下，电动船产业以及换电模式同样受到政策的积极支持和引导。2022年9月，工信部、国家发改委、财政部、生态环境部、交通运输部联合发布《关于加快内河船舶绿色智能发展的指导意见》，提出“加强船用动力电池、电池管理系统等技术集成和优化，推进高效节能电机、电力系统组网、船舶充换电等技术研究，重点推动纯电池动力技术在中短途内河货船、滨江游船及库湖区船舶等应用。以货船为试点，开展标准化箱式电源换电技术研究与应用。”电动船换电模式首次被列入国家政策性文件，对该商业模式的落地起到了至关重要的作用。同时《意见》还提出“推动绿色智能船舶商业模式创新，支持货主、港口、能源企业、金融机构以及动力电池等关键配套企业深度参与，探索船舶租赁、设施共享、船电分离、智能运维等利益共享的新模式。”以及“由第三方标准化箱式电源租赁企业提供公共电池设计、制造、租赁、回收、处理等服务。”为日后电动船以及换电的商业模式创新奠定了坚实基础。 地方层面，东部某省作为国内内河航运最为发达的省份之一，也在推动电动船行业发展方面采取了积极的措施。早在2019年，该省便将航运电气化作为航运结构调整以及生态环境治理的重要路径。2020年，该省省海事局、交通运输厅在颁布的《推进长江该省段船舶靠港使用岸电实施方案》中规定，至2020年底前，码头岸电设施配置率要达到100%，开展码头高压岸电应用示范，并要求对于使用岸电的船舶实施优先锚泊、优先装卸、优先进江等优惠政策。2022年10月，该省省交通运输厅发布了《纯电动内河集装箱船舶试点应用实施方案》和《纯电动运输船舶关键技术需求清单》，将推进纯电动内河集装箱船舶试点应用工作正式提上议程。《实施方案》提出了2023年搭建纯电动内河集装箱船舶试点应用推进机制，建设与纯电动内河集装箱船舶试点相适应的充换电设施的产业目标，并要求2025年纯电动内河集装箱船舶初步实现商业化运营。在配套发布的《需求清单》中，船舶换电技术、充换电站建设技术、适用于换电船舶的全船电池能量管理技术被直接列为关键技术需求。这些举措加快了电动船行业的发展，加速推动了电动船换电模式在长三角地区的落地。 1.3产业格局及市场主体 一个典型的电动船换电项目涉及船舶制造、系统集成、设施建设运维、船舶运营等，参与方如图表2所示。由于换电商业模式尚处于探索阶段，因此各方关系灵活多变，同一企业也可能承担不同的角色，例如电池、设备厂商就很有可能参与到电池租赁业务当中，码头、港口运营方也很有可能参与到换电站的运营建设当中。本文限于篇幅，仅对我国换电站运营方、换电船制造厂商以及换电船运营相关企业进行简要罗列分析。 换电船建造企业是专门设计、制造和销售电动船、换电船的公司或集团，近几年来传统的船舶建造企业和动力电池厂商都在积极布局这一赛道。目前明确开展相关业务的传统船企有扬子江船业集团、镇江船厂（集团）、中远海运重工有限公司、山东海运股份有限公司、湖北船厂等，且据该省省交通厅资讯显示，上述企业均有进行中和已交付的电动船订单，纯电电动船建造这一细分领域已初具规模。除了传统船企之外，各大动力电池厂商也纷纷下场，将电动船舶作为新的业务增长点。早在2016年，亿纬锂能的船用动力电池就获得了中国船级社认证，是国内最早进入船舶领域的锂电池厂家。2022年底，宁德时代成立了宁德时代电船科技有限公司，专门从事船用动力电池系统相关技术、产品研发及应用。除了上述两大龙头企业之外，欣旺达、中航锂电、国轩高科等电池企业也都在积极开发船舶电池产品。 换电船运营方是负责运营和管理电动船船队的企业或机构。他们提供电动船租赁和运输服务，确保船队的正常运营。理论上在具备经济性的条件下，现有的大部分航运企业都具备转型使用换电船的条件。 换电站运营方是负责建设、管理和运营换电站设施的企业或机构。他们为换电船船提供电池更换和充电设施，以满足电动船的能源需求。根据目前示范项目运行情况分析，换电站运营主体非常多元化，可以是港口码头、电力企业以及换电设备供应商，多元化的运营主体也更有利于换电模式探索出可行的商业化道路。 2023年2月8日，由中远海运集团、中远海运发展统筹承办的中国电动船舶创新联盟在上海成立，联盟涵盖上述船舶设计建造、动力电池、港口码头、岸基充换电、客货轮运输、科研院所以及产业链投融资等领域多家龙头企业，联盟将内河、沿海航运电动化作为现阶段目标，电动船产业规模化发展指日可待。 图表2：电动船换电产业关联方 2.案例分析 在电动船换电模式的发展过程中，商业模式与运营策略是关键考量因素。本节选取长三角某煤炭运输航路的分布式换电方案作为典型案例，深入分析该方案的技术参数、换电模式、项目商业性，评估换电船的实际运作方式以及在实际项目运作中的优势和限制。 同时将该模式与传统柴油船舶、单一换电站模式在经济性方面进行分析对比，为其他项目的开展提供意见和参考。 2.1案例场景及运行模式 该项目涉及一条运煤航线，起点位于电厂A码头，途径码头B和电厂C，目的地码头D，在码头D装载煤炭后运回电厂A。单个航次往返共540公里，航线分为5段，每个航段需在16小时内完成。为满足电动船的能源需求，上述途经地点都设置了换电站供船舶进行换电操作，具体航行及换电模式如图3所示。 每艘电动船配备一个2MWh的电池集装箱（20尺）以及2台150W电动机，电动船在白天进行航行，晚上则在换电站进行换电作业，采用1天1换的换电方案。该方案最大可同时保证30艘电动船的正常运行。 图表3：项目整体运行模式 为满足30艘船的运营需求，需要在电厂A、码头B和码头D换电站各配置2个电池集装箱（单站共计4MWh）和2套充电装置，同时在电厂C换电站配置4个电池集装箱（总计8MWh）和4套充电装置。每套充电装置的容量设计为1MVA。电厂A、码头B和码头D的换电站每晚可为6艘船提供服务，而电厂C的换电站每晚可为12艘船提供服务。换电站在每日的22:00至次日的08:00期间，即低谷电价时段，对岸上的集装箱电池进行充电，充电倍率为0.5C，仅需2小时即可充满电，夜间换电的运行方式参考 图表4。 图表4：夜间换电时序表 换电站具备电池集装箱吊装、存储和转运能力。在没有电动船换电的白天可兼作储能服务平台，闲置的电池集装箱既可以就地参与储能服务，也可由运输车运送至储能用户，在参与电网服务后再送回换电站，具体模式参考图表5。该模式可有效补充区域电网的储能需求，同时实现储能电池灵活、高效利用率，提升换电站的经济效益，参与储能服务的运行方式参考图表6。 图表5：换电站运营模式 图表6：参与储能服务时序表 2.2不同模式下换电船经济性分析与对比 本节将前文所描述的分布式换电方案与传统柴油航运、单换电站