集装箱式电池储能在船舶领域的应用及发展

（一）荷兰首艘使用集装箱式电池改装船：“阿尔芬纳”号（Alphenaar）

2021年9月6日，由零排放服务公司(ZES)交付的“阿尔芬纳”号（Alphenaar）完成首航，从阿尔芬航行至荷兰的莫尔迪克，这是荷兰首艘使用可更换的集装箱式电池组进行推进的内河船舶。

图：“阿尔芬纳”号

“阿尔芬纳”号衍生于MAGPIE(sMArt Green Ports as Integrated Efficient multimodal hubs）项目。MAGPIE项目（智能绿色港口,即综合高效多式联运枢纽项目），由鹿特丹港、三角洲港、哈罗帕港以及辛斯港港务局合作进行，联合了荷兰、德国、法国、葡萄牙和丹麦等国家的10个研究机构以及30多家公司共同推进，项目计划的运行时间为5年，并获得了欧盟的拨款资金，用于可持续化和智能港口物流项目的实施。并且，它还将制定总体规划，主要涉及在2050年前如何实现港口运输零碳排放的计划。

瓦锡兰作为MAGPIE项目的合作伙伴之一，获得了该项目大部分的资金，用于子项目“荷兰鹿特丹港零排放自主驳船项目”的研究，建设一艘在商业上可行的自主驾驶港内码头内河集装箱穿梭船，旨在解决目前集装箱船运输能力上所面临的瓶颈问题。荷兰的内河航运占其二氧化碳排放量的5%，因而对荷兰而言，内河航运能够在减轻排放方面发挥重要的作用，并且，为了达成气候协议中的减排计划，荷兰需要将水上运输向全电动进行转型，实现在2030年将内河航运排放量减少50%的目标。2020年，在荷兰基础设施和水管理部门的支持下，瓦锡兰、法国天然气苏伊士集团（ENGIE）、荷兰国际集团（ING Bank）和鹿特丹港共同成立了ZES（Zero Emission Services）公司。

荷兰鹿特丹港零排放自主驳船在建造并改装完成后也被正式命名为“阿尔芬纳”，由零排放服务ZES公司所有，部署在莱茵河畔阿尔芬和穆尔代克之间的航线上，为ZES的第一个终端客户喜力（Heineken）提供运输啤酒的服务。ZES公司提供了变革性的解决方案：将以绿色能源为基础的可更换式集装箱式电池组、开放式充电基础设施和船东按使用次数付费制度三者相结合的概念。

该概念有以下优势：

• 减少排放：每年减少 1 000 吨二氧化碳和 7 吨氮氧化物；

• 无PM（微粒物排放）、噪音小、船舶振动小；

• 兼容性强：电力推进系统适用于所有类型的能源

• 无需对能源系统进行大量投资；

• 完全面向未来；

该设计理念基于使用集装箱式可更换电池组（即“ ZESPacks”），利用可再生能源进行充电，并建立一个开放式充电站网络，将电能快耗尽的电池组整箱直接更换，缩短等待时间。同时，这些开放式的充电站能够作为能源枢纽，在高峰负荷期间稳定电网，并可以为其他交通工具充电，可在例如建筑工地和节庆场所等各个不同地点提供和储存能源。

图：ZESpack集装箱式电池的循环服务链

① ZESpack电池组:

该船采用了集装箱式电池组ZESpack来提供电力。ZESpack是一种标准的20英尺集装箱，电池组安装在集装箱内。每组电池支持运行时间约2至4个小时，航行40至60英里左右。首批ZESpack电池组由瓦锡兰公司开发，由45个电池模块组成，总功率达到2WMh，相当于约36辆电动汽车的容量。此外，ZESpack连接至一个标准接头，ZES公司将把连接头的配置公开，以便和各种能源供应商合作。

图：ZESpack外观图

图：ZESpack前箱及后箱图

图：ZESpack标准化接口

②充电站：

电池组可以在沿途的专用充电站进行充电，每次完成充电大约需要两个半小时。充电站使用绿色能源进行供电，车辆也能在这里进行充电。充电站由ENGIE开发，今年4月，第一个充电站已在莱茵河畔阿尔芬的CCT集装箱码头建成；今年7月，“阿尔芬纳”号被改装并安装了适用于ZESpack电池组的插头；首试在8月底完成，“阿尔芬纳”号在位于阿尔芬的CCT码头充电站装载并更换了2个首批ZESpack。

③付费使用：

此外，充电站还提供换电服务。船东可以选择按次付费套餐，在充电站更换电池，更换电池组的时间不超过15分钟，这种模式能够节省船东的运营维护成本。

该付费使用系统模式的概况：

• 船东及其他用户只需为使用能源付费，而非投资实际的能源系统；

• ZES 预计价格可能与当前汽油价格相符，而固定价格不受柴油价格的波动影响；

• 签署按使用付费协议，该协议将至少包括：最低订购量协议、船东/运营商和货运代理对最低承购量的保证、长期的合同期限（约10年）、实际消耗能源的固定价格。

图：ZESpack的技术路线及接口

目前，ZESpack电池组使用的是锂电池，ZES公司的目标是能够在未来时间转变为使用氢或氨等替代燃料。此外，ZES公司认为，集装箱式电池的进一步广泛应用需要产业链多方面的努力和贡献，具体如下表：

表：产业链下的多方合作

ZES公司的短期目标是将规模增加到8艘船、8个充电站和14个ZESpack，到2030年覆盖30条零排放航线，同时可减少多达36万吨二氧化碳和2 800万吨氮氧化物的排放；到2050年前实现增至40条航线的目标，并拥有一支400艘船的舰队、在遍布荷兰的20个对接站交换多达650个ZESpack。

（二）ABB公司“即插即用”集装箱式储能系统

ABB公司所推出的集装箱式储能系统（ESS），能够实现“即插即用”，并且能够随时与船舶的主配电系统进行整合。该20英尺的集装箱式储能系统（ESS）能够为储能系统的升级提供便捷，将蓄电池、变频器、变压器、控制器、冷却和辅助设备都预组装在独立单元中。

图：ABB公司“即插即用”集装箱式储能系统

该集装箱式储能系统的特点主要有以下三点：①集装箱式储能系统(ESS)全套系统都封装于20英尺的ISO标准集装箱内，将可持续的蓄电池电力集成到现有船只上；②全包式预组装单元，更易安装、维护，节约燃料，降低污染物排放；③储能系统灵活且性价比高，能够与各类船舶进行集成，该系统将适宜用于电气室空间极为有限的海工支援船，同时也适用于集装箱船、渡轮、钻井船等多种船型。

ABB船舶与港口事业部服务业务负责人表示，集装箱式储能系统（ESS）是一种完全从船体外部进行服务的安全方案，因而能为多种不同的船型提供更加多的集成方式。基于该简单的储能系统集成方法，能够进一步激励船东使用集成蓄电池来提高船舶的效率，以达到实现船舶电力可持续性的目标。

该系统能够提供市场上最高等级之一的能量密度，标准化的设计能够有效降低成本，实现快速交付和更换。同时，ABBAbility™ 船舶远程诊断系统能够对其集装箱式储能系统进行监测、诊断并记录数据，通过连续性的监测来实现预防性维护和快捷系统维修。

（三）集装箱式船舶电池储能系统——“马士基•开普敦”轮（Maersk Cape Town）

4500TEU “马士基•开普敦”轮（Maersk Cape Town）上安装了一种 600kWh集装箱式船舶电池储能系统。该系统由马士基与丹麦的三叉戟海事系统公司（Trident Maritime Systems）合作研发，由三叉戟海事系统公司负责生产，是业内首例测试电池储能系统的试验。

图：马士基集装箱式船舶电池储能系统

该集装箱式船舶电池储能系统的大部分设备被存放在一个40英尺集装箱中，主要包括了：六支电池架（包含 108个电池模块）、功率转换装置和变压器、逻辑控制器、断路器，能够在电力负荷快速变化期间支持高达 1 800kVA的发电机输出功率，提供冗余电源，并且能提高电气系统（如船舶发电机）的效率^[2]。马士基公司旗下很多集装箱船装有该公司特有的废热回收系统，能够将动力装置废气排放系统中的热能转化，并给电池充电。

（四）PowerX电能转移船

日本PowerX公司提出了“电能转移船”的概念^[3]，即可以将海上风电场所产生的电能传输至集装箱式电池中，再将其运往港口或码头做供电使用。一般而言，海上风电场所产生的电力是通过海底电缆进行传输，通过海上变电站到陆上并网变电站，海底电力电缆的施工成本非常高并且会对周围的自然环境造成一定的破坏，PowerX公司“电力转移船”概念是对该传统模式的变革和创新。第一艘PowerX电能转移船计划将于2025年正式推出，可运载100个集装箱式电池（即200MWh电力），相当于22 000名日本家庭一天的用量总和。电能转移船为在日本沿海水域运输可再生能源而设计，通过创新，让船舶更多地采用电力推进，以此来改变当前日本过度依赖进口化石能源等传统燃料的局面。该公司认为，电能转移船能够一定程度上抵御自然灾害，并且能够减少各项成本，PowerX公司计划在验证“电能转移船”可行性后，进一步扩大载运规模，扩大约至1 000到3 000个集装箱式电池，实现1 000~3 000公里长距离的电力运输工作。

图：电能转移船

（一）国内首艘模块化电池动力换电模式船——64TEU内河集装箱船

64TEU内河集装箱船采用了集装箱式电源换电模式，长64.95m、型宽12.5m、型深3.4m，总吨位994t，搭载了由亿纬锂能公司提供的磷酸铁锂动力电池系统，并支持在固定码头进行换电。该船是国家科技部重点研发计划“综合交通运输与智能交通”专项示范工程,最初衍生于湖州市港航管理中心2017年科技项目——《新能源纯电动内河集装箱运输船舶标准化船型研究》，在该项目中,课题研究中心提出了“集成模块移动电源换电运营模式”的概念，这是电能在水上运输装备探索和应用的一次巨大突破。

图：亿纬锂能集装箱动力电池

与该64TEU内河集装箱船配套的安吉充换电站将为该船运营提供动力，由湖州市港航管理中心与国网湖州供电公司共同负责建设，充放电系统为500 kW的双向储能PCS，采用0.5C倍率为电池充电，单个电池箱充电时间为2 h。该航线全程274km，配套换电站可同时支撑10 艘船舶运营。该船是我国首艘采用模块化电池动力组的内河船舶；首艘采用换电模式运营的内河船舶；首艘采用无轴轮缘推进系统、智能船舶辅助驾驶系统的内河船舶；首艘获得绿色船舶三级认证的内河船舶^[4]。

图:64TEU内河集装箱船

张文芬等学者在《船用模块化集装箱式动力电池的运营模式设计》文中，以内河64TEU 集装箱船为实体案例，详细介绍了该船充换电站的选址、集装箱式电池营运作业情况，并给出了相应的参数介绍：该船设计航速6kn，载重量为1803t，额定功率为2×150kW，船上可同时搭载4个标准20尺集装箱动力电池，单个电池箱容量为1080kWh左右，船舶在目标航线上航行的典型工况为下行载，重量800t，26.4h 到港；上行载重量930t，30.8h 到港。

同时，该文提出了“船电分离、换电租赁”的新型船舶运营模式——船舶装配可移动的模块化集装箱式电池组,以替代原有的固定电池包，在换电站更换电量充足的电池组来为船舶提供电池动力。文中对换电模式的运营设计进行了深入的阐述，包括模块化集装箱式动力电池换装、箱式电池的站内配置和站间调度、充电模式、电池租赁的商业运营模式的设计，具体运营模式如下图。这种运营模式能够有效解决当前电动船初始投资成本高、电池后期的维护保养及老化问题复杂、传统靠岸充电效率不高等问题，具有方便、快捷、节约充电时间及提高运营效率等多种优势^[5]。

图：运营模式（来源《船用模块化集装箱式动力电池的运营模式设计》）

（二）上船院集装箱式动力电池单元S-CUBE

中国船舶上海船舶研究设计院（SDARI）牵头，与宁德时代、赛尔尼柯等业内知名供应商共同合作完成了一型模块化船舶电源系统标准化产品——集装箱式动力电池单元（S-CUBE，SDARI containerized utility battery module）。

S-CUBE是新型模块化船舶电源系统标准化产品，具有智能化拓展能力，能够实现模块与电网间便捷、安全的快速接通与脱离，通过更换模块来实现 “换电”。S-CUBE以20尺标准集装箱为载体，采用磷酸铁锂电池，形成具有通用性的模块化电源系统，单体容量最大可达1 540kWh。并且，具有自动化的标准接口，能够实现模块与电网间便捷、安全的快速接通与脱离，通过更换模块，实现能够让船舶能量得到快速补充的“换电模式”。

图：S-CUBE尺寸及装船

（三）专利

为更好反映集装箱式电池相关技术在我国船舶领域的发展，本文摘录了三条该领域的专利文献资料，专利申请人分别是中国船舶科学研究中心、武汉理工大学和上海船舶研究设计院，具体如下：

专利①：《一种基于标准化电池储能系统的内河集装箱船用系统》

申请人：中国船舶科学研究中心

部分摘要内容：公开了一种基于标准化电池储能系统的内河集装箱船用系统，涉及船舶技术领域，该系统包括：标准化电池储能系统和船舶配电系统，标准化电池储能系统包括采用标准的货运集装箱尺寸的集装箱箱体及其内部的电池柜、制冷系统、汇流柜、变流柜、中控柜及消防柜；标准化电池储能系统以标准货运集装箱为载体，可对其进行岸基充电或直接更换；内部设备可实现互相通讯。

图：专利①的系统结构俯视图

专利②：《一种船载集装箱式电池更换系统》

申请人:武汉理工大学

部分摘要内容：提供了一种船载集装箱式电池更换系统，以解决现有技术中，船身固定不稳导致影响电池装载和更换效率的技术问题。具体包括：机架；电池吊装组件；船舶固定组件，其包括竖直滑道、真空吸附装置和升降驱动机构。

专利③：《船用多系统集装箱式动力电池单元及其系统架构》

申请人：上海船舶研究设计院

部分摘要内容：公开了一种船用多系统集装箱式动力电池单元及其系统架构。船用多系统集装箱式动力电池单元包括集装箱箱体和电池系统；每个电池子系统均设有电池管理系统；集装箱箱体上设有快速连接器。本专利中电池均衡性高，有利于电池寿命的延长；系统冗余性高；接口连接器配置参数小，尺寸小，经济性高；可组成不同的电力系统构架，使用更加灵活。

在双碳背景下，纯电动船舶的发展势在必行。近年来，我国出台了相关政策措施来推动电动船的发展，如《船舶与海上设施法定检验技术规则—内河小型船舶检验技术规则》、《纯电池动力船舶检验指南》、《全面深入推进绿色交通发展的意见》等，为国内电动船舶的发展提供了一定的政策支撑。一些地方性政府也相继出台了措施推进电池动力船舶技术的发展，如广州市制定了《广州港口船舶排放控制作战方案(2018-2020年)》，方案中明确提出，在清洁能源应用方面实现约5艘纯电动船舶或混合动力客船投入运营；深圳市推出了《2018年“深圳蓝”可持续行动计划》，提出推广使用电动港口工作船舶，并明确要在年底完成一艘电动执法船设计方案和新船的订购工作。但是电动船舶的发展仍面临着多种壁垒，如电池续航能力不足，充电设施有待完善，充电方式不够先进，船舶无法进行长距离运输，以及船舶安全管理、船舶建造和运营成本等多种问题，需要科技从业者和政策制定方共同努力，加快电池动力船舶的标准的制定，开发和创新充电方式，加快布局充电基础设施，并且加强对船员的专业技能培训，形成清晰的商业模式及管理体系，共同推动我国内河纯电动船舶产业未来的蓬勃发展。

锂电池充电的时长是影响纯电动船舶广泛应用的主要原因之一，船舶换电技术能够很好地弥补这一点，并最大程度地提高船舶的运营效率，实现快速通航。除上文中提到的荷兰首艘集装箱式电池换电模式改装船“阿尔芬纳”号和国内的64TEU内河集装箱船等，实现换电模式的还有E-Pusher系列拖轮。该系列拖轮由荷兰KOTUG公司于今年11月推出， E-Pusher™ 系列目前拥有三种型号的拖轮，长度从 5.5 m到 22 m不等，最大深度从 0.45 m到 1.35 m不等，该系列设计的吃水与传统的推进式拖轮减少了30%，且因为其模块化设计，E-Pusher的交付时间缩短50%。

图：E-Pusher™ 系列

E-Pusher系列电动拖轮的最大特点即电池可以随时更换，由Shift公司为其提供PwrSwäp“现收现付（Pay-As-You-Go）”更换电池服务，提供充满电的“epod”电池箱，只需要几分钟即可更换电池，同时“epod”电池箱能够通过云服务与管理中心相连接，适用于内河及近海航运。