Nature Energy : 探索电池电动船舶的成本和排放影响、可行性和可扩展性

摘要： 美国的温室气体（GHG）减排目标，以及国际海事组织设定的目标，为电池电动船舶的发展创造了机会。在本研究中，我们利用 2021 年美国船舶活动数据集，建立了船舶电气化的全生命周期成本和温室气体排放模型。我们估计，将 6,323 艘小于 1,000 总吨的国内船舶改造为电池电动船舶，到 2035 年将使美国国内航运温室气体排放量比 2022 年的水平减少最多 73%。如果这些船舶覆盖 99%的年航次，并从深度脱碳的电网充电，对多达 85%的船舶进行电气化改造可能比使用内燃机船舶更具成本效益。我们发现，将这些船舶电气化所需的充电需求可能集中在全国 150 个主要港口中的 20 个。这项研究表明，将船舶改造为电池电动船具有经济潜力，并可能显著加速温室气体的减排。

引言

研究背景：美国计划到2030年减少52%的GHG排放，到2050年实现100%减排。IMO计划到2030年减少国际航运温室气体排放20-30%，到2040年减少70-80%，并在本世纪中叶实现净零排放。2021年，美国内燃机船舶排放了2190万吨二氧化碳当量（CO2e）。虽然航运仅占美国运输总排放的3%，但为这些船舶找到脱碳路径对于实现净零排放至关重要。随着电池成本下降和能量密度提高，电池驱动船舶成为潜在的零排放货运解决方案。最近，美国能源部的Battery500和PROPEL-1K计划推动了电池技术进步，目标是实现500瓦时（Wh/kg）的能量密度，最新实验显示镍锰钴氧化物（Li-NMC）锂电池的能量密度达到450瓦时。这些进展预计将推动电池电动运输系统的发展。

研究空白：多项研究估算了船舶排放量，包括全球评估和区域分析，如中国长江、五大湖-圣劳伦斯海道和美国内河船舶排放。然而，这些研究主要关注排放估算，未比较电池电动船舶与内燃机船舶的经济性。电池技术进步使得在挪威、日本和丹麦部署电池电动渡轮成为可能。由于渡轮路线可预测，它们是电气化的理想对象。其他类型的船舶，如拖船，也在考虑范围内。先前研究指出，电力系统排放是影响电池电动船舶排放的关键因素。生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）显示，电池电动船舶在温室气体排放和成本方面具有优势。然而，这些研究未涉及更广泛区域或国家层面的影响。

研究概述：本研究评估了将美国国内航运改为电池电动的成本、设备需求和环境效益，考察了不同航次比例下电池电动船舶的经济可行性，为合理电气化方案提供框架。我们开发了海上电池电气化模拟器（MariBES），通过TEA和LCA，我们分析了燃料生产、电力生成、电池制造和操作，重点研究内燃机船舶的改造。在TEA中，我们评估了当前及未来电池成本和能量密度下合理电气化的航线和船舶类型，并估算了全国性转型所需的电网和港口基础设施；在LCA中，我们量化了电池电动航运的全生命周期环境影响，包括空气污染物和温室气体的减排。虽然我们以美国旗的低于1,000总吨船舶为测试案例，但该模型可适应其他输入数据，分析其他国家的船队。最后，我们根据电力需求预测，确定了美国优先电气化的港口和地区。

研究结果

船舶电池潜力和可行性

通过三个美国船舶数据库，我们评估了 6,323 艘美国国内船舶的电池电气化潜力，其中 2,722 艘在 2021 年行驶超过 1,500 公里，称为“AIS 分析子集”。我们创建了四个容量级别——BESp100、BESp99、BESp95 和 BESp90，表示电池电动船舶（BES）能够覆盖的历史航次百分比。排除少量长距离航次可显著减少 BES 所需电池尺寸，同时完成大部分任务。图 1a 显示，仅排除 1% 的最长航次即可减少电池尺寸三分之二。该趋势在客船中尤为明显，电池尺寸可减少 85%。图 1b 显示，美国航运电气化所需的电池不会超过 2030 年北美预计电池制造能力的 14%。电池重量在很大程度上决定了船舶电气化的可行性。图 1c 表明，BESp100 级别下，电池系统重量为21kg/kw h，电池电动船舶的中位重量比内燃机船舶增加 137%。排除前 1% 高能耗航次（BESp99）可将中位重量增加限制在 30%。若电池材料和包装进展减轻 25% 重量，则 BESp99 中位重量增加可进一步限制在 21%。

图 1 | 不同船型和容量级别的电池需求与可行性。a，按船型和容量级别（BESp100、BESp99、BESp95、BESp90）划分的中位数电池需求。b，50–100 GT 船舶在 2030 年的 BES 电池需求与北美制造能力对比。c，不同容量级别下 BES 与 ICE 的重量对比。

排放减少

我们估算，AIS 分析子集中内燃机船舶的总排放量约为 210 万吨 CO2e，占 2021 年国内船队排放的 9.5%（21.9 MMTCO2e）。为了公平比较电池电动船舶（BES）和内燃机船舶（ICE）的 CO2e 排放，我们考虑了 BES 的充电、电力生产及电池制造的排放。由于研究仅限于改装后的时间段，之前的船舶制造和运行阶段未包括在内。因此，我们开发了 BESp100 改装后的 LCA 模型，涵盖电力和电池生产的全生命周期 CO2e 排放，并与 ICE 燃料消耗的生命周期排放进行比较。这些排放分配到改装后船舶的预期寿命和行驶距离上，可能与其他 LCA 的分配方法有所不同。如果电池在首次使用后被用于二次应用中，其制造排放量可降低至 72%。表 1 展示了用于排放和经济分析的假设情景。

表 1 | 排放和经济情景描述

图 2a 显示，根据电网的碳强度，将内燃机船舶改装为 BES 可以在 2035 年减少 34-73%的 CO2e 排放。在 DEC50情景下，到 2050 年减排可达 75%。而在 DEC35 情景下，目标可在 2035 年几乎实现，达到 73%。尽管改装 ICE 为 BES 可以显著减少 CO2e 排放，但要实现完全脱碳面临两个主要挑战。首先，电力系统脱碳主要关注燃烧阶段，未考虑基础设施、材料及可再生能源生产的燃烧前排放，这部分排放为 107-122 CO2e g/kWh。其次，在电池制造中，41% 的能源来自电力，59% 来自化石燃料。图 2b 显示，在 DEC35 情景下，到 2050 年美国航运累计排放量比 BAU 情景减少 58%。图 2c 显示，随着容量级别降低，BES 的每公里 CO2e 排放量可减少最多 12%。由于低容量级别的 BES 无法服务所有 ICE 航次，我们通过排除未服务航次的排放和行驶距离来估算每公里 CO2e 排放。在 DEC35 情景下，改装为 BESp90 可实现最具成本效益的减排。虽然油井到油箱的排放在不同情景间变化不大，但减少上游碳强度可降低此类排放，实现更大减排效果。

图2 | ICE 和 BES 的 CO2e 排放情况。BESp100、BESp99、BESp95 和 BESp90 表示 BES 覆盖 ICE 历史航次的比例。a，ICE 和 BES 年度 CO2e 排放量随时间显著减少。b，2022 至 2050 年各情景下的累计减排量。c，按容量等级划分的 ICE 和 BES 每公里 CO2e 排放量，随着容量级别降低，BES 每公里排放量减少。

电池电动船舶的经济可行性

为了比较电池电动船舶与内燃机（ICE）船舶，我们估算了运输平准化成本（LCOT），单位为美元每公里（US$ km−1），即将 ICE 和 BES 的年度资本和运营成本除以年度行驶距离。对于 ICE，成本包括燃料、CO2e 社会成本及空气污染（NOx 和 SOx）。对于 BES，成本包括电池资本、运营维护、充电基础设施、CO2e、空气污染及电池残值。BES 在运行期间无直接 CO2e 排放，其 CO2e 排放来源于电池生产、发电及燃料生产过程。此外，BES 的空气污染包括电力消耗时的 NOx 和 SOx 排放。我们在 2022、2035 和 2050 年为每个 BES 容量级别估算了三种电网排放情景（BAU、DEC50、DEC35）和三种成本情景（乐观、中间、挑战性）的成本。

图 3a 显示，2035 年大多数 BESp99 相较于 ICE 具有成本效益，即改装为 BES 的成本不高于 ICE 的 LCOT。当容量级别从 BESp100 降至 BESp99 时，由于电池需求减少，具有成本效益的 BES 增加。2035 年，因电池成本下降及 CO2e 社会成本上升，更多 BES 变得具有成本效益，DEC35 中间情景下，85% 的 BESp99 系统具有成本效益。图 3b 显示，即使 BES 成本下降 63%，不考虑环境成本时，BES 直接成本仍高于 ICE。仅考虑直接成本时，BES 对船东的吸引力有限。但在碳交易或碳税政策下，投资 BES 变得有利。碳价因地区而异，2023 年欧盟排放交易系统中为每吨 CO2e 93 美元，预计 2030 年达 157 美元；美国华盛顿州 2023 年为 55 美元，最高。我们采用美国环保署预测的 2035 年每吨 CO2e 250 美元。2035 年每吨 CO2e 250 美元和 157 美元的碳成本将使 80% 和 60% 的 BESp99 船舶实现成本平价。

图 3 | BES 与 ICE 成本效益比较。a，BES 相较于 ICE 的成本效益比。b，各情景中的中位 LCOT。

图 4 展示了在各种情景下的平均 LCOT 分解。图 4a 显示，BESp99 与 ICE 的 LCOT 平价将在 2035 年实现。ICE 的平均 LCOT 显示每年增加 1%，而 BESp99 的平均 LCOT 每年减少 1.5%。对于 ICE 船舶，大部分成本增加由 CO2e 排放的社会成本推动。相反，对于 BESp99，成本减少来源于电池成本下降和 CO2e 社会成本的降低。图 4b 显示，2035 年，乘客船和拖船（内陆推船）类别中的 BESp99 具有比 ICE 更低的平均 LCOT。基于船对船的比较，约 90%的 BESp99 船舶相比于其 ICE 对应船舶具有成本效益。而拖船（沿海港口）和拖船（ATB）的平均成本高于 ICE，但分别有 76%和 44%的船舶仍然达到或超过其 ICE 对应船舶的成本平价。每种情景的进一步讨论见补充图 22-25。

图 4 | DEC50 排放情景下 ICE 和 BES 的平均 LCOT 成本分解。a，2022、2035 和 2050 年 ICE 与 BESp99 的 LCOT 对比。b，2035 年按船型的 ICE 与 BESp99 LCOT。

150 个主要美国港口的 BES 充电电力需求

我们估算，AIS 分析子集中的 2,722 艘船舶年电力需求为 3.8 TWh。计算结合了 2021 年每艘船的历史数据。由于国内船队的 6,323 艘船舶总吨位是 AIS 子集的两倍，因此国内船队年电力需求估计为 7.7 TWh。图 5a 显示了按州和港口划分的电力需求分布。图 5b 显示，拖船在各州电力需求中占比最高，占路易斯安那州和德克萨斯州总充电需求的 99.6% 和 99.9%。在加利福尼亚州，客船需求占 BES 总充电需求的 30% 以上。按州划分的电网额外需求（黑点表示）显示，BES 充电导致的增长在州一级可控，前十个州电力需求增长不到 1%（0.1-0.8%）。图 5c 显示了充电需求高的港口，强调了特定州和港口集中电力基础设施的必要性，以支持船舶电气化（补充图 30-32）。除一个港口外，电动拖船在前 20 个港口中的大多数能量需求最高，表明它们在国内航运电气化中至关重要。

图 5 | 美国 BES 年充电需求。a，AIS 分析子集中 BESp100 的州和港口电力需求。b，按州和船型划分的年电力需求。c，按港口和船型划分的年电力需求。

讨论与结论

我们评估了美国船舶电气化的潜力。DEC50 目标是到 2050 年电力部门 CO2e 排放减少 95%，DEC35 将目标提前至 2035 年。相比 DEC50，DEC35 可减少 15% 累计 CO2e 排放，并在 2035 年降低 BES 的 LCOT 10%。碳的社会成本因政策而异，我们采用美国环保署的估值：2022 年 190 美元/吨 CO2e，2035 年 250 美元，2050 年 310 美元。BES 的经济价值依赖碳价，一致且可预测的碳价对长期投资决策至关重要。LCOT 模型受燃料和充电成本影响大，存在高度不确定性。到 2050 年，柴油成本可能下降 31% 或上升 58%，导致 ICE 的 LCOT 变化 10%-18%，并使 BES 的 LCOT 增加 3%。未来研究应更新价格预测，以减少 LCOT 建模的不确定性。假设船舶寿命为 60 年，平均年龄为 37 年，约 30% 的 ICE 船舶在 2050 年剩余寿命超过 12 年，可能成为电池改装候选，因此评估这一期间的改装可行性至关重要。

我们评估了 6,323 艘美国船舶的电气化可行性。模块化设计、纳入排放成本及电池二次使用价值可显著提高 BES 经济性。在清洁电力或短途航次集中的地区，BES 更具成本效益，应优先电气化。大规模实施 BES 需港口电力基础设施投资，但充电需求主要集中在 20 个港口，可再生能源微电网可满足充电需求并减少生命周期排放。未来研究应关注：优先考虑可再生能源电网位置的航运电气化，加速区域脱碳；探索小型 BES 替代大型 ICE 的可行性；通过调度船舶活动和交换电池降低能源需求；减少港口空气污染，改善弱势社区环境；考虑船舶活动波动对结果的影响。

方法

研究范围与数据 本研究使用了三类数据来分析船舶活动：(1) 船舶存量与技术规格，(2) 自动识别系统（AIS）船舶位置数据，(3) 港口位置数据。船舶数据整合自美国海岸警卫队、美国陆军工程兵团和 IHS Markit，涵盖油轮、普通货船、客船及三种类型的拖船（沿海港口拖船、内陆推船拖船和 ATB 拖船），最终整合成包含 11,687 艘船的数据库，其中“国内船队”指 6,323 艘总吨位在 50 到 1,000 之间的船舶。AIS 数据包括船舶位置、航速、航向等信息，通过历史数据提取和处理，计算年行驶距离及电力消耗和排放。港口数据涵盖了 2020 年吞吐量排名前 150 的港口，用于估算港口电力需求。

电池系统与电力需求 我们开发了一个分析工具，整合电池系统尺寸、充电调度、电力和成本需求及生命周期温室气体排放。BES在港口充电，由岸边的交流电转换为直流电。电池容量估算基于航次能量需求，以确保电池老化后仍能满足航次能量。充电调度基于算法，当电池状态（SOC）低于 70% 时进行充电，仅在船速低于 0.5 节时操作，以防止频繁充电。电池老化模型用于计算电池寿命，结果显示寿命在 10 至 15.5 年之间。

排放与经济可行性 排放量基于能量方法计算，包括 CH4、N2O、CO2、NOx 和 SOx。我们开发了生命周期分析（LCA）模型，以全面评估供应链能源需求和排放。经济可行性分析涵盖 ICE 与 BES 的运行和排放成本，使用运输平准化成本（LCOT）衡量成本效益，单位为美元每公里。

重量与电网需求 在物理可行性评估中，比较了 BES 与 ICE 的重量，评估船体是否能承受电池系统重量，并分析电动推进系统的可行性。港口的电网需求基于船舶的充电调度进行计算，跨州港口的需求按州分配。

本文来源：大数据透视地理

智能新能源船舶技术产业联盟秘书处

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