Nature Energy | 探索电池电动船的成本和排放影响、可行性和可扩展性
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2024-11-01 09:00
湖北
探索电池电动船的成本和排放影响、可行性和可扩展性
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原文信息：
Moon, H.S., Park, W.Y., Hendrickson, T. et al. Exploring the cost and emissions impacts, feasibility and scalability of battery electric ships. Nat Energy (2024).原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41560-024-01655-y.美国温室气体（GHG）减排目标以及国际海事组织（IMO）设定的目标，为电池电动航运创造了机会。本研究利用2021年美国各地的船舶活动数据集，对船舶电气化的生命周期成本和温室气体排放进行了建模。文章估计，到2035年将6323艘1000总吨位以下的国内船舶改装为电池电动船舶，将使美国国内航运温室气体排放量从2022年的水平减少73%。到2035年，与内燃机船相比，高达85%的电气化船将具有成本效益，前提是它们能够覆盖99%的年行程，并从深度脱碳的电网中充电。文章发现，电气化这些船舶的充电需求可能只集中在全国150个主要港口中的20个。这项研究表明，改造电池电动船具有经济潜力，可以显著加速温室气体减排。文章从电池潜力及技术可行性、碳排放、经济可行性、港口电力需求四方面进行了研究，主要内容包括：（1）船用电池的潜力和可行性分析。
通过评估6323艘美国国内船舶的电池电气化潜力，从中筛选出2722艘船舶作为研究对象，并创建了电池电动船（简称BES）四个电池容量等级（BESp100、BESp99、BESp95和BESp90），分析了不同船型电气化的技术可行性，如图1所示。结果表明，通过排除少量长途行程，可以显著降低BES所需的电池尺寸，从而仍能满足大多数常规任务。例如，排除1%的最长行程可以减少三分之二的电池尺寸，客船的电池尺寸减少幅度更大，达到85%。预计到2030年，满足美国国内海事部门电力需求所需的电池将不超过北美电池制造能力的14%。另外，电池重量影响船舶电气化的物理可行性，可以通过排除部分长途旅行、改进电池材料和改进包装来控制电池重量。![]()
为客观地比较电池电气化系统（BES）与内燃机（ICE）的二氧化碳排放量，文章在设置三种电网排放情景（BAU、DEC50、DEC35）基础上，开发了BESp100船舶的生命周期评估（LCA）模型，充分考虑了电池生产和发电的全生命周期排放，结果如图2所示。根据电网的碳强度，到2035年将内燃机改造为BESs，海上二氧化碳排放量将减少73%。随着容量等级的降低，BES的每公里二氧化碳排放量减少12%，最具成本效益的减排是在DEC35情景下将ICE改造为BESp90，预计可以减少81%的每公里二氧化碳排放。![]()
文章通过比较内燃机船和电池电力系统（BES）的年资本与运营成本，估算每公里平均运输成本（LCOT）。图3显示，在三种电网排放情景（BAU、DEC50、DEC35）和三种成本情景（乐观、中等、具有挑战性）下，预计到2035年，大多数BESp99系统在与ICEs的比较中具有成本效益，85%的BESp99系统在DEC35中间情景下实现成本平价。![]()
（4）美国150个主要港口对BES充电的电力需求。文章分析2722艘船舶的年总电力需求为3.8太瓦时，根据2021年以来每艘船舶的历史活动数据推算整个美国船队的需求为7.7太瓦时，图5a-5c分别展示了美国各州和港口电力需求的地理空间分布、BESp100按照州和船型划分的年电力需求、BESp100按照港口和船型划分的年电力需求。其中电力需求最高的五个港口中有三个在路易斯安那州。在所有分析的150个港口中，纽约港和新泽西港的电力需求最大，为238千兆瓦时（GWh）。![]()
文章通过使用高分辨率时空数据以及船舶工程规范，从排放、经济和物理可行性方面评估了美国国内船舶的电池电气化潜力，研究表明，在每种情景下6323艘船舶的电池电气化可以显著地减少海上二氧化碳排放量。此外，未来研究中还需要考虑航运电气化优先级、小型BES的经济可行性、充电调度与基础设施需求、BSE环境影响、电力基础设施投资与港口选择等问题，并建议进一步优化能源需求高的航程管理，制定港口微电网计划，并根据船舶需求和电网排放确定最佳实施位置。国际能源转型学会（ISETS）在澳大利亚注册，是面向全球政、产、学、研、用等领域专业人员和机构的公益性、开放式的对话平台，成员来自80多个国家以及十余个国际组织。ISETS致力于促进能源及其相关行业向着公平、公正、包容性的低碳未来转型，欢迎关注！
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