长江船舶电气化生命周期评估：环境与经济之间的权衡

《Ocean Engineering》：Life-cycle assessment of ship electrification in the Yangtze River: Environmental and economic trade-offs

船舶电气化在长江流域的环境与经济效益评估

　　船用电气化是推动航运业低碳转型的关键举措，尤其在内河航运领域，电动船舶的应用潜力巨大。以渡轮为例，其运营特点使得其成为采用清洁能源的理想载体。本文通过构建结合生命周期评估（LCA）与生命周期成本评估（LCCA）的综合模型，对长江流域内船舶电气化的环境与经济效益进行了系统分析。研究对比了柴油动力与五种电池系统（NCM、LFP、LiM、Ni-MH、Pb-ac）在全生命周期内的表现，结果显示，磷酸铁锂电池（LFP）在环境与经济方面均表现出色，能够实现全生命周期内二氧化碳排放减少26%、氮氧化物（NOx）减少94%、细颗粒物（PM2.5）减少83%，同时降低46%的能耗和55%的总成本。在更严格的碳排放政策背景下，LFP的经济优势将进一步扩大。

研究表明，电力结构对船舶排放的影响显著，特别是在硫氧化物（SOx）排放方面。这凸显了发展清洁能源发电在实现全面减排目标中的关键作用。本文构建的模型与详细数据集，尤其关注不同电池技术在实际航运条件下的性能与成本权衡，为全球相关领域的研究提供了重要的基准，并为制定符合本地电网脱碳进程的电气化策略提供了科学依据。

国际航运业是全球温室气体（GHG）排放的重要来源，约占全球总碳排放的2.89%（Shi et al., 2023）。若不采取干预措施，未来几十年内温室气体和其他空气污染物的绝对排放量可能增加150%至250%（Per?i? et al., 2022a）。为应对气候变化，国际海事组织（IMO）通过了2023年《减少船舶温室气体排放战略》，要求国际航运行业到2030年相比2008年每单位运输工作减少至少40%的二氧化碳排放，并在2050年前实现净零排放（MEPC, 2023）。为实现这些目标，各国纷纷实施本地化政策，例如欧盟将航运纳入欧盟排放交易体系（EU ETS）（Boungou and Dufau, 2024），挪威则通过财政补贴推动全电动船舶的商业化运营（Sj?tun, 2019）。中国作为全球最大的内河航运国家，设定了“双碳”战略目标（2030年碳达峰、2060年碳中和）（Li and Yang, 2024），并优先推进内河船舶的清洁化，以实现交通领域的脱碳。

目前，柴油动力船舶仍是我国内河航运的主要污染源，贡献超过90%的氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）和细颗粒物（PM2.5）排放（Huang et al., 2020a）。相比之下，电动推进系统能够实现零尾气排放，并通过智能能源管理系统优化能源效率。一些已投入运营的电池动力船舶已经展示了显著的减排和经济优势。例如，挪威的全电动渡轮“Ampere”作为世界上首艘实现商业运营的全电动船舶，通过将传统柴油动力系统替换为锂离子电池，实现了全生命周期碳排放减少95%、运营成本降低80%的成果。其成功案例为内河航运的脱碳提供了重要的参考，并促使学术界将电气化视为实现这一目标的“最佳解决方案”（Ystmark Bjerkan et al., 2019）。2022年3月，由中国船级社（CCS）检验建造的“长江三峡”号纯电池动力船舶成功交付，该船拥有超大电池容量，据统计，每年可减少二氧化碳排放14吨、氮氧化物排放17吨和细颗粒物排放0.4吨，实现了真正的零排放与零污染（Guan et al., 2024）。

尽管这些先行项目展示了内河航运电气化在减少污染物排放和提升运营经济性方面的巨大潜力，但核心实施挑战仍在于优化能源存储技术的选择。作为电动船舶的主要能源来源和成本驱动因素，电池的化学系统直接影响船舶的续航能力、安全性、全生命周期成本和最终的环境效益。目前大多数成功案例依赖于单一的锂离子电池技术（如磷酸铁锂电池），但锂离子电池包含多种技术分支，行业仍缺乏对不同技术路径优劣的系统性比较研究。为此，本文选取了五种代表性电池技术（NCM、LFP、LiM、Ni-MH、Pb-ac），旨在进行系统性比较，为不同应用场景下的技术选择提供精准指导。表1详细列出了每种电池的关键特性，并解释了其被纳入评估框架的具体理由。表中数据来源于Liang et al.（2019）、Wu and Bucknall（2016）以及Ding et al.（2019）的研究。

然而，船舶电气化的推广仍面临多重挑战。首先，锂电池的高成本和有限的能量密度限制了其在广泛船舶类型中的应用（Rasul and Kim, 2024）。其次，电力的清洁程度直接影响电池动力船舶的全生命周期排放减少效果（Jeong et al., 2020）。此外，优化充电基础设施与船舶运营模式之间的匹配也是必要的（Mutarraf et al., 2022）。因此，对船舶电气化的环境效益和经济效益进行系统评估，对于优先选择技术路径和制定行业支持政策至关重要。

以往的研究已对船舶电气化的环境效益进行了初步探讨，尤其是在二氧化碳减排方面。例如，Jeong et al.（2020）和Marques et al.（2019）基于单艘船舶，对柴油动力和电池动力渡轮进行了生命周期评估（LCA），发现电力的清洁程度显著影响电动船舶的排放减少效果。Moon et al.（2024）则研究了不同国家电动能源组合对电动船舶排放减少的影响。Per?i? et al.（2021b）指出，电气化是船舶最环保的选择，可实现高达64%的温室气体减排。

为了将成本因素纳入生命周期评估，提出了生命周期成本评估（LCCA）方法，整合了产品全生命周期的各种成本。例如，Moon et al.（2024）通过建模生命周期成本和温室气体排放，评估了美国国内船舶电气化的潜在影响。Kersey et al.（2022）探讨了电池价格对区域集装箱航运电气化潜力的影响。Feng et al.（2024）引入了SE3IAM（航运排放-能源-经济影响评估模型），以全面评估电动船舶在内河货运运输中的脱碳潜力。在运营技术优化方面，Wu et al.（2020）开发了一种基于双Q强化学习的能源管理系统，用于优化混合船舶的功率分配。Nasiri et al.（2023）通过多目标优化算法平衡电池寿命与推进效率，得出结论认为，优化的电力管理系统（PMS）显著降低了运营成本并延缓了电池组件的失效。

尽管上述研究为船舶电气化的环境与经济效益提供了宝贵见解，但现有研究仍存在一定的局限性。例如，现有文献主要关注船舶电气化在减少二氧化碳排放方面的潜力，对氮氧化物、硫氧化物、细颗粒物等其他污染物的定量分析不足。此外，资源消耗的系统性特征往往被忽视，上游能源提取过程（如煤炭和天然气开采）的环境成本通常仅简化为碳排放因子，忽略了其对水资源、土地资源和生态环境的影响。同时，舰队层面的分析也存在不足，多数研究聚焦于单艘船舶，缺乏对整个区域舰队电气化潜力的评估。关键因素如内河航运的规模效应和充电设施的共享性，尚未被纳入现有模型中。

为弥补这些研究空白，本文构建了一个基于LCA和LCCA框架的动态、系统化的综合环境与经济评估模型。在该模型中，我们不仅关注二氧化碳排放，还纳入了氮氧化物、硫氧化物和细颗粒物的排放评估，以更全面地反映船舶电气化的环境影响。同时，我们估算材料（包括电池生产与回收）和能源（从井到轮）全生命周期的排放与经济收益。为了更准确地估算排放与经济收益，我们考虑了船舶在不同运行状态（如停泊和航行）下的不同排放特征。新提出的模型应用于单艘船舶和舰队场景，系统比较了柴油动力与五种电池动力系统（NCM、LFP、LiM、Ni-MH、Pb-ac）在长江流域内的环境与经济影响。本文的其余部分结构如下：第二部分描述了方法论，涵盖渡轮识别方法的设计和渡轮的LCA与LCCA模型构建；第三部分展示了案例分析与结果，包括单艘船舶和舰队的结果分析；第四部分讨论了电力组合对排放的影响，并比较了不同地区在减排与成本方面的差异；最后在第五部分总结了研究结论。

本文的案例研究显示，电动船舶在长江流域展现出显著的环境与经济效益，其中LFP电池动力船舶在减排和成本节约方面尤为突出。LFP电池系统适合作为短途渡轮柴油动力系统的替代方案。然而，电动船舶仅能将二氧化碳排放减少约26%，这一水平仍不足以达到2030年前减少40%二氧化碳排放的挑战性目标。因此，尽管LFP电池在当前条件下表现出色，但实现更大幅度的减排仍需进一步的技术创新与政策支持。

此外，研究还发现，电力结构对船舶排放的影响至关重要。在不同电力来源下，电动船舶的全生命周期排放存在显著差异。例如，在依赖高碳排放电力的地区，电动船舶的减排效果可能不如在清洁能源电力充足的地区。因此，推动清洁能源发电的发展，是实现船舶全面脱碳的重要前提。同时，研究强调了充电基础设施与船舶运营模式之间的协同优化。例如，在内河航运中，充电设施的共享性和规模效应能够显著降低单位运输成本，提高整体经济可行性。这要求在制定电气化策略时，充分考虑本地电网的清洁度和充电网络的布局。

本文的研究不仅提供了对船舶电气化环境与经济效益的系统评估，还为未来政策制定和技术创新提供了科学依据。在长江流域这样的核心内河航运区域，通过LCA与LCCA模型的结合，可以更全面地理解不同电池技术在实际运营中的表现。研究结果表明，LFP电池系统在环境与经济方面均具有明显优势，是当前最值得推广的电池技术。然而，为了实现更高的减排目标，仍需进一步探索其他电池技术的改进与应用。例如，镍锰钴（NCM）电池虽然具有较高的能量密度，但其成本和环境影响可能较高；而铅酸（Pb-ac）电池虽然成本较低，但其在环境友好性和续航能力方面存在局限。因此，未来的研究应关注这些技术的优化路径，以找到最适合不同应用场景的解决方案。

在政策层面，本文的研究强调了本地电网脱碳进程对船舶电气化战略的重要性。不同地区的电力结构差异较大，因此在制定电气化政策时，必须结合本地的能源资源和环境条件。例如，在煤炭资源丰富的地区，推广电动船舶的环境效益可能受到电力来源的影响，而在可再生能源占比高的地区，电动船舶的减排效果将更加显著。因此，政府和相关机构在推动船舶电气化过程中，应优先发展清洁能源发电，同时优化充电基础设施的布局，以提高电动船舶的经济可行性与环境效益。

此外，本文的研究还揭示了内河航运中舰队层面电气化的潜在优势。通过分析整个舰队的电气化潜力，可以更准确地评估不同电池技术在规模化应用中的表现。例如，共享充电设施能够显著降低单位运输成本，提高整体经济收益。同时，规模效应也有助于降低电池成本，推动技术进步。因此，未来在内河航运中，应加强对舰队层面电气化的研究，探索更高效的运营模式和技术组合。

综上所述，船舶电气化是实现内河航运绿色转型的重要路径，但其可持续性高度依赖于电池技术的多维性能权衡。本文通过构建系统化的评估模型，对柴油动力与多种电池动力系统在长江流域的环境与经济影响进行了深入分析，为政策制定者和技术开发者提供了重要的参考依据。研究结果表明，LFP电池系统在当前条件下具有显著优势，但要实现更大幅度的减排目标，仍需在电池技术、电力结构和充电基础设施等方面进行进一步优化与创新。未来的研究应更加关注不同电池技术的协同效应，以及如何通过政策引导和技术创新，推动内河航运的全面电气化。