Nature Energy : 通过空间优化的海上充电站加速绿色航运

引言

研究背景：海运承载国际贸易80%的货物量，年增长率稳定在3%。欧盟内41%的货物靠近海航运，美国70%的货物重量依赖海运。然而，国际海事组织警告，若不采取行动，到2050年海运排放或占全球17%。为此，该组织2023年修订减排策略，目标是2030年减碳20%、2040年减70%、2050年实现净零排放。氢气、甲醇、氨等替代燃料虽被提出，但技术尚不成熟，国际能源署和欧盟预计其大规模应用要到2050年。相比之下，电动船舶更直接可行，但仅限1,000公里内短途。研究显示，即使电池成本降至每千瓦时50美元、碳税升至每吨100美元，载7,650标准箱的电动船仅在3,300公里内具竞争力，难满足远洋需求。

研究空白：电池船舶面临三大难题：一是货物效率，电池能量密度（0.18–0.26千瓦时/千克）远低于重油（11.1千瓦时/千克），长航程需大电池，挤占货空间，即使2050年达1,200瓦时/升也难兼顾航程与载货；二是经济性，电池前期成本高，电价高地区难收回投资；三是环境性，减排取决于电力来源，煤电地区重油船可能更环保。借鉴陆上充电站理念，研究探索海上充电站（如浮动风能、太阳能、核能）的可行性。马士基与Örsted2020年试点浮动充电站，MJR2023年在英国测试，Oasis Marine与VARD在阿伯丁湾及挪威开发基础设施。但现有研究聚焦单站技术经济性，缺乏全球视角优化位置与规模，及其对航运经济、环境、运营的影响，这对可持续转型至关重要。

研究概述：在此，我们提出了一个协调模型，以同时优化海上充电站和可再生能源船舶。我们表明，利用海洋可再生能源的海上充电站可以为电动海运船队创造中途停靠点。战略性放置的海上充电站可以将长途航行分解成短途段，大幅扩展电动船舶的航程。这也允许使用较小的电池和更多的货物空间，从而降低前期成本并提高货运收入。节省昂贵的海上高压输电线路费用可以转化为更低的电价。从环境角度看，即使在碳密集型电网地区，电动船舶也能从海洋可再生能源中获取绿色电力。随着电子燃料技术（如氨）和海上加油站的进步，可再生和低碳燃料可能共同推动重油船舶在所有远洋航线上的完全替代。

结果

优化模型与经济影响评估

我们通过最小化总推进成本（TCP）优化了海上充电站（OCSs）的地点和容量，以及电动船舶的电池大小、货物容量和充电策略。TCP 包括能源成本（岸上及海上电力、重油、氨，含环境成本）、改装成本（主要为电池）、货物效率（与重油船相比的货运收入变化）和资本成本。评估覆盖 34 条区域及国际航线（185 至 11,456 公里），涉及集装箱船、散货船和油轮（占全球货船近 90%）。充电需求基于自动识别系统数据（扩展数据图 1），可再生能源产量变化来自 NOAA，供需不匹配由海上电池储能系统（BESSs）调节。

在 34 条航线中，我们初步确定 510 个潜在 OCSs 位置，经优化选出 120 个（图 2a）。成本因水深、波高、流量及风光资源差异显著：浅水区（<50米）70%站点成本低于每兆瓦200万美元，深水区（>1,000 米）均值达 434 万美元。可再生能源成本占比最高（与资源丰富度相关，如苏伊士-鹿特丹 OCS10 占 33.4%，新加坡-苏伊士 OCS1 占 71.1%），储能成本占 1.7%-62.3%，高流量区（如汉堡-安特卫普）仅 28.7%，低流量区（如墨尔本-新加坡 OCS2 达 57.2%，蒙特利尔-安特卫普 OCS3 达 62.3%）。

图 1 展示了 34 条航线的最佳规模和位置，比较有无 OCSs 的电动船舶与重油船经济性。无 OCSs 时，电动船舶仅在 2030 年 2 条、2050 年 7 条航线（<1,500 公里）具经济性（图 1a）。引入 OCSs 后，到 2050 年 26 条航线优于重油船，可行距离达 9,500 公里（如科珀斯克里斯蒂-鹿特丹）（图 1a）。东亚航线全经济可行（如东海 14 个小容量站 10-71 兆瓦），西欧站容量大（32-116 兆瓦）（图 1b），亚太航线（如上海-新加坡）利用风电场可再省 18%。OCSs 缓解“能源瓶颈”，如苏伊士附近降低新加坡-苏伊士成本 5.8%，巴拿马航线避运河排队。

图 2 展示了 OCSs 在不同航线上的成本降低（10.6%-65.2%），浅水短途航线（如汉堡-安特卫普）最优，高流量航线（如宁波-新加坡）因高利用率分摊成本，但超 9,000 公里深水航线（如新加坡-开普敦）不经济。浅水缩短充电站间距，电池减小（如上海-釜山减 52%），货空间增加；高电价区节省输配电成本 15%-23%（如汉堡-安特卫普省 43.7%）。图 2c 为七条航线的敏感性分析，显示 OCSs 在不确定性下仍提升经济性。欧洲因电价波动变化大，海上可再生能源零燃料成本缓解影响。长航线电池成本不确定性高，OCSs 减小需求（如宁波-新加坡减 70%），新加坡-苏伊士虽减电池成本 64%，深水安装成本高使其竞争力有限。

温室气体减排的环境影响分析

电动船舶的环境效应取决于当地电网脱碳进展。基于优化模型和各国电力碳强度，图3比较了OCSs在不同航线和船型的碳排放减少情况，以2020年每公里排放密度计算。研究发现，34条主要航线中仅15条从电动船舶获益，其余19条若替换重油船可能增加从油井到尾气排放。但OCSs使32条航线减排7-85%，环境竞争力航线从15条增至32条，东亚和中东（如上海-釜山、新加坡-德班）因高电力碳密度减排最显著。各国电网脱碳速度不同，欧洲和美洲航线（如桑托斯-布宜诺斯艾利斯、巴拿马-休斯顿）因清洁能源占比高（如南美水电、北美风光资源）已优于重油船，而亚太和中东因依赖化石燃料需至2030年才有优势。OCSs提供即时环境效益，助航线满足国际海事组织2030年减排20%目标。

尽管有环境效益，电气化的决定主要由船东决定，他们权衡电动船舶的改装和运营成本。这些成本因航线和船型而异。先前研究表明，按载重吨计，小型船舶不太适合电气化，因为电池相对于货物容量的占用空间不成比例。然而，我们的发现表明，海上充电站可显著扩展船舶电气化的经济载重。例如，在上海-名古屋航线上，主要由小型支线船（60%）服务，海上充电站可将电气化率从25%提升至2050年的100%。小型支线船（小于1,000标准箱）所需的电池尺寸可通过沿途四个海上充电站从380立方米减少到170立方米。

航行效率的运营影响

电动船舶的经济和环境效益可能因充电及排队延误受影响。现有充电器容量达 300 兆瓦，1,000-3,000 标准箱集装箱船（航程<10,000 公里）充电需 20-30 小时，高功率船舶或长航线因多次充电延误更长。航运惯例设宽限期，允许轻微延误不罚或轻罚，超期则罚款重，宽限期因航线和货物类型而异，紧急交付更短。图 4 分析宽限期（原始交付时间 10%-50%）内时间与成本权衡：宽限期增总推进成本减，短途航线（如汉堡-安特卫普、上海-釜山）即使 0%宽限期也低于重油船，因提速可抵充电时间；中长途（如宁波-新加坡）需 10%宽限期，因提速增电池容量及成本；长途（如温哥华-巴拿马）盈亏平衡需 20%。图 4 显示船型差异：大型集装箱船（如新巴拿马型，8,600 标准箱，10 万吨）在巴拿马-休斯顿需 17%宽限期，小型散货船（3 万-5 万吨）仅需<5%。解决方案如快充、大站或提速可减时，但成本上升。

替代燃料和海上氨站

低碳燃料（如绿色氨、氢气、甲醇、甲烷、生物柴油）是另一种方案，利用海上可再生能源制造液态燃料注入船舶油箱，优点是加油时间短、航程长。氨在电子燃料中技术较先进，生产、储存、运输成熟，首艘氨燃料集装箱船预计2026年运营，国际能源署预计2050年45%船舶用氨。氨由海水和空气中的氢、氮制取，成本低。虽无公用事业规模海上氨站（OAS），但北海海上氢站已部署，利用海上可再生能源，可能比岸上绿色氢便宜。氨液化仅需常压-33°C或10-15巴压力，适合海上加油。

图5比较2050年五种燃料策略（有/无OCSs电动船舶、有/无OAS氨船舶、重油船）在成本、排放、载货量、航行时间的评分。无中途补给时，电动船舶适于0-1,400公里短途（如鹿特丹-安特卫普），超此范围因电池骤增评分下降；重油成本与距离无关，燃料消耗恒定；氨船成本在10,000公里内稳定，超此因能量密度低（仅重油1/3）需扩油箱，减货运收入，故中程选氨，长途（>10,000公里）重油占优。有海上站点后，电动船经济范围达6,933公里，氨船通过多OAS解决货空间问题，超6,933公里具经济性。电动船和氨船可替代所有航线重油船，短途（<6,933公里）电动船成本低7-126%，长途氨船低5-49%（比重油低5-27%）。

讨论

优化OCSs和OASs的选址与规模，可为电动海运船队提供中途停靠点，将长途航行分解为短途绿色通道。这能减少电池尺寸，增加货运空间，降低前期成本并提升航运收入。此外，它支持海上可再生能源的本地利用，即便在碳密集电网地区也能提供绿色电力，减少海上电力传输和弃电需求。

本研究存在若干局限性。首先，模型包含的假设可能随时间演变。例如，浮动平台技术若成熟，可使水深超 2,000 米的 OCSs 安装成本可行。此外，电池、氨、氢及其他可再生燃料成本可能波动，改变燃料优选。其次，分析基于补充表 15 详述的 34 条代表性航线，未完全涵盖全球海运的复杂性，尤其是低流量航线。第三，当前研究基于现有航线，未探讨重新设计航线的潜力。改道可能利用浅水区并实现 OCSs 跨航线共享。例如，低流量航线如上海-胡志明，可通过调整航路共享繁忙航线（如上海-新加坡）的 OCSs。

未来研究需探索的技术进步包括深水浮动平台以提升海上充电可行性，以及高功率快充设备以缩短充电和排队时间。在航线方面，可进行更大规模的全球分析，并研究重新设计航线以利用浅水和海上可再生能源。战略性改道可实现 OCSs 基础设施跨航线共享，提高经济性。在燃料类型上，可评估氢或高级生物燃料等替代方案的效率，扩展电动和氨解决方案。此外，需研究 OCSs 在恶劣天气下的可靠性（如核能便携充电站）及对生态敏感海域的影响。

方法

模型的地理空间数据

我们优化了OCSs的地点、发电容量、电池储能系统（BESS）容量和充电功率，以及各航线电动船舶（ESs）的电池尺寸。研究中使用的数据包括每条航线的风速、太阳辐射、水深和波高、航线交通量以及船舶参数。风速和太阳辐射数据来自NASA兰利研究中心，空间分辨率为0.5°×0.5°；水深数据来自GEBCO，空间分辨率为0.1°×0.1°；波高数据来自NOAA ERDDAP，空间分辨率为0.5°×0.5°。

海上充电站规划模型

模型的目标是最小化船舶的总推进成本（TCP），以每公里平均推进成本表示。决策变量包括：(1) 每个海上充电站的浮动风力涡轮机、浮动光伏（FPV）、储能系统和充电设备的地点及容量；(2) 每艘电动船舶的电池尺寸；(3) 每艘电动船舶的充电时间和海上充电站选择。电动船舶的总推进成本由以下部分组成：能源成本（包括海上和岸上充电成本，其中海上成本涵盖浮动风力涡轮机、浮动光伏、储能系统、充电设施及浮动平台的投资，岸上成本为冷铁电力成本）；改装成本（主要为船舶电池折旧成本）；效率成本（由电池尺寸变化导致的额外货运空间利润或成本）；资本成本。对于重油船舶和氨燃料船舶，能源成本通过燃料消耗量乘以燃料价格计算，氨燃料船舶假设改装成本可忽略。

模型约束包括：(1) 电动船舶停靠海上充电站的路径约束；(2) 时间约束；(3) 能源消耗约束；(4) 海上充电站的充放电约束；(5) 与位置相关的安装、系泊和变电站成本约束。为比较不同船型的成本差异，我们基于结果计算每兆瓦每公里的单位成本，海上充电站成本按各船型充电电量分配。

碳排放计算

每条航线的碳排放基于2020年电力碳排放强度计算，以电动船舶每公里平均碳排放表示。排放强度预测基于2020年历史数据及2025-2050年间各地区（亚洲、欧洲、美洲、中东、澳大利亚和非洲）的平均电力碳排放强度预测，结果按大陆预测数据比例换算。

电动船舶的额外航行时间与货运空间

电动船舶的额外航行时间以其总航行时间与对应重油船舶航行时间的比率表示，包括停靠、排队和充电时间。船舶按类型分类，同一类船舶假定速度相同。额外货运空间分为集装箱船和散货船分析：集装箱船以额外标准箱（TEU）数表示，基于电池体积能量密度与重油船舶燃料舱容量比较；散货船以额外重量表示，基于电池重量能量密度与重油密度比较。额外货运能力以电动船舶与重油船舶总舱容量的比率表示。

氨燃料船舶与海上氨站建模

我们通过计算每公里总推进成本比较氨燃料船舶的经济性。目前海上氨站（OAS）仅处于实验阶段，但类似技术（如海上绿色氢生产平台）已见报道。我们假设海上氨站可作为海上能源枢纽为船舶加油，其设施包括低温蒸馏、电解、反应器、压缩机、加热器、分离器及氢/氨储存系统，而非电池储能和充电设备。