船舶能效設(shè)計指數(shù)解讀及溫室氣體減排措施分析

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(中國船級社 南京分社，南京 210011)

2011年7月11～15日，國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)在其英國倫敦總部召開了海上環(huán)境保護(hù)委員會(Marine Environment Protection Conference,MEPC)第62屆會議。會議以投票方式通過了包括EEDI在內(nèi)的《國際防止船舶造成環(huán)境污染公約》附則六有關(guān)船舶能效規(guī)則的修正案，確立了“船舶能效設(shè)計指數(shù)”(energy efficiency design index,ηEEDI)和“船舶能效管理計劃”(ship energy efficiency management plan,SEEMP)兩項船舶能效標(biāo)準(zhǔn)。這是第一個專門針對國際海運(yùn)溫室氣體(Greenhouse Gases, GHG)減排的強(qiáng)制性法律文件。船舶能效規(guī)則將于2013年1月1日正式生效。我國是《國際防止船舶造成環(huán)境污染公約》附則六的締約國，EEDI將對我國造船業(yè)和海運(yùn)業(yè)產(chǎn)生重大影響。

船舶能效規(guī)則適用于2013年1月1日及以后安放龍骨的400總噸位及以上國際航行船舶。修正案規(guī)定，締約國主管機(jī)關(guān)在修正案生效后，可自行決定推遲4年執(zhí)行船舶能效標(biāo)準(zhǔn)。

溫室氣體減排的必要性已為國際社會普遍接受，在此大背景下，航運(yùn)業(yè)的節(jié)能減排也逐步提上日程。

1 基本概念

1)船舶能效設(shè)計指數(shù)ηEEDI是衡量船舶設(shè)計和建造能效水平的一個指標(biāo)[1]，即根據(jù)船舶在設(shè)計最大載貨狀態(tài)下以一定航速航行所需推進(jìn)動力以及相關(guān)輔助功率消耗的燃油計算出的CO2排放量，ηEEDI越大，說明船舶能耗越高。ηEEDI可以簡單地表示為

(1)

式中：CCO2——船舶碳排量,CCO2包括所有主輔機(jī)、鍋爐等消耗的燃料所釋放的CO2總量,當(dāng)船上采用新能源技術(shù)時，新能源所產(chǎn)生的能量要從碳排量中扣除，具體根據(jù)船舶系統(tǒng)內(nèi)部的實(shí)際效率而定；

Dtw——船舶設(shè)計裝載量(視船型而定)×V設(shè)計(最大裝載工況及75%主機(jī)額定功率)。

①從公(1)中可以看出，船舶噸位越大，ηEEDI越大。

②V設(shè)計是一個與載重噸、CCO2相關(guān)聯(lián)的量，要從設(shè)計的角度改善船舶線型和螺旋槳的推進(jìn)效率，加強(qiáng)主機(jī)燃燒功率，優(yōu)化機(jī)-槳配合等。

③規(guī)則最大允許的ηEEDI為船舶的ηEEDI設(shè)計基準(zhǔn)值，船舶設(shè)計初期評估獲得的ηEEDI(稱為ηEEDI評估值)須小于ηEEDI基準(zhǔn)值。

④對于一些海洋工程船、固定式鉆井平臺、可移動式鉆井平臺(MODU)、浮式生產(chǎn)儲油裝置(FPSO)等速度很慢，或沒有速度的船舶，ηEEDI不適用；但是規(guī)則對于這些船舶的能效管理計劃(SEEMP)仍然有要求，但目前IMO尚未就此形成最終的實(shí)施文件。

2)船舶能效管理計劃SEEMP[2]，船舶能效規(guī)則要求船舶在設(shè)計階段達(dá)到ηEEDI指數(shù)要求；而在船舶運(yùn)營過程中，要求船舶經(jīng)營人建立一種有效的船舶能效管理機(jī)制，通過詳細(xì)的規(guī)劃、實(shí)施、監(jiān)控和自我評估與改進(jìn)五個步驟來不斷完善船隊的整個經(jīng)營結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，降低能耗。具體可通過優(yōu)化船舶航線，有效避開臺風(fēng)，合理優(yōu)化在航時間，確保及時到港并減少到港前的泊位等待時間等措施。

SEEMP是針對于現(xiàn)有船舶提出的能效概念，是一個統(tǒng)籌規(guī)劃的概念，著眼于全局，優(yōu)化的空間較單船更大，數(shù)學(xué)模型也更復(fù)雜。EEDI和SEEMP兩項標(biāo)準(zhǔn)的提出，督促船舶革新技術(shù)，提升船舶的科技含量，同時要求船隊內(nèi)部加強(qiáng)管理，合理降低能耗。從船舶運(yùn)營的角度，船舶能效規(guī)則有利于行業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展，既能節(jié)省成本，又能保護(hù)環(huán)境，一舉兩得。

3)船舶能效營運(yùn)指數(shù)(energy efficiency operational indicator, EEOI)，用于監(jiān)測和計算船舶碳排放。EEOI是船舶運(yùn)營過程中，能效管理計劃的具體監(jiān)控手段，并不是惟一的方式，如關(guān)鍵績效指標(biāo)(key performance indicators,KPIs)等經(jīng)認(rèn)可的等效監(jiān)控手段同樣可以采用。

SEEMP在能效管理上設(shè)定目標(biāo)，而EEOI對船舶能耗進(jìn)行定量的管理。

2 EEDI基準(zhǔn)的確定

EEDI的基準(zhǔn)值取決于船舶類型和船舶噸位

的大小。船舶能效規(guī)則規(guī)定了以現(xiàn)有樣本船舶(英國勞氏費(fèi)爾普勒數(shù)據(jù)庫)的回歸平均值(50%符合率)為基線，確定了4個階段的ηEEDI折減率。其中對大于20 000總噸散貨船ηEEDI折減率的要求是，2013～2014年底為零，2015～2019年底為10%，2020～2025年底為20%，2026～2030年底為30%，見圖1和表1。

圖1 IMO關(guān)于EEDI基準(zhǔn)值分階段實(shí)施示意

船舶噸位越小，ηEEDI基準(zhǔn)值也越大。其它船舶的ηEEDI基準(zhǔn)還在進(jìn)一步研討當(dāng)中，具體就樣本空間及修正系數(shù)的問題，各國爭論較大。

目前的ηEEDI基準(zhǔn)著重反映發(fā)達(dá)國家的意志。發(fā)達(dá)國家在游戲規(guī)則的制定上享有充分的話語權(quán)，于是利用各種手段來限制發(fā)展中國家船舶工業(yè)的發(fā)展，提高國際船舶的準(zhǔn)入門檻，促使船舶及配套市場向歐美傾斜。日前ABB在東亞承接的巨額訂單，充分體現(xiàn)了科技創(chuàng)造價值、科技實(shí)力成就話語權(quán)的行業(yè)規(guī)則。

表1 不同船型的ηEEDI折減率時間表(來源：IMO)

注：*表示根據(jù)船舶尺度由小到大的折減率在這兩個值之間取線性插值；n/a表示不適用。

3 ηEEDI的評估

船舶能效設(shè)計指數(shù)評估主要包括ηEEDI前期評估(設(shè)計)和建造后評估(試航)。

3.1 EEDI前期評估

船舶設(shè)計階段的ηEEDI前期評估，設(shè)計單位應(yīng)形成EEDI技術(shù)文檔并提交相關(guān)審核方(船級社)進(jìn)行認(rèn)可。

目前IMO環(huán)境委員會尚未就船舶的EEDI評估公式達(dá)成共識，各國就適用范圍、客船和滾裝客渡船(電力功率表)、電功率表導(dǎo)則、冰區(qū)加強(qiáng)、氣象系數(shù)(fw)、基線等展開了討論。IMO后續(xù)將開展EEDI評估公式的完善工作，可能就大型油船和干散貨船提出專門的ηEEDI評估公式，遺留問題有望在MEPC.63屆會議上形成最終實(shí)施文件。以下是目前IMO初步提出的ηEEDI評估公式。

(2)

式中：f1——冰區(qū)加強(qiáng)主機(jī)能耗修正因子，無冰區(qū)加強(qiáng)取1.0；

f2——冰區(qū)加強(qiáng)船舶噸位修正因子，無冰區(qū)加強(qiáng)取1.0；

feff——能效創(chuàng)新因子，采用廢熱回收系統(tǒng)時取1.0，其他新能源、新技術(shù)須經(jīng)船級社認(rèn)可和評估而定；

fw——?dú)庀笙禂?shù)，用于衡量風(fēng)浪流對船舶速度的影響，可通過船模試驗或經(jīng)驗公式得出；

NME——主機(jī)臺數(shù)；

NPTI——電機(jī)臺數(shù)；

PME——主機(jī)額定功率的75%，kW。

當(dāng)船上裝有軸帶發(fā)電機(jī)時,

PME(i)=0.75×(MCR-PPTO(i))

PME和Vref的取值方法見圖2。

圖2 PME和Vref的取值方法

PAE——正常最大海況下保證正常航行和人員居住所必不可少的輔機(jī)功率，包括主機(jī)泵、航行設(shè)備與船上正常生活所需的輸出功率，不包括船舶推進(jìn)以外輸出功率，如貨油泵、貨物裝卸、壓載泵和貨物維護(hù)(冷藏室和貨艙風(fēng)扇)等，PAE由下式?jīng)Q定。

(3)

對于客船，PAE應(yīng)按照全船除推進(jìn)以外的電能消耗量予以評估；

PPTO——軸帶發(fā)電機(jī)的輸出功率/軸帶發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率；

PPTI——75%×(motor)軸馬達(dá)額定消耗功率/發(fā)電機(jī)加權(quán)平均效率,軸帶發(fā)電機(jī)除外，電機(jī)的傳動效率所造成的能量損失也應(yīng)該考慮；

Peff——采用能效創(chuàng)新技術(shù)而降低的主機(jī)功率，kW；比如，燃料電池、太陽能、風(fēng)能、船舶線型優(yōu)化、螺旋槳優(yōu)化、廢熱利用等；

PAEeff——采用能效創(chuàng)新技術(shù)而降低的輔機(jī)功率，kW；

CF——無因次量，燃油CO2轉(zhuǎn)換系數(shù)，見表2。

SFC——75%額定功率下的特定燃油消耗率，g·(kW·h)-1，主輔機(jī)的SFC應(yīng)源于經(jīng)批準(zhǔn)的NOx技術(shù)文檔，可在產(chǎn)品檢驗時進(jìn)行校核；

Vref——船舶最大設(shè)計裝載工況下，主機(jī)功率為PME時的船舶深水航速，km/h，滿足一定的環(huán)境條件，如縱傾和平靜水域，具體確定見圖2,Vref、Capacity和PME是3個相互關(guān)聯(lián)的量;

表2 不同燃料的CO2轉(zhuǎn)換系數(shù)CF

DC——船舶設(shè)計裝載量，DC的確定見表3。

表3 DC的確定

為便于理解EEDI評估公式和評估方法，圖3展示了船舶能效消耗示意，其中虛線所囊括的部分為ηEEDI評估所需要計算的部分。圖中能源的走向、軸帶發(fā)電機(jī)和廢熱回收系統(tǒng)等能優(yōu)化整船能源結(jié)構(gòu)。

圖3 EEDI評估能耗示意

3.2 ηEEDI建造后評估

ηEEDI在船舶建造后評估在船舶試航時完成，試航時主要確認(rèn)的參數(shù)有①吃水和縱傾(裝載狀況)；②環(huán)境狀況(ISO15016:2002)；③航速(ISO15016:2002)；④主輔機(jī)的軸功率(ISO15016:2002)；⑤主輔機(jī)的特定燃油消耗率(SFC)。

最后繪出功率曲線(要求對速度進(jìn)行標(biāo)定)，并與設(shè)計階段的功率曲線進(jìn)行對比，如果有誤差，設(shè)計單位須根據(jù)試航結(jié)果對船舶ηEEDI重新進(jìn)行評估。以此參數(shù)及ηEEDI最終文件作為船舶檢驗發(fā)證的依據(jù)(見圖4)[3]。

圖4 EEDI評估確認(rèn)流程[3]

4 減排措施

1)技術(shù)性減排措施。船體線型優(yōu)化、氣膜減阻、推進(jìn)裝置及螺旋槳優(yōu)化(對轉(zhuǎn)槳、導(dǎo)流管、降低伴流分?jǐn)?shù)、改善進(jìn)流等)、發(fā)動機(jī)效率的提高、使用岸電、廢熱回收、使用新能源和替代燃料等，這些技術(shù)性措施從根本上減少船舶溫室氣體的排放，是實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排的主要手段。以上技術(shù)性減排措施是完善ηEEDI評估公式的主要依據(jù)。

2)營運(yùn)性減排措施。船隊減速、優(yōu)化輔機(jī)供電體系、氣象導(dǎo)航、JIT物流管理、提高裝卸效率、船體維護(hù)保養(yǎng)等營運(yùn)性措施在現(xiàn)有硬件條件基礎(chǔ)上，通過更高效的管理和運(yùn)作來提高營運(yùn)效率，從而實(shí)現(xiàn)溫室氣體的減排。MEPC.1/Circ.683號通函為船舶和船公司選取合適的減排手段和制定能效管理計劃(SEEMP)提供指導(dǎo)。其計劃實(shí)施的效果，則要參照MEPC.1/Circ.684號通函制定的EEOI公式來計算其能效營運(yùn)指標(biāo)。

3)基于市場的減排措施。基于市場，或制定相關(guān)法律體系，可對碳排放超標(biāo)者采取適當(dāng)?shù)膽土P性經(jīng)濟(jì)手段，促使污染者直接或者間接減少溫室氣體排放，主要包括碳稅及溫室氣體補(bǔ)償基金、排放貿(mào)易機(jī)制等。其本身并不能直接提高能源效率，也無法實(shí)現(xiàn)直接的溫室氣體減排，卻有助于提高節(jié)能減排的積極性，有利于實(shí)現(xiàn)減排成本的最小化，因此是技術(shù)性和營運(yùn)性減排措施的重要補(bǔ)充。市場機(jī)制的建立的復(fù)雜性導(dǎo)致IMO在此方面的討論進(jìn)程非常緩慢，但是在MEPC59制定的工作計劃中，已經(jīng)把基于市場的減排機(jī)制列為工作重點(diǎn)。

單船CO2減排的12種措施(部分)，及其所對應(yīng)的成本效益評估見圖5。圖5中1～9所對應(yīng)的面積越大，說明成本效益越高。其中航程優(yōu)化、主機(jī)監(jiān)控和船舶減速為營運(yùn)性減排措施(3種)，其它的為技術(shù)性減排措施(9種)，此數(shù)據(jù)不包含新能源等技術(shù)。

圖5 單船CO2減排措施對應(yīng)的轉(zhuǎn)化成本(數(shù)據(jù)來源：DNV)

從圖5中可以看出航程優(yōu)化、主機(jī)監(jiān)控、高效推進(jìn)裝置、氣膜減租、氣體燃料和廢熱回收幾種減排措施成本效益較高。國內(nèi)外就此也開展了廣泛深入的研究，從目前的形勢看，國內(nèi)研發(fā)投入還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

5 EEDI規(guī)則對我國船舶工業(yè)的影響

1)高能效標(biāo)準(zhǔn)對造船業(yè)提出了更高的要求。技術(shù)性減排措施的本質(zhì)，是提高船舶能源效率，這對我國造船業(yè)及相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)的科技創(chuàng)新提出了更高、更新的要求。目前，我國造船業(yè)正處于轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期，應(yīng)當(dāng)抓住機(jī)遇，加大研發(fā)投入，改革創(chuàng)新機(jī)制，改變增長方式，掌握造船工業(yè)的核心技術(shù)與關(guān)鍵技術(shù)，形成創(chuàng)新-市場-利潤三者之間的良性循環(huán)，加強(qiáng)知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，爭取在新一輪的洗牌中勝出，唯有不斷革新的高新技術(shù)才能贏得市場、才能贏得在國際海事組織中的話語權(quán)，才能成為游戲規(guī)則的制定者；否則，船舶能效等規(guī)則的出臺將會對我國的造船業(yè)及相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)形成一道技術(shù)壁壘，我國船舶工業(yè)也將受制于人。

2)節(jié)能減排措施對航運(yùn)市場的影響。造船成本提高，船方投資購置或者改裝船舶的營運(yùn)成本也隨之提高。此外，使用岸電、繳納碳稅等措施也會增加船方的營運(yùn)負(fù)擔(dān)。營運(yùn)成本最終會轉(zhuǎn)嫁給貨主，運(yùn)價的提高會削弱船舶相對于其他替代運(yùn)輸方式的競爭力。不同船舶達(dá)到同一能效標(biāo)準(zhǔn)所要付出的成本不盡相同，則會造成運(yùn)價競爭力的差異。我國目前船舶能效統(tǒng)計數(shù)據(jù)的缺乏，使我國船舶的EEOI與其他國家船舶相比的優(yōu)劣無法確定，此方面減排措施可能給我國帶來的影響暫時無法估計。但在高效物流管理方面，我們與發(fā)達(dá)國家存在一定差距，因此，我們可能會在船隊的高效管理方面付出更多的成本。

6 結(jié)論

綜上所述，我國船舶工業(yè)的發(fā)展，需要傳統(tǒng)工業(yè)的崛起，需要管理上的突破，更需要體制上的支撐。

1)建立、健全創(chuàng)新機(jī)制，加強(qiáng)知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，完善相關(guān)法律體系。

2)完善人才培養(yǎng)機(jī)制、完善人才引進(jìn)機(jī)制。

3)加大研發(fā)投入，引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備，改良國內(nèi)現(xiàn)有科研設(shè)施，加大對基礎(chǔ)研究的投入。

4)整合資源，強(qiáng)-強(qiáng)聯(lián)合，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)-學(xué)-研信息互動，建立三者之間技術(shù)聯(lián)動機(jī)制。可強(qiáng)化船廠、船公司與高校、研究所、設(shè)計院及產(chǎn)品廠之間的技術(shù)溝通與研發(fā)協(xié)作。

[1] Interim Guidelines on the Method of Calculation of the Energy Efficiency Design Index for New Ships. IMO MEPC，1/Circ.681[C]. London, 2009.

[2] Interim Guidelines for Voluntary Verification of the Energy Efficiency Design Index. IMO EPC.1/Circ.682[C]. London,2009.

[3] 張 爽,張碩慧.國際海運(yùn)溫室氣體減排趨勢及對我國的影響[J].中國海事，2010(2)：39-42.