船舶EEOI影響因素及節能技術新發展

上海海事大學商船學院輪機工程系 方佳琦 曾向明

一、前言

隨著世界航運的迅速發展，船舶大型化、速度化、集中化、自動化的趨勢越來越顯著突出。然而，由此而帶來的諸多問題也隨之凸顯。首當其沖的即為船舶溫室氣體（GHG）排放的問題。2000年，國際有關溫室氣體排放研究表明：航運業的CO2排放量只占世界總排放量的1.8%，這意味著船舶CO2減排10%才可以使世界總排量下降0.2%；2009年國際海事組織（IMO）溫室氣體研究卻顯示了一組堪虞的數據：2007年航運業CO2排放總量為10.46億噸，占當年世界排放總量的3.3%。據預測，如果沒有采取相關政策和措施，2050年的船舶溫室氣體排放總量可能達到20億噸，占世界CO2排放總量的12%—18%[1]。

因此，采取相關政策和技術措施降低船舶CO2的排放量刻不容緩。

CO2的排放量公式[2]如下：

其中：

ECO2為CO2排放率；

mcargo為貨物運輸量（t）；

D為貨物運輸距離（km）；

由上公式可看出，在貨物運輸量和運輸距離不可控的前提下，減少CO2排放總量的有效途徑只能是對CO2排放率加以控制。

2009年8月17日，IMO海洋環境委員會（MEPC）第59次會議同樣通過了MEPC.1/Circ.684號決議。此決議規定了船舶能效營運指數（EEOI）在船舶營運過程中的應用，即用此項指數作為評價船舶在營運過程中CO2排放是否符合標準。EEOI是船舶能效評估的有效手段，它與燃油的消耗有直接的關系。

筆者針對目前形勢進行了有關資料的查閱，對比當前國內外研究現狀，總結出EEOI的影響因素以及各國節能技術的新發展。

二、EEOI的影響因素

根據IMO第MEPC.1/Circ.684號決議可知，船舶能效營運指數（EEOI）的計算公式如下：

CFj為CO2排放因子；

mcargo為貨物運輸量；

D為貨物運輸距離；

由實際情況可知：貨物運輸量和運輸距離是不可控的。因此，船舶營運指數（EEOI）的控制便與CO2排放因子和燃油的實際消耗量有著密切的關系。其中CO2排放因子與燃油種類有關，可采用新型能源如液化天然氣（LNG）或風能；而燃油的實際消耗量則與航行中的航速、船舶首尾吃水差、船體的清潔程度等因素有關。接下來我們便對以上影響因素做具體分析。

（一）航速

我們知道，在確定貨物運輸距離和運輸量的前提下，船舶燃油的總消耗量主要包括三個部分：主機燃油消耗GME、輔機燃油消耗GAE和鍋爐燃油消耗GB，而它們之間的關系如下：

其中：gME、gAE、gB分別為主機、輔機、鍋爐單位時間燃油消耗量，即燃油消耗率；

t為時間；

又單位時間燃油消耗量（燃油消耗率）公式如下

其中：

C為常數；

V為船速；

D為船舶航行距離；

將②、③兩式代入①中可得：

則每海里燃油的總消耗率即為：

由上式進行MATLAB擬合可得圖形如圖1所示：

圖1：燃油消耗率與速度曲線圖

因此由上圖可見存在一個最小值Vm使得船舶燃油消耗率最小，即在保證船舶運期的前提下，應盡量使船舶的實際速度接近最優速度值VP來降低船舶營運指數，從而達到降低船舶能效的目的。而且根據IMO報告表明：船舶速度每下降10%可以使廢氣排放降低19%[3]。由此可見，船速優化對降低CO2的排放是十分顯著的。

（二）船舶首尾吃水差

經實驗證明，船舶的首尾吃水差能夠影響船舶周圍水的流動[4]。有經驗的船員都知道：船舶尾傾比首傾能夠更好地調整船舶姿態并達到降低能效的目的。實際上根據干舷高度（或吃水深度）和船速，對于一艘特定的船舶而言都有一個或多個最佳首尾吃水差。一般情況而言都是通過多次試驗的方式找出最佳吃水差使船舶能效達到最低。據研究表明，通過調節首尾吃水差這種方式可以節省1%的燃油消耗量。

（三）船體清潔程度

在降低CO2排放的方法中，保持船體、舵和螺旋槳的清潔是十分重要而且操作性強的方法。船舶在長期海上航行的過程中，舵、螺旋槳和船體是最容易受到海水腐蝕的部分。據IMO調查報告顯示，保持螺旋槳、舵和船體清潔可以最高節約5%的能源消耗[5]。許多船東都通過對螺旋槳和船體的定時維修和視情維修來保證船舶的正常運營狀態，此種維修方式可以有效地減少船舶阻力、延長塢修的間隔時間，從而節約經費。此外還可以通過在船舶表面涂裝節能油漆來降低船體的粗糙程度、減小船舶阻力，達到優化船舶能效的目的。

三、節能技術新發展

（一）最佳吃水差計算軟件

近年，針對調節船舶首尾吃水差以謀求降低船舶能效、提高EEOI值的研究正逐漸走入人們的視野。丹麥的FORCE Technology公司研發出一項可以通過輸入船型、排水量、船速等條件便可快速計算出該船最佳吃水差的軟件—SeaTrim2.0[6]。該軟件主要通過CFD軟件的模擬仿真，并對100—150艘船舶進行實際情況下調研和驗證，是一種基于理論基礎上的仿真軟件。

然而在實際情況下，影響船舶周圍水流場的因素不單單包括船速和排水量，風、浪等因素對其影響也很大，因此理論仿真的準確性令人擔憂。人們更加傾向于尋找更加精確的、能夠反映實際情況的實驗性方法。德國公司LEMAG研發出一種能效分析系統SEEAmag[7]，該系統通過安裝燃油流量計和軸功率測試儀能夠持續的對船舶的燃油消耗量和軸功率進行監測。船員在調整船舶首尾吃水差的同時觀察燃油消耗量和軸功率，隨之找出合適的首尾吃水差。

（二）節能船體油漆

船舶在使用一段時間后，在船體表面會形成銹蝕。加之藤壺等水生物的附著，會破壞船體表面的光滑度、增加船舶阻力，進而降低船舶能效。所以定期清理銹蝕及附著的水生物就變得尤為重要。目前，比較實用的技術是采用節能船體油漆。涂裝油漆的船體表面十分光滑，平均船體粗糙度超低，不沾污和靜態防污性極好。這使船舶在長期的營運中能夠保持很好的清潔度，減少阻力及燃油消耗量，降低EEOI值，優化船舶能效。

（三）吊艙式CRP

轉矩在由柴油機傳遞到螺旋槳的過程中一定會有損失，怎樣將這一損失降到最低是相關研究人員一直探究的問題。目前較為先進的科技為吊艙式對轉螺旋槳（亦稱“吊艙式CRP”）。吊艙式CRP應用電力推進，將電力推進器裝于可以360o旋轉的吊艙之內，代替原有的舵機裝置，同時可以實現對船舶的推進。通過安裝吊艙式CRP，可以降低約5%—10%的推進功率，即可以節約燃油消耗。如圖2所示為由芬蘭ABB工業公司提出的Azipod吊艙推進裝置結構示意圖[8]。此吊艙模塊安裝于標準螺旋槳之后，其二者之間沒有任何物理連接。在船舶航行時，吊艙式CRP的旋轉方向與主螺旋槳相反，這樣可以更加合理地利用水利效果從而獲得更大的水動力，最終達到節約能效的目的。據研究，ABB公司的吊艙式CRP可使水動力效果提高10%[9]。

圖2 Azipod吊艙式推進裝置結構圖

（四） 廢熱利用

我們所熟悉的廢熱的利用裝置應該就是船用輔鍋爐和渦輪增壓器了。其實許多研究都已經表明：由燃油燃燒所產生的廢熱中蘊藏著大量的能量，我們目前所能利用的廢熱能只是其中很少的一部分，如果將這些能量盡可能收集起來并更加合理的利用，達到降低EEOI值的目的是可以預期的。如圖3即為一個廢熱利用的裝置原理圖[10]。由主機排出的廢氣經過渦輪增壓器進入廢氣渦輪，該廢氣渦輪與蒸汽渦輪一起驅動一臺發電機，以供全船用電使用。船舶滿載時，額外產生的電能可以通過直接作用在螺旋槳軸上的電力驅動設備為船舶提供動力；在主機低負荷運轉時，利用廢熱的發電機可以和柴油發電機并行接入電網。據研究，通過這種方式可以節約12%的能量消耗。盡管這種方法對營運船來說增加成本、得不償失，但對新造船來講則是一項可以參考并實踐的新技術。

圖3 廢熱利用裝置原理圖

（五） 新型能源的利用

隨著世界原油儲量的日益枯竭，尋找可能的燃料代替燃油是近幾年來有關人員一直追尋的目標。目前國內外研究的主要對象包括液態天然氣（LNG）、風能。

1. 液態天然氣（LNG）

燃用LNG代替燃油的思想可以追溯到上世紀60年代，最初是使用在LNG運輸船上，但直到本世紀初才逐漸應用于其他類船舶上。毫無疑問，與其他燃料相比LNG最主要的優點就是清潔。其燃燒后排出的廢氣對環境的污染最小，可以滿足日益嚴苛的相關國際規定。在原油資源告急的今天，LNG是最合適的代替燃料；其次，LNG的市場價格比普通燃油的市場價格低，在降低船舶能效、提高船舶營運的經濟性上具有很大優勢。雖然改造LNG燃料船需要一定成本，但是經預算在幾年之內是可以收回的。目前國際上建造LNG燃料船最多的是短途沿海航行的渡輪，我國在“十二五”期間預建7500座LNG加氣站[11]，力求在此期間把長江、沿海的渡輪、貨輪改造成LNG燃料船，減小船舶尾氣對沿岸城市人口的危害。據有關資料表明：燃用LNG后可以降低15%的CO2排放量。由此可見，LNG燃料船的利用前景是相當廣闊的。

然而，要使LNG燃料船能像目前普通燃料船一樣得到普遍使用還任重道遠。一系列問題亟待有關人員解決，其中包括：LNG的儲存、運輸、港口LNG加氣站的建立、LNG的補給等等。

2. 風能

風能是一種古老的動力源，人類在很早以前就開始對風能加以利用；風能是一種綠色、安全、清潔、可再生的資源，利用風能作為船舶的動力或輔助動力符合“綠色航運”的概念。目前，美國、日本、德國、丹麥等國都對風能助航進行了系統的研究。

圖4 “白鯨天帆”號風翼助航船（左）和UT WIND CHALENGER散貨輪風帆助航船（右）

風能助航的形式一般分為風箏式[12]和風帆式[13]兩種，如圖4所示。顧名思義，風箏式（風帆式）就是利用安裝在船體之上的“風箏”（風帆）作為船舶的輔助動力，節約燃料從而達到降低CO2排放的目的。世界上第一艘利用風箏助航的商船是德國的“白鯨天帆”號，該船于2007年從德國漢堡下水。據該船發明者史蒂芬·瑞吉表明：根據不同的風力狀況, “白鯨天帆”號可節省10%—35%的燃料，風力最理想狀況下甚至可節省50%的燃料[14]。

四、總結

綜上所述，為了符合IMO關于EEOI的相關規定，可以通過一些技術性和管理性的方法達到節約燃油消耗、降低EEOI的目的。具體措施及其可降低EEOI所占比例如表1所示：

表1 具體措施及其可降低EFOI比例表

由此可見：采用合理的措施可以有效地降低EEOI值。其中，在目前營運船中可以采取的措施包括航速優化、調整最佳首尾吃水差、保持船體清潔；在新造船上可以采取的措施包括優化螺旋槳及其伴流條件（即采用吊艙式CRP）、安裝廢熱利用裝置、利用新型能源代替現用燃油。

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[1]Marine Environment Protection Committee. Prevention of air pollution from ships (Second IMO GHG Study 2009) [R]. 2009.

[2]解玉真，張碩慧，韓俊松.EEDI對中國造船和航運業的影響[J].中國海事.2011，（11）：23—26.

[3] MEPC.1/Circlar.648—Guidelines for Voluntary Use of the Ship Energy Efficiency .

[4]楊劍文.航行船舶在淺水中的縱傾變化研究[J].中國水運（下半月）.2011，11(12)：1—4;

[5]Hull cleaning and propeller polishing, the most effective way to save both money and the environment.

[6]SeaTrim—trim optimization and dynamic trim http://www.forcetechnology.com/en/Menu/Products/Maritime-onboard-systems/seatrim-trim-optimisation-and-dynamic-trim.htm

[7]LEMAG SEEAmag http://www.lemag.de/seeamag.0.html；

[8]Azipod?Propulsion Azimuthing Electric Propulsion Drive

[9]張慶文.吊艙式CRP 推進系統發展及應用前景[J].航海工程.2007，（2）：57—60；

[10]IMO, Second IMO GHG Study 2009;

[11]十二五期間中國預建LNG加氣站7500座 http://www.askci.com/news/201308/21/211048367927.shtml

[12] [14]徐華. 全球第1艘“風箏船”首航大西洋[J].中國船檢.2008，（03）：77.

[13]周羽歡.新能源船溫暖寒冬[J].中國船檢.2013，（01）：62—65.