基于LCA的船舶能效模型構建及基線擬合*

蔡 薇 萬淑喬 梅夢磊 姜春光

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (高性能艦船教育部國防實驗室2) 武漢 430063)(天津新港船舶重工有限責任公司3) 天津 300000)

0 引 言

LCA在船舶行業的應用相對較晚，但船舶全生命周期研究一直在不斷開展.挪威船級社和奧散德大學采用簡化LCA方法對客滾船生命周期進行研究，旨在驗證將LCA方法應用于船舶生命周期環境影響評估中的可行性[1]；歐盟支持的“The Energy Efficient Ship”項目將LCA方法應用于船舶設計過程，幫助設計者識別船舶生命周期內主要排放問題[2]；蔡薇[3]提出了船舶綠色度的概念，建立了船舶綠色度評價指標體系，采用簡化生命周期的價值分析方法計算船舶綠色度；日本海事研究所對船舶建造及其營運階段進行了詳細的清單調查，開發了針對性的清單分析軟件[4]；周春峰等[5]基于ISO14040標準提出了船舶LCA技術框架，這是國內首次將LCA方法應用于船舶；Bengtsson等[6]參照ISO14040和ISO14044標準完成了船舶生命周期評價模型的構建，對比了船舶使用不同燃料對環境的影響；方蕾[7]借助LCA方法建立了船舶生命周期碳足跡時空模型.

近年來，國內外LCA研究和應用進入快速發展階段，但在船舶行業的應用仍存在很多的空白，當前正是開展深入研究的良機.目前船舶行業的常用能效指數EEDI，EEOI等，對CO2的排放量的考慮主要是船舶能源使用及燃料消耗這一最直接形式，且僅考慮CO2排放，而未考慮燃料整個生命周期中產生的排放，因而引入LCA思想與方法旨在更全面準確的計算與評測船舶能效.隨著IMO將排放控制區納入MARPOL公約附則VI及歐盟MRV機制的實施，當前國際上對航運業大氣排放物的控制已經不再局限于CO2，會有越來越多的排放物限制，嘗試將LCA-CO2，LCA-GWP作為當前能效測評工具的一種擴充.

1 當前IMO船舶能效評測體系的對比與分析

為了減少溫室氣體的排放，IMO也做了相應努力，實施技術和營運措施旨在推動航運企業的能效管理和溫室氣體減排.主要包括以下三個：能效設計指數(the energy efficiency design index,EEDI)、能效營運指數(the energy efficiency operational indicator,EEOI)及船舶能效管理計劃(the ship energy efficiency management plan,SEEMP).

1.1 當前的幾種能效評估方法

1.1.1船舶能效設計指數EEDI

EEDI是由船舶溫室氣體排放工作組第一次會議上提出的船舶CO2設計指數演變而來的.IMO在MEPC62屆會議上正式將其加入MARPOL公約附則VI中，對新造船的能效作了規定[8].EEDI是衡量船舶能效水平的重要指標，對于新建船舶，在設計初期和試航階段都需要對該指標進行驗證.若驗證滿足要求，可以投入運營，反之則淘汰.公式基本構架為

(1)

(2)

式中:分子部分為營運過程中CO2的排放量，包括設計航速滿載營運時主、副機的CO2排放量，以及能效創新技術對主、副機CO2排放量的修正；分母部分為設計航速下的總運輸量[9].EEDI數值的大小與船舶能效成反比.影響EEDI數值的主要因素是航速及其載重量，且采用節能技術也能減小EEDI數值，達到提高船舶能效的目的.

1.1.2船舶能效營運指數EEOI

EEOI為船舶在實際航行中所產生的CO2和所運輸貨物的總量之間的比值.船舶能效營運指數公式為

(3)

式中：j為船用燃料的種類；∑FCj為船舶航行中燃油的實際消耗量；CFj為燃燒1 t燃料j的CO2排放因子；mcargo為貨物運輸量；D為貨物的運輸距離.

由于運輸貨物的量及距離不可控，因此,EEOI與燃油消耗量及不同燃料的CO2排放因子有關.EEOI的值與船舶能效成反比.降低船舶航行速度、優化航行路線及減少船舶空載情況等措施可以提高船舶能效.

1.1.3船舶能效管理計劃SEEMP

SEEMP是基于著名統計學家戴明博士的PDCA循環概念，它是管理學中常見的一個模型.PDCA循環就是按照計劃、執行、監測和改進的工作程序進行項目管理，P,D,C,A分別為Plan,Do,Check和Action四個英文單詞的大寫首字母[10].IMO海上環境保護委員會(MEPC)通過了MARPOL公約附則Ⅵ修正案，將SEEMP納入了規范.SEEMP可分為策劃、實施、監測、評估改進四個執行步驟.

1.2 能效評測指數的對比分析

由于SEEMP對能效的測評不僅僅局限于船舶內部管理，還需要外部環境的配合，無法用量化方法衡準.主要針對EEDI，EEOI進行對比分析.兩者的相同影響因子集中在以下三個方面：

1) 船舶載重 不考慮滿載或空載情況，標定載重噸對EEDI影響較大；EEOI則與船舶載航比密切相關，載航里程越長，其值越小.

2) 航速 航速大小直接影響EEDI公式值；對于EEOI，相同航程時，航速大即所用時間短，CO2消耗量少，使EEOI值減小.

3) 主、副機 主、副機功率越大，相應EEDI值越大；EEOI主、副機及鍋爐的耗油量直接影響EEOI值大小.

EEDI，EEOI都針對船舶運行過程中使用燃料造成溫室氣體排放的情況，且將CO2排放量作為唯一衡量標準，對比見表1.由于建造等階段也會造成CO2排放，并且單一CO2氣體的排放并不足以代表整個溫室氣體排放情況，所以這兩個能效評測指數存在進一步的補充及改進空間.

表1 EEDI與EEOI對比

2 基于LCA的船舶能效模型構建

目前，IMO給出了船舶常用燃料的CO2排放系數，如果從生命周期的角度考慮的話，燃料生產過程中也會產生排放，而且產生這些排放的行為也是為船舶營運服務的，所以評估船舶能效時應把燃料生產過程考慮在內.大家都知道特斯拉一直以環保而著稱，但近幾年關于其爭議也越來越多，新加坡特斯拉Model S車主因排放過多CO2被罰款.而且國外研究LCA的學者從生命周期的角度對特斯拉的CO2排放進行了評估，結果表明：一輛特斯拉Model S在其15萬km的壽命中將以發電形式排放13 t CO2, 電池生產階段會產生14 t CO2，生產和拆解過程會產生7 t CO2，生命周期內共計產生37 t CO2，而與性能相近的柴油版奧迪A7 Sportback生命周期內排放的CO2約35 t，少于特斯拉電動汽車,因此，文中初步嘗試從生命周期角度出發，更全面準確的評估船舶能效.

2.1 LCA-CO2及LCA-GWP公式的構建

將LCA方法引入到能效模型的構建中，構建LCA船舶能效模型，在研究伊始適當簡化模型，將研究系統邊界限制在營運階段.此時，LCA能效模型與EEDI/EEOI指數的區別一方面在于LCA模型從燃料生命周期的角度出發額外考慮了燃料生產過程中的排放；另一方面，EEDI/EEOI僅考慮了CO2氣體的排放，而LCA可以考慮多種排放氣體，甚至可以考慮多種環境影響類型.相比之下，LCA能效模型的核算更加全面，更能反映船舶的環境性能.

在構建LCA能效模型時，提出LCA-CO2指數來衡量全生命周期中涵蓋燃料生產中的CO2排放問題.并且在EEDI，EEOI僅針對CO2氣體排放的基礎上，提出LCA-GWP指數，用來衡量船舶溫室氣體排放的能效水平.LCA能效公式為

(4)

(5)

式中：LCA-CO2為CO2排放的船舶LCA能效值；LCA-GWP為溫室氣體排放的船舶LCA能效值；i為航行次數；D為航行距離；GWP溫室氣體排放的特征化結果；mcargo為載貨量.

由于在船舶營運階段，排放的產生與船舶機電設備及所用燃料密切相關，參照EEDI公式引入修正因子后擴充為

(6)

LCA-GWP=

(7)

式中：l為機電設備的種類；h為溫室氣體種類；P為機電設備功率；G為耗油率；C為燃料生產過程CO2排放系數；F為燃燒過程CO2排放系數；fj為補償船舶特殊設計的修正系數；fi為對Capacity的修正系數;fc為艙容修正系數；fw為失速系數.

2.2 排放系數選取

所提出的LCA能效模型公式中，需求出燃料生產過程中的排放系數C及燃料燃燒過程中的排放系數F的值.排放系數是指排放物在某一活動下產生的比例，EEDI計算時IMO給出的排放系數是基于燃料的含碳量的量綱一的量轉化系數.由于在船舶生命周期內溫室氣體排放中，CO2，CH4和N2O三種占了排放總量的99%[11]，因此構建的LCA-GWP模型僅考慮這三種排放物.而表2～3為三種常用燃料：重油(HFO)、輕柴油(MGO)、液化天然氣(LNG)的排放系數[12].

表2 不同燃料生產過程對應的排放系數

表3 不同燃料燃燒過程對應的排放系數

在LCA方法中，通過分類、特征化借助全球變暖潛勢GWP將溫室氣體都轉化為CO2當量(CO2-eq)，作為碳排放的定量分析結果.表4為船舶溫室氣體排放種類及相應全球變暖潛勢.

借助表4的全球變暖潛勢將溫室氣體轉化為CO2當量(CO2-eq)，即將CH4，N2O排放因子轉化為CO2排放因子，對表2～3進行綜合相加，得到表5中數據.從該表結果看來，LNG排放因子偏大.LNG雖然作為清潔能源，組分較純、燃燒完全，但其并非零排放，不能減少所有排放物.文中僅考慮碳排放情況，為使LNG作為船舶燃料時更為環保，應該逐步解決CH4氣體的泄露問題.

表4 船舶溫室氣體排放種類及相應全球變暖潛勢

注：每1 g CO2排放對全球變暖的影響相當于1/GWPg其余氣體.

表5 不同燃料生產、燃燒過程中對應的排放系數

3 實船LCA能效模型排放基線擬合

前文提出了LCA能效模型的公式并選取了其排放系數，為驗證船舶LCA-CO2,LCA-GWP的計算值是否符合能效標準，需與基線值進行比較.基線值是船舶能效的衡量標準，計算值應小于或等于基線值.IMO的EEDI等基線值均是采用數據擬合的方法進行的.

3.1 實船數據來源

目前，我國正在營運的船舶中以散貨船、油船和集裝箱船為主，除此之外，其他類型的船舶多為小種類船舶，較難獲取大量有效的樣本.因此，選取航行于我國內河以及沿海、近海航區且總噸數不小于400的油船、集裝箱船和散貨船為研究對象，利用EEDI，LCA-CO2和LCA-GWP公式對不同船型和不同噸位的大量實船進行計算，并根據計算結果進行相應的排放基線的擬合，根據建立的排放基線，有助于了解我國現有入級船舶的能效水平，從而有針對性地對相應排放實施控制.

通過對CCS入級船舶錄中的船舶進行整理，從1990年起記錄在庫總噸數超過400的集裝箱船共有174艘，油船共有487艘，散貨船共有605艘.在研究時需要對采集到的樣本進行初步的整理和剔除，但過分人為的剔除數據會影響結果的客觀性，因此，在整理樣本時主要遵循以下兩條原則：①剔除關鍵船型參數缺失的樣本(如載重噸、主機功率、設計航速等)；②剔除船型參數明顯有誤的樣本.

經過整理后，最終得到847個有效樣本，不同船型的樣本分見表6.

表6 基礎船舶樣本數量統計

3.2 基線公式條件假設

由于目前沒有適用于LCA能效模型的基線公式，參照IMO提出的EEDI基線公式計算條件，在LCA能效模型基線回歸公式計算時做以下假設：

1) 參考EEDI基線式CO2排放系數取3.13，由于LCA能效模型中還需考慮燃料生產過程的排放，CO2排放系數取為3.399，考慮全球變暖潛勢GWP后溫室氣體排放系數取為3.524.

2)SFCME=190 g/(kW·h)；SFCAE=210 g/(kW·h)

3) 主機功率大于10 000 kW時副機功率PAE=0.025XME+250；主機功率小于10 000 kW時副機功率PAE=0.05XME.

4) 由于選取的有效樣本中的船舶基本上都不涉及共同規范和冰區加強等問題，因此功率系數fj取1.0，載重修正系數fi取1.0，同時也將失速系數fw取1.0.

3.3 LCA能效模型排放基線擬合結果

采用最小二乘法對不同船型的排放基線進行擬合.基線表達式為aΔc，a和c均為常數.表7為擬合所得的不同船型能效基線對應的a，c值和決定系數R2.由表7可見，油船和散貨船的基線公式決定系數R2均大于0.8，擬合效果較好；集裝箱船的基線公式決定系數水平較低，僅為0.37，主要是由可收集到的集裝箱船樣本太少，且樣本的離散度較大造成的.

表7 各船型不同能效指數的a和c值

圖1為基于采集到的船舶樣本擬合出來的不同船型的能效基線.圖2為三種船型LCA-CO2基線公式對比.

1) 由圖1的線條走勢可知，LCA-CO2和LCA-GWP指數的基線變化趨勢與EEDI基線變化趨勢一致，均隨著船舶載重噸的增加而減小.且服從以船舶載重噸為自變量的乘冪函數分布.

圖1 三種船型EEDI，LCA-CO2，LCA-GWP的基線公式擬合

圖2 三種船型LCA-CO2基線公式對比

2) 從橫坐標相同時三者縱坐標大小可知，當載重噸位相同時，LCA-GWP值最大，其次依次是LCA-CO2值、EEDI值.這是由于相比EEDI能效模型，LCA-CO2能效模型從燃料生命周期角度出發，考慮了燃料生產等額外排放因素，考慮船舶排放更為全面，而LCA-GWP能效模型在LCA-CO2能效模型基礎上額外考慮了CH4和N2O氣體的影響.

3) 由圖2可知，散貨船整體能效水平略優于油船且優于集裝箱船.其原因在于散貨船和油船航速較低，相應的油耗較小，且貨艙容積利用率高；而集裝箱船航速相對較高，油耗大，貨艙利用率低，故能效水平比較低.

4 結 束 語

通過研究探索了LCA在船舶能效評測方面應用的可行性：建立了LCA能效模型LCA-CO2和LCA-GWP，擬合了油船、散貨船及集裝箱船的排放基線.工作證明LCA方法不僅可用于船舶環境指標評估，也拓展于船舶能效管理評估，與IMO監管機制EEDI平行使用，可作為實用的補充工具，并且相比EEDI和EEOI，船舶LCA-CO2和LCA-GWP能效模型更加全面，且由于LCA方法在其他行業的廣泛應用，其結果還可以作為一個跨行業部門的環境性能指標.

從長遠來看，歐盟MRV機制旨在解決包括SOx和NOx等在內的所有排放問題，而且隨著IMO排放控制區的設立以及Tier排放規則的不斷更新，對船舶排放的要求越來越高，限制的排放物種類越來越多，而LCA能效模型與當前國際上航運業減排政策的走向是一致的.將LCA方法應用于船舶能效評估，拓展了思路，為制定更合理的船舶能效模型提供了技術方法.通過對CCS入級船舶庫中三大主力應船型的LCA能效模型基線的擬合，計算分析了我國當前入級船舶的在此指標體系下的能效水平，這也將有助于我國航運業防患于未然，在后續國際化船舶能效體系的實施中占據主動權.

但構造的LCA模型在研究探索中也發現了一些困難，如由于數據清單的搜集限制，此能效模型目前主要針對船舶營運階段船舶燃料所產生排放的生命周期分析，雖然比現今實施的船舶能效設計指數EEDI拓展了能效生命周期分析的廣度(燃料的生命周期過程數據)和深度(多種排放物質的計入)范圍，但尚待我國逐步建立更完善的全生命周期數據庫，再進行進一步的深入研究和完善.