我國綠色船舶發展展望

(中國船級社，北京 10007)

近年來，船舶所帶來的能耗和環境污染問題越來越成為關注的焦點。國際海事組織針對船舶節能減排的新公約、新規范的出臺，促使業界必須考慮如何更好地實現船舶的綠色發展。綠色船舶的內涵是通過采用先進技術，把傳統的使用功能和性能要求與新世紀的節約資源與保護環境的要求緊密結合，在船舶設計、制造、使用與拆解的全周期中，節省資源和能源，減少或消除環境污染，保障生產和使用者健康安全、友好舒適的新技術船舶。綠色船舶目標包括環境保護、船舶能效和工作環境。環境保護目標為減少船舶對海洋、陸地、大氣環境造成污染或破壞；船舶能效目標為提高船舶能效水平，減少船舶營運所產生的CO2排放量；工作環境目標為改善船員工作和居住條件、降低船員勞動強度[1]。綠色船舶是綠色環保、技術先進、安全適居、經濟最優的新型現代船舶。

1 IMO相關公約的“綠色”趨勢

1.1 國際防污染公約產生的背景及沿革

國際海事組織制定了一份關于防止船舶污染問題的全面的文件即《國際防止船舶造成污染公約》(《73防污公約》)，國際社會意識到《73防污公約》存在缺陷，導致國際海事組織在1978年通過了該公約的議定書，經1978年議定書修訂的1973年防污公約(現通常稱為《73/78防污公約》或MARPOL公約)奠定了船舶防污染的基礎。

最初防污的主要目標是船舶的油污染，國際海事組織(IMO)陸續制定相關的附則，逐步增加了防止船舶生活水污染、垃圾污染等相關要求。IMO于1997年出臺了針對船舶空氣污染的MARPOL公約附則VI,在該附則2005年進行了修訂,并于2008年10月正式通過。該附則主要致力于控制和減少船舶造成的空氣污染,伴隨著該附則的出現和不斷修訂，國際海事組織已從單純地防止海洋污染轉變為水空一體化的防治，從被動的、事故催發的公約制定向主動防控的方式轉變，并逐步形成IMO現有的、涉及環保的公約整體架構和完整體系。

1.2 國際公約的現狀和發展趨勢

伴隨著國際社會環保理念的不斷提升，國際海事組織適應國際社會的關注，海事組織及其環境保護委員會不斷制定和修訂與環境保護相關的國際公約。目前，已經制定和正在制定的相關公約總體情況如下。

1)MARPOL公約前面的相關附則近幾年沒有太大變化，但是附則VI防止空氣污染的相關要求不斷修訂，成為國際海事組織特別是環保委員會的最熱點議題，在2016年第70屆海上環境保護委員會強力推出了降低氮排放和硫排放的相關強制性標準，其中涉及硫排放控制的強制標準通過，但如何實施引起廣泛爭議，特別是低硫油的可達性、安全標準以及采取后處理裝置的方式和有效性等成為行業的焦點。同時適應降低碳排放的要求，2011年7月，國際海事組織(IMO)第62屆海上環境保護委員會(MEPC)通過了《在MARPOL附則VI中納入船舶能效新規則》(MEPC.203(62)決議)，從設計和營運兩方面提出了船舶的能效要求，目前船舶能效設計指數(EEDI)的第三階段將要實施，業界與此實施目標還有相當差距，特別是在散貨船和油輪的設計方面。2016年10月，通過對MARPOL附則VI的修正案(MEPC.278(70)決議)，規定了船舶燃油消耗數據收集系統的相關要求。2018年4月13日，通過《國際海運溫室氣體減排初步戰略》(MEPC.304(72)決議)，明確了未來海運業的綠色發展方向。溫室氣體減排的初步戰略核心內容：對海運行業應對氣候變化的行動做出總體安排，主要包括愿景、減排力度、指導原則、不同階段的減排措施和影響等方面。根據減排戰略設定的目標，2030年全球海運單位運輸活動的平均CO2排放與2008年相比至少應降低40%；到2050年，努力爭取降低70%。減排戰略分短、中、長期3個階段規劃減排措施。短期候選措施主要包括完善現有能效要求框架、研發能效技術、制訂能效指標、制訂海運減排國家計劃、優化航速、減少港口排放、研發低碳或零碳替代燃料等；中期候選措施主要包括實施替代低碳或零碳燃料項目、實施高能效技術或措施、引入市場機制等其他創新減排機制、開展技術合作和能力建設等;長期候選措施主要包括開發和使用零碳燃料，以便海運業對在本世紀下半葉實現去碳化的可行性進行評估。

2)針對壓載水對水體生態系統產生危害，以及對公眾健康構成的威脅，IMO于2004年通過了《壓載水公約》，但是由于公約通過后有關技術成熟度和有效性、設備的驗證試驗以及實施后的港口國檢查的手段和標準等一直爭議不斷，該公約直到2017年9月8日才生效。

3)2009年通過了關于安全和無害環境的《香港公約》，涵蓋了船舶的設計、建造、運營和維護，以及船舶拆船的準備工作，以促進安全和無害環境的拆船，同時不影響船舶安全和運營效率。《香港公約》主要包括減少有害物質使用、有害物質清單審查、拆船廠選擇、拆船計劃編制、拆船信息遞交等方面的規定，使綠色理念貫穿船舶的全生命周期。

4)對環境要求的提升主要表現在：船上人員工作環境和水下環境。IMO海上安全委員會(MSC)第90次會議批準了《船上噪聲級規則》修正案，要求減少船上噪聲水平，也要求采取對人員噪聲保護措施。IMO還通過《減少商船水下輻射噪聲導則》要求，考慮水下噪聲對海洋生物的影響。為滿足要求，要優化設計、提高造船工藝水平，選擇低振動噪聲機器設備、隔離噪聲源、以及采取減振降噪措施。

從目前涉及環保領域的公約出臺和實施中，應注意到相關國際公約制定和實施的變化趨勢并高度關注。

(1)國際公約已經從被動、事后制定的初級階段轉變為主動預防，由以前單純關注海洋污染向水、空、生物保護全方位的污染防治的方向發展，從空氣污染的防治向低碳、減少溫室氣體排放的方向發展，由原來的終端污染防治向整個全生命周期全過程的系統防控轉變，實現從防污染到“綠色”的轉變。

(2)國際公約正在按照目標型標準進行重新架構，國際公約不僅體現在目前實施的強制性要求，同時設定未來的減排目標，以引導技術創新和行業發展，正在轉變為目標導向的公約框架，這將是公約的重大變化，需要業界盡快適應，提前布局。

(3)與環保相關的國際公約推進力度在不斷加大，相關公約的推出在加速，公約制定時更關注國際社會的關切，行業的可實現性關切不夠，政策層面的考量多于技術的可達性和成熟度，因此公約實施中所帶來的技術上、經濟上的不可預見性和不確定性在增加，各方實施難度加大。

(4)公約制定的是限制性的標準，并不關注具體的實現路徑，也不可能對何種技術或措施合規做出強制規定，但允許使用經認可的任何等效合規的措施，存在實施路徑的多樣性。因此，更需要在實施準備時多了解公約的背景和可能采取的路徑，提前做好綜合研判。

(5)防污染公約與海上人命安全公約不同，考慮到不同水域的環境敏感度，防污染公約從出臺就有對特殊水域的特殊要求，目前這種趨勢還在逐漸增強。同時由于各區域組織和各國政府不斷出臺相關的環保政策法規，因此船舶在實施環保要求時，既要關注國際公約以及國際公約中不同水域的特殊要求，同時也要關注船舶可能航行的水域相關地區和國家政策和法規。

2 綠色船舶技術應用關注點

1)由于EEDI第三階段實施日期的逐漸臨近，依靠現有的成熟技術無法達到EEDI第三階段氣體排放控制的要求。因此，如何實現這一要求成為國內外相關的技術研究和技術實施的重點。

(1)繼續現有的減排技術研發和應用挖潛，主要技術路線仍為優化船舶設計，采用低阻船體主尺度與線型優化設計、船體上層建筑空氣減阻優化設計，船舶航行減阻技術和船舶高效推進技術；船舶優化設計減輕船舶的自重，在滿足安全性和使用性的前提下，通過船體結構優化，減少結構的用量以及設計優化，降低系統設備重量，采用輕質復合材料替代傳統的鋼材。目前這些較為成熟的技術應用在減少排放、提高能效方面有積極作用，但對實現EEDI第三階段目標要求貢獻有限，僅依靠這些技術無法達到EEDI第三階段的目標[2]。

(2)在現有動力的基礎上，利用風能和太陽能作為輔助動力系統，達到節能減排的目的。目前利用風力助推系統已經開始應用嘗試，如大連船舶重工集團有限公司牽頭的風帆-主機混合動力推進系統，完成了風帆在超大型油船上的示范應用，馬士基油輪與相關方在其LR2成品油船上安裝的Flettner Rotor風帆試應用。但相關技術的成熟度、風力的不穩定性以及整體的經濟性和EEDI貢獻度的評價等因素還有待進一步探討，船舶風能利用尚在起步階段[3]。太陽能電池的光伏轉換效率以及船舶可安裝光伏電池組的有限甲板面積等問題仍是制約其在船舶推廣的重要因素。因此，目前利用風能和太陽能可以實現船舶節能減排，但仍然不是實現EEDI第三階段的主要手段，即使與上述(1)所述的設計優化技術組合應用，仍然無法達到目標要求[4-5]。

(3)在目前成熟的技術尚不能達到EEDI第三階段減排目標的前提下，需要探索采用新型高性能降阻涂料、氣膜減阻或微氣泡減阻等技術。上述技術可以在實現EEDI第三階段方面有較大的貢獻度，但是技術的成熟度、工程應用、船型的適用性以及技術實施的經濟性等方面還有相當的不確定性，目前仍處在探索階段，急需開展工程實踐應用和驗證研究[6]。

(4)LNG動力經過十余年的發展和應用，技術已經日漸成熟，工程應用越來越多， 目前已建立起涵蓋LNG運輸、儲存、加注和利用各環節的LNG水上應用規范標準體系。國內外相應的LNG加注船、LNG岸基加注站等正在規劃實施中，正在形成較為完整的LNG動力服務體系。以LNG為燃料不僅可以完全滿足硫排放的要求，同時可以實現減排，相對而言在實現EEDI第三階段方面貢獻度較大。分析認為，可以通過與(1)的設計優化相結合，可基本達到在實現EEDI第三階段的減排目標。因此，預計未來天然氣在船舶領域的應用將迎來快速增長期。

2)綠色智能技術的應用。伴隨著智能技術在船舶的快速應用，借助智能技術助力船舶的綠色發展是智能船舶應用的主要方向之一。目前綠色智能技術的應用主要包括智能航行和智能能效。通過對船舶航行狀態、耗能狀況在線監測、評估，并基于風險分析、大數據分析、數值分析及優化，為船舶提供航速優化、航行姿態優化、最佳配載、航線優化等輔助決策建議。還包括智能技術在航運產業鏈的整體應用，通過大數據、物聯網、人工智能等技術與航運業的深度融合，通過物流組織及航運的資源優化配置等，實現行業和企業組織整體的綠色減排目標[7]。

3)減振降噪方面的技術應用，一方面是提高船上工作人員舒適性，減少噪聲等污染，通過聲振控制、設備隔振、艙室舒適性設計、結構聲學設計、螺旋槳噪聲控制等技術實現船舶降噪。另一方面是減少水下噪聲對海洋生物的影響，通過改進設計、改進建造工藝等技術應用，減少船舶噪聲對水下環境的影響。目前，相比船舶的噪聲控制，減少水下噪聲的控制、試驗和驗證方法等相關技術尚不成熟。

4)《香港公約》的實施重點不在于拆船，在于中國的船舶設備的設計和建造需要全方位地滿足《香港公約》的相關要求，特別是一些非船用設備和備品備件需要滿足公約的要求。對于航運公司，應重點關注日常的船用設備維護以及備品備件的供應如何確保符合公約的要求。

5)船舶操作方面，新船EEDI能效指標僅是階段性目標，后續碳排放衡量方法是綜合性的，涉及船舶營運能效。船舶應按照能效管理手冊SEEMP，從計劃、執行、監測、評估與改進以及船舶運營能效最佳操作實踐等實現節能減排。需要提升營運船舶污染物和碳排放的檢測、評價的技術能力，需要建立集設計能效指數、船舶運營能效、船舶燃油消耗、排放等數據的收集、整理、計算、分析、評估、監測與管理于一體的管理系統。同時還要加強能效和排放數據分析和應用能力。船隊管理、船上能源綜合利用、物流及航運的資源配置、運力的合理組織是航運綠色發展的重點。

3 未來綠色船舶的主要發展方向

3.1 清潔能源應用

廣義清潔能源的含義，既包括不產生或極少產生污染物的可再生能源，如太陽能、風能、生物能、水能、地熱能、氫能、海洋能等，也包括使用低排放的化石能源(如天然氣等)和核能等。

探討清潔能源的船舶利用，既要考慮到清潔能源的技術成熟度，更要考慮船舶利用該清潔能源的可行性和環境適應性。因此，一些清潔能源可能無法成為未來船舶應用的主要能源形式；核能從技術成熟度和能量密度都適合成為船舶的主要能源，但是考慮到安全和船舶抵達港民眾的接受程度以及海上環境的惡劣性，因此核能也不應作為未來的船舶主要能源。其他相關可利用的潛在清潔能源分析如下。

1)LNG燃料。LNG應當成為近期清潔能源的主要方向，應當可以看作是實現船舶零排放的終極能源的“橋梁”。

2)氫能。氫是自然界存在最普遍的元素，存在于是地球上最廣泛的物質中。氫能發熱值高、燃燒性能好、燃燒速度快，而且燃燒生成的水還可繼續制氫，反復循環使用，幾乎是零污染，可以完全滿足國際海事組織制定的船舶零排放要求，應是目前可見的終端能源方式。

目前以氫為燃料的燃料電池的主要問題在于輸出功率較小，目前成熟的燃料電池的功率范圍只約350 kW，達不到船舶廣泛推廣應用；同時由于氫的燃燒特性和氣體爆炸極限，在儲氫、運輸和加注等安全性的解決方案還有相當的差距，需要大力推進相關技術研發和實驗驗證[8]。

3)生物燃料。生物燃料是由光合作用的可再生物質轉化成的燃料。從減排的角度而言，生物燃料對減少大氣中的二氧化碳含量及降低溫室效應極為有利，值得重點關注。但是生物生產對水資源和土地資源的需求，與糧食爭地的矛盾突出。

4)風能和太陽能。風能和太陽能作為船舶的輔助動力是可行的方向。

5)海洋能。海洋能是以潮汐、波浪、溫度差、海流等形式存在于海洋之中，從船舶處于海洋環境中，有效地利用海洋能應是方向，但是目前這方面的研究不夠，更沒有實際應用。

3.2 新型動力應用

1)氣體燃料發動機。氣體燃料發動機是天然氣的一個有效利用途徑，與同排量的柴油機相比，氣體燃料發動機動力性相當，環保優勢明顯；同時，氣體機相對技術比較成熟，船舶采用氣體機的推進方式與柴油機沒有大的區別，因此氣體燃料發動機的市場份額將不斷提高[9]。

2)混合動力。混合動力船舶是指配備了兩種或兩種以上動力源的船舶。為了適應多能源(如柴油機、鋰電池、風能、太陽能)以及多工況的運行特點，混合動力船舶得到廣泛關注，同時為了達到降噪的需要，以直流電推進為代表的混合動力船舶正在得到越來越多的應用， 特別是在海工作業船、科考船、客渡船、大型游輪等應有較多。目前相關的研究關注水位、水流速變化較大的內河船采用混合動力的經濟性，如果經濟性適合，同時又具有減排的優勢，將會得到廣泛的應用[10]。

3)電池動力裝置。隨著高能蓄電池、超級電容等新型儲能裝置的迅猛發展，以蓄電池或超級電容等為供電來源的純電動船舶已進入短航程的水上運輸領域。電池動力可實現與電動汽車同樣的性能，同時可避免柴油機產生的溫室氣體和噪聲對生態環境造成的污染和船員健康造成的傷害。但是，純電池動力在水運領域的應用和推廣存在諸如提升續航能力、增大推進動力以及延長儲能裝置使用壽命等技術難題，高能蓄電池的安全性成為關注點，需要進一步解決。氫燃料電池動力裝置作為未來的終端能源的動力裝置具有非常好的應有前景，但目前仍存在著船舶應有中的技術成熟度、電池單元的功率、氫存儲、運輸、加注等風險控制難點，需要進一步攻克，未來將成為理想的船舶動力裝置，特別是對于自主航行的船舶。