船舶CO2 排放影響因素分析及優化措施研究

伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司， 上海 200438）

0 引言

溫室氣體是指具有讓太陽短波輻射自由通過， 同時能強烈吸收地面和空氣釋放的長波（紅外線）輻射，從而造成地層增溫功能的氣體[1-2]。 CO2是影響最大的一類溫室氣體，隨著對環境保護科學研究的日益深入，控制CO2排放、保護大氣環境問題已受到航運界的普遍關注[3-6]。

1 船舶CO2 排放的影響因素

船舶溫室氣體尤其是CO2的排放影響因素較多[7]。通過相關研究， 發現影響船舶CO2排放量的因素主要有以下幾方面。

1.1 船舶設計水平

從新造船舶CO2指數計算公式的分析中可以發現，在船舶設計過程中，對發動機優化、船型優化、使用節能技術等方面而言[8]，比較容易實現和控制減排目標，而且這是一種長期有效的措施。但對其技術要求較高，船舶建造成本勢必增加， 并且容易對發展中國家船舶行業構成技術壁壘， 所以在船舶設計水平和建造工業上應積極準備，接受挑戰，逐步提高其設計和建造水平，這是大勢所趨[9]。

1.2 船舶的滿載率

通常而言，載貨量越多，船舶CO2排放指數就越低，對環境損害越小。 而對于船舶企業來說，盡量滿載也是船舶公司實現利潤最大化的方法之一。 但由于航運市場的興衰是不斷變化的，而且受到全球經濟額的影響。 某些船舶如油船，因為液貨的特殊性，通常很難實現始終處于滿載航行的狀態[10]。

1.3 船舶燃料油的質量

由于燃油類型不同、成分不同、質量不同，因此不同品質的燃料油燃燒后排放的CO2量也明顯不同。 由于船用柴油機技術的日益進步及低質重油的價格優勢， 目前低質重油被普遍使用在現代遠洋船舶上， 其不完全燃燒和燃燒惡化會相應引起的溫室氣體排放量的增加。 而且，重質燃油產地不同，其實際燃燒效果也不盡然相同[11]。

1.4 船齡

船齡對CO2排放量影響較大。 隨著船舶使用年限的增加， 機器設備的老化， 尤其是鍋爐等設備換熱效率降低、主輔機的不完全燃燒加重，船舶污底的日益加重使得船舶航行阻力加大等都會使船舶油耗增加[12]。 當然，良好的船況可以通過良好的維護保養維持， 但隨著船齡的增長，船舶溫室氣體排放加劇的趨勢是一定的。

1.5 航線距離

對實測數據分析發現， 同一船舶航次越短船舶進出港越頻繁，而在進出港過程中，船舶單位油耗最高，特別是集裝箱船舶，表現尤為明顯[13]。

1.6 船速

航速的提高會導致油耗非線性的增加。 在實際船舶航運經營中，航速受各種因素影響，如貨主對貨物周轉周期的要求、保險費用、船舶及設備的折舊費用、船員及管理人員工資等， 所以很難一直保持船舶在最低油耗下運行[14-15]。

1.7 海況

潮流和風場是自然界客觀存在的現象， 也是船舶在海上航行的主要阻力。在實測數據中，船舶的油耗在逆流與順流航行中差別是很大的， 導致CO2排放指數也有較大的差異。特別是我國內河航行船舶，每航次油耗受此影響差異最為明顯[16]。

2 減少船舶CO2 排放的主要措施

通常而言，減少船舶CO2排放的措施總體如下。

2.1 提高燃油經濟性

（1）改進航線計劃，優化航線。

（2）通過和港口的溝通，縮短碼頭時間。

（3）優化航速。

（4）優化主機功率。

2.2 提高船舶操作性

（1）優化縱傾橫傾設計。

（2）優化壓載工況設計。

（3）優化螺旋槳設計[17]。

（4）優化舵系設計。

（5）重視船殼保養。

2.3 提高推進系統性能

（1）采用燃料電池[18-21]。

（2）采用電噴式主機。

（3）加強推進系統的維護保養。

（4）使用燃油添加劑。

（5）加強機器的自動檢測功能。

（6）采用廢熱回收技術[22]。

3 船舶改善CO2 排放措施的優劣勢分析

根據CO2排放的定義， 可以通過以下幾種措施而實現，并對其優勢及劣勢進行了分析。

3.1 優化主機特性

該方案可使主機在最高效率區運行，改善燃油消耗特性。 該方案的優勢為可以降低溫室氣體以及其他大氣污染物的排放。 該方案的劣勢使其實際效果往往受到限制。

3.2 使用代用燃料

使用類似天然氣、生物燃料等代用燃料，采用燃料電池等能夠有效減少船舶CO2排放， 在技術上應用到船舶還需要時間。 該方案的優勢使可以大幅降低船舶CO2排放， 如在大型船舶上直接使用在高溫燃料電池中的天然氣， 在小型船舶上使用燃料電池中的H2。 該方案的主要劣勢在于生物柴油的生產受到限制， 持續的生產會導致其他環境危害（如森林消亡和濕地破壞等）以及農作物漲價等現象。

3.3 采用岸電

目前在世界范圍內由部分港口實施， 發展具有良好性價比以及技術標準的高壓岸電。 該方案的優勢在于能有效減少CO2以及其他空氣污染物的排放， 并對改善當地空氣質量大有裨益，CO2減排效果取決于發電電源。 該方案的劣勢在于，符合船舶試用岸電的標準需要時間，這可能使得港口當局和船廠相關技術落后。此外，船舶靠港期間能源消耗很小，CO2減排總量受到限制。

3.4 使用風能作為推進動力來源

商船采用風帆和風板，以風能作為推進動力來源。該技術方案目前已經在試用，而且技術不復雜。該方案的優勢在于其具有良好的性價比、減排效果顯著。采用懸掛技術，對船舶只需進行少量改動。該方案的劣勢在于其使用與推廣仍有較高的技術含量， 同時會引發航運界的內部競爭。 同時該項技術是否成熟，仍需要進一步核準，風帆/風板轉換成商用還缺乏一定的標準， 這些標準在國際間實行還需要一定時間。

3.5 優化船舶CO2 指數

船舶到港后要求CO2指數相關計算數據輸入程序，每年向主管當局報告。該措施可以同時伴隨引入“經濟表（Econometer）”，計算反映船舶燃油消耗的最佳船速。該方案的優勢在于掌握相關數據，及時制定政策限制排放，如制定更有效和更經濟的燃油效率標準， 增加船舶的競爭力。 該方案的劣勢在于報告CO2指數并不會直接導致減排，同時要落實切實有效的指數計算方法。

3.6 改進交通控制、船舶管理、裝卸貨管理及能量效率

采取相關各項措施以在港口減少交通積壓和擁擠、優化靠泊、錨泊等時間。該方案的優勢在于其對節能和環保都有益處。該方案的劣勢在于，目前仍需要開展進一步研究，因為目前該方面很多要求主要出于自愿，難以強制執行。

3.7 經濟航速船舶航行速度

該方案對CO2的排放起著重要的作用，適當地減速，采取經濟航速可以有效地與其他幾項措施如氣候規劃及定線制等相結合， 以確保燃油消耗和船舶排放在每一航程均處于最小范圍。 該方案的優勢在于可以有效減少CO2排放，改進區域及全球空氣質量（減速4%可以減排約13%）。該方案的劣勢在于船舶始終低速運行可能導致運營等方面的問題，同時會導致船舶貨運量減少，更多的船舶運輸既定貨物會導致成本上升。

3.8 船舶設計方面的技術優化

可通過優化船體型線、選擇推進裝置、提高動力裝置效率、改進動力裝置（燃油噴射）以及減少船體阻力等，以減少CO2的排放，并長期有效。該方案的優勢在于可以減少新船約30%排放和舊船約20%排放。 該方案的劣勢在于其對現有船舶不經濟也不易行。 需要良好的設計考慮和試驗周期，動力裝置方面的改進對現有船舶不易實行，因為很多現有船舶已在燃油消耗和NOx排放方面進行了良好的平衡。

4 結束語

溫室氣體對于賴以生存的地球氣候有著重要影響，CO2是溫室氣體中影響最顯著的一類。 船舶作為水路運輸領域的重要載運工具， 考慮到日漸嚴苛的環境保護法規要求，針對其而開展的CO2減排研究勢在必行。