現有船舶能效指數的計算方法和評估結果分析

陳捷

【摘 要】 為使大型集裝箱船能夠適用現有船舶能效指數（EEXI），介紹EEXI的誕生背景、履約情況和適用的減排舉措，剖析EEXI的計算方法，根據某大型集裝箱船隊的評估結果比對評估方法，分析和計算關鍵參數――參考航速的選取，為應對法規生效提出建議。

【關鍵詞】 現有船舶能效指數（EEXI）;船舶能效指數（EEDI）;改進措施;計算方法;評估

0 引 言

現有船舶能效指數（EEXI）是對新造船相關的船舶能效設計指數（EEDI）概念的擴展，適用對象為現有船舶，其大多數程序與EEDI相同，僅對有限的設計參數進行了修正。本文根據國際海事組織（IMO）公開資料簡要闡述EEXI的誕生背景、履約情況和技術改進措施，重點對EEXI的計算方法和關鍵參數的選取進行全面分析，并以某大型集裝箱船隊的評估結果為例比對不同評估方法間的差異，分析影響因素，提出改進措施，為未來履約奠定基礎。

1 EEXI簡介

2011年，IMO在海事環境保護委員會（MEPC）第62次會議上批準了從新造船的設計角度提升能效水平的EEDI有關要求。隨著船舶能效研討的不斷深入，業界逐漸意識到需要兼顧全球船隊中大量現有船舶的碳排放問題。以2019年為例，在全球船隊產生的約8億t CO2排放量中，有67%的CO2排放量來自2013年1月1日前簽訂建造合同的噸位在400總噸以上的船舶，而這些船舶不適用EEDI。為提升這類船舶的能效水平，MEPC第74次會議提出了EEXI概念，并在之后對其進行完善。IMO在MEPC第75次會議上同意對《國際防止船舶造成污染公約》（以下簡稱《MARPOL公約》）附則Ⅵ進行修訂，為現有船舶引入新的技術標準，即EEXI。2021年6月，MEPC第76次會議決定EEXI于2023年1月1日正式生效。

EEXI是指在特定參考條件下，船舶單位距離運量所排放的CO2克數。這取決于船舶所安裝的發動機功率、主機和副機的特定燃料消耗以及代表燃料轉化為CO2的排放量。EEXI是一個設計指標而非操作指標，與過去年份的測量值無關，也無需上船測量，其僅代表EEXI的數值大小。同時考慮與EEDI相協調，EEXI的設計方案是作為短期減排目標的強制性技術方案，旨在以可控的技術方案實現船舶減排，側重于船舶自身減排性能的提升。

2 EEXI履約情況

根據《MARPOL公約》中EEXI的要求，每艘船舶都應按MEPC要求計算“達到的EEXI”，并附上EEXI技術案卷。如船舶EEDI已經驗證，且其“達到的EEDI”小于或等于“要求的EEXI”，則“達到的EEDI”可作為“達到的EEXI”。“要求的EEXI”值是根據不同的船型進行設定的，其折減率與EEDI參考基線相關，在EEDI第2階段和第3階段的折減率范圍內。這意味著EEXI的要求基本等同于2022年4月1日生效的新造船EEDI的要求。以集裝箱船為例，其EEXI折減率見表1。

由表1可以看出，對海運主力船型――集裝箱船的減排要求非常嚴格，EEDI修正案也將該船型第3階段的實施時間從2025年提前到2022年，其中12萬t≤載質量<20萬t的集裝箱船的EEXI折減率為45%，而原標準EEDI折減率僅為30%。

3 提高能效的技術措施

現有船舶的能效可以通過多種方式提高，具體取決于各船舶的情況。當前能夠使船舶的“達到的EEXI/EEDI”大于“要求的EEXI”的途徑有3種。

3.1 使用低碳燃料

生物柴油、LNG等低碳燃料的使用存在較高的應用門檻，從長遠看需要不斷提升技術成熟度，以實現實船應用與基礎設施同步發展。技術改造的高額費用制約了低碳燃料在老舊船舶上的應用，應在新建船設計時考慮使用低碳燃料。

3.2 限制發動機負荷和燃料消耗

（1）限制主機功率。限制主機功率的方法是對船舶的最大功率及其速度設置半永久可覆蓋的限制。機械限制的方式是通過金屬絲密封的機械止動螺釘限制可進入發動機的燃油量;更新后的電控方式是通過在主機電氣控制系統中運用軟件設置主機功率限值，從而限制主機功率。如果船舶在惡劣的天氣條件下運行，并且出于安全原因需要額外的主機功率，則可以解除限制。這兩項限制方法增加的成本可以忽略不計，但在通過限制主機功率來提高溫室效應氣體評級時必須評估最小推進功率，且不得低于IMO的最低推進功率。

（2）限制輸出功率。限制輸出功率的方法是通過監測輸出功率變化來實現主機功率限制，需要在推進軸系上安裝軸功率儀，根據軸功率儀的測量值來限制主機功率。此方法需要安裝額外設備，增加成本，還需考慮監管問題。

3.3 創新能效技術

轂帽鰭、風力輔助、空氣潤滑系統等創新能效技術需要提前計劃。對于老舊船舶，投資應用創新能效技術并不劃算。

4 EEXI計算方法

4.1 計算方法

EEXI方案與新造船EEDI方案類似，計算方法也相同，即通過船舶的載運能力、主機功率、航速等技術參數來確定現有船舶的技術能效水平。

4.2 關鍵參數

4.2.1 主機功率

計算EEDI時，主機功率通常取所有主機額定功率（PMCR）的75%的總和。計算EEXI時，主機功率的選取與EEDI計算一致若船舶采用非永久性軸功率或主機功率限定，主機功率的取值需要比較75% PMCR與限定后主機功率（lim PMCR）的83%，二者取小值。

4.2.2 航 速

航速在EEXI能效評估中非常重要，其準確性對能效評估結果影響較大。采用船模試驗與實船試航方法得到的結果最為可靠，更能體現EEXI的準確性和技術先進性。然而，在EEDI標準執行前建造的船舶并未進行過專門的船模試驗和試航試驗，也就無法獲取結構吃水下75% PMCR的航速，尤其是更難獲取要求狀態下的集裝箱船航速。這就給EEXI能效評估帶來很大的困難。針對這種情況，EEXI計算導則提供了3種情況下的航速計算方法：

（1）直接采用符合EEDI要求的航速值。對適用于EEDI要求的船舶，航速可通過速度與功率曲線得到。

（2）采用船模試驗報告的結果。航速可以基于船模試驗報告進行估算，該辦法相比EEDI對航速的嚴格要求有所放寬，但對于沒有船模試驗報告的船舶不適用，因而不具有普遍性。

（3）航速參考值。對無法提供速度與功率曲線及符合要求的試航報告的船舶，航速可采用EEXI計算導則提供的估算方法得到。

4.2.3 主副機油耗

EEXI標準中對主副機油耗的要求與EEDI標準一致，即主機油耗為記錄在NOx技術案卷中試驗報告75% PMCR的油耗，副機油耗為記錄在NOx技術案卷中試驗報告50% PMCR的油耗，且主副機的油耗需要按照《內燃機、發動機功率的測量和檢測方法》和《往復式內燃機性能》中有關通用內燃機的附加要求進行熱值和環境條件修正。

EEXI標準在油耗方面對主副機沒有NOx技術案卷的船舶放寬了要求，可以采用設備廠商提供并經認可的油耗值。如果設備廠商不能提供主副機油耗值，那么根據EEXI計算導則建議統一取值：主機油耗為190 g/kWh、副機油耗為215 。但是，主副機油耗值過高會導致現有船舶EEXI值過高，需要采取較多的能效措施加以改善，因此不建議采用此值。

5 EEXI評估方法和結果比對

結合某大型集裝箱船隊的評估結果比對分析EEXI的3種評估方法，并嘗試以試航航速的回歸統計計算參考航速來進行評估。3種評估方法下計算參數選取的原則見表2。

5.1 基于EIV模型的EEXI評估

該模型的評估結果顯示，船隊中滿足EEXI要求的船舶比例不到5%，而實際已符合EEDI要求第3階段的船舶比例就超過了25%。由此可見，該模型評估方法精度較差，僅適用于了解船隊的總體能效情況和供評估初期的參考。

5.2 基于設計航速的EEXI評估

基于設計航速的EEXI評估是在不能獲得準確航速時采用設計航速作為參考航速的一種估算方法。根據收集的船舶數據信息分析，設計航速所對應的主機功率接近于75% PMCR，但排水量均高于EEXI狀態的排水量11%，導致設計航速往往低于EEXI狀態航速約5%，因此評估得出的EEXI指標也比真實指標差。該方法的評估結果顯示，船隊中滿足EEDI要求和設計航速（18 kn）低的系列船舶全部滿足EEXI要求，而高出EEXI要求30%以上的船舶比例超過65%，高出EEXI要求50%以上的約占28%。

5.3 基于EEXI技術導則的EEXI評估

在不能獲得準確航速時，采用EEXI技術導則數據庫統計回歸航速來作為參考航速，也是今后EEXI評估的常用方法。當邊界系數為5%時，該近似參考航速是保守的，得出的EEXI值將偏高。從評估結果看，滿足EEXI要求的船舶比例與基于設計航速的EEXI評估得到的船舶比例一致，而高出EEXI要求30%以上的船舶比例超過了69%，高出EEXI要求50%以上的比例則增加到了36%。

需要注意的是，EEXI技術導則中數據庫統計回歸航速的計算涉及到總噸位、EEDI基線、主機功率、裕度系數等參數。由于EEDI基線是由標準規范數據庫1999―2008年的船舶數據回歸得到，因此對于2008―2013年建造的船舶的適用性存在疑問。經大量的計算評估后發現，數據庫參考航速普遍低于試驗航速，集裝箱船的偏差尤為明顯，導致EEXI偏低。即使后續該方法得到修訂和完善，但基于數據統計回歸得到計算參數航速的方法在適用性上仍可能會存在一定的局限性。

5.4 基于試航航速統計回歸的EEXI評估

分析收集到的部分船舶數據，結合船模試驗數據，初步發現：設計吃水的試航航速（無風浪儲備）對應的主機功率與75% PMCR差距極小;而設計吃水排水量相對于EEXI狀態的排水量均高出10%左右，標準差約5%。因此，通過試航航速統計回歸來估算EEXI要求航速的精度將比EEXI技術導則的要高。從評估結果（除航速外其余參數選取與EEXI導則一致）的改善中也證實了這一點：高出EEXI 30%的船舶比例降到了64%，高出EEXI 50%以上的船舶比例則降到了21%。

6 基于降速的集裝箱船EEXI改進

由于集裝箱船航速較高，采用降速方法進行能效改善，結合節能和航線優化的措施來滿足EEXI的要求，對集裝箱船隊的運營壓力不大。從IMO針對典型船型的EEXI改進案例來看，當集裝箱船航速最大降低約26%時，主機功率最大降低約60%。基于EEXI導則，該集裝箱船隊主機降低功率后的結果為平均56% PMCR，最大降低約55%。在實際運營工況下，采取限制主機功率措施的船舶均可以直接滿足EEXI的要求。

7 結 語

在計算過程中可以發現一些規律：大噸位船舶通過EEXI的評估結果較好;近5年內建造的船舶通過EEXI的評估結果最好，這與新船能效較好事實相符;高出EEXI要求50%比例的船舶主要是設計航速24 kn以上的船舶。采用限制主機功率的方法即可以滿足EEXI的減排指標，能效的改善可以降低船舶的營運成本，但也會導致貨主資本成本和保險成本上升;因此，對于船期要求嚴格的班輪企業來說，降速是否能夠滿足貨主的交貨要求還需要更深入的研究。

按照目前《MARPOL公約》附則Ⅵ修正案草案的規定，EEXI的驗證需要在修正案生效后的第一個年度、中間或換證檢驗（取早者）時完成。對已經具有速度與功率曲線數據的船舶來說，船舶已持有完整的EEDI技術案卷，并且船舶本身能效較好，僅通過有限的主機功率調整即可滿足EEXI要求，因此可以在規定時間內完成EEXI驗證。對于占有很大比例的不適用EEDI標準的船舶，船舶所有人必須及早了解EEXI的影響以及可用的經濟合規選項，預留充分的時間來進行能效評估并完成能效提升措施的實施。在計算驗證方法的選取上，采用EEXI航速估算法可能會低估船舶的技術能效，如果不能接受估算法帶來的能效損失，按照目前的EEXI計算驗證導則，就必須進行符合要求的船模試驗，這需要充分的時間進行計劃和準備。