綠色船舶設計的發展與挑戰

尚保國 張 勇 吳 俊

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

近年來，綠色船舶設計概念受到市場前所未有的關注。隨著國際規則規范的頻繁更新，包括壓載水公約、基于目標的結構標準（goal-based standards，GBS）、能效設計指數（energy efficiency design index，EEDI）、SO和NO排放控制等新的要求不斷推出，以及船舶營運市場的低迷和營運成本的高漲，幾乎所有船東在新造船計劃中都對綠色船舶設計提出了比現有船型更高的要求。毋庸置疑，只有更安全、節能和環保的綠色船舶才能贏得市場的認可。因此，各國造船界都在為設計、建造綠色船舶而加大技術開發的力度。本文一方面歸納總結現有綠色船舶設計的技術與經驗；另一方面將對綠色船舶的未來進行思考，并探尋其發展方向。

1 綠色船舶設計的發展

綠色船舶有很多定義，隨著科學技術的不斷發展，內涵也在不斷擴展。CCS《綠色生態船舶規范2020》的定義較為全面：綠色生態船舶采用先進技術在其生命周期內能安全地滿足其預定功能和性能，同時實現提高能源使用效率，降低溫室氣體（GHG） 排放，減少或消除對人類健康危害和生態環境污染、破壞， 提升資源有效循環利用， 并對操作和使用人員具有良好的保護。簡而言之，即以滿足功能為前提，以安全為基礎，實現船舶的節能和環保目標，同時改善船員的工作環境。

安全是國際立法的基礎， 海上人命安全具有法規要求的最高優先度，船舶任何綠色技術的應用，應不導致降低船舶原有的安全水平；節能是船舶設計永恒的主題，提高船舶能效既是實現溫室氣體減排的重要手段，也可以改善船舶運營的經濟性；環?？梢詼p少對環境的影響，包括控制水污染物和大氣污染物排放。

回顧現代船舶設計的發展，主要也是圍繞安全、節能、環保這3大主題進行，大體經歷了以下幾個階段：

●

第1階段（1950～1990年）

以船舶的專業化、大型化為主。各種大型專用運輸船型的出現，從無到有、從小到大，不斷發展?！?p>第2階段（1990～2010年）

以船舶的安全性、防污染為主。由于部分油輪海損事故造成的巨大污染，對船舶安全（特別是防止貨物污染）更加關注，例如油輪的雙殼要求、穩性和結構規范的不斷發展?！?p>第3階段（2010～2020年）

以船舶的能效升級、綠色環保為主。除了對船舶安全要求的持續提高，更加關注能效和環保，特別是最近5年，綠色船型設計獲得前所未有的快速發展。

表1 近5年生效的主要規范要求

2 綠色船舶設計的方法

本文將重點歸納關于節能和環保兩方面的設計方法。

2.1 以提升船舶能效為核心的綠色節能設計

提升能效是綠色船型開發的核心目標之一。目前市場上船東特別關注油耗指標，同時新造船的EEDI指標要求也不斷提高，因此新開發的船型必須重點考慮能效優化。這既是規范的要求，也是船東降低營運成本的市場需求。

傳統船舶節能設計主要包括水動力優化、設備改進升級和船型尺度優化這3大類，此外，新型節能技術也是重要的發展方向。以下將依此對船舶節能設計的方法進行歸納。

2.1.1 水動力優化

水動力節能設計是最傳統的節能方法，其投入成本低、節能效果好、技術可靠。船舶水動力節能設計主要體現在兩個方面：

（1）降低船舶阻力；

（2）提高船舶推進效率。

2.1.1.1 降低船舶航行阻力

降低船舶在航行中的阻力是節能優化設計的基礎。船舶航行中的阻力主要來自水阻力和風阻力，故降低船舶航行阻力主要采用以下幾種方法：

（1）通過線型優化，降低船舶在靜水及波浪中的阻力；

（2）通過基于營運剖面多目標優化保證綜合性能最優；

（3）通過縱傾優化來保證船舶在最佳節能姿態下航行；

（4）通過低阻油漆或氣層減阻減少水線下摩擦阻力；

（5）通過上層建筑風阻優化，降低船舶的風阻力。

2.1.1.2 提高船舶推進效率

提高船舶推進效率主要通過螺旋槳優化及水動力節能裝置應用。

螺旋槳設計已非常成熟，除了繼續挖掘螺旋槳自身設計潛力外，目前主要通過大直徑螺旋槳匹配低速主機來實現螺旋槳效率的提升。

水動力節能裝置也是提高船舶推進效率的重要途徑。節能效果因船、槳而異，因此針對不同船型、不同線型和不同螺旋槳，應采用不同的定制化節能裝置設計。

2.1.2 設備改進升級

設備改進升級可以分為主機改進升級和輔助系統優化兩部分。

2.1.2.1 主機改進升級

主機改進升級可以直接反映在降低單位油耗上，主要依托于新型高效機型的發展。例如超長沖程低轉速的新型高效主機（G型機、X型機）有更高的效率，單位油耗更低；同時，主機的功率點可選范圍更大，轉速更低。功率點（SMCR）應盡量選擇靠近平均有效壓力最低的可選范圍左下角，這樣既降低主機的單位油耗，又降低轉速、增加螺旋槳的最佳直徑，提高推進效率，有效降低油耗總量。NO排放TierⅢ解決方案的選擇也會影響油耗，如EGR、EcoEGR、HPSCR等。

2.1.2.2 輔助系統優化

主機的能耗占全船能耗的絕大部分，但輔助系統的優化同樣具有節能潛力，不能忽視。輔助系統的優化主要包括：

（1）軸帶發電機；

（2）廢熱回收系統；

（3）變頻設備；

（4）智能能效管理系統。

2.1.3 船型尺度優化

民用運輸船設計最終目的是以最經濟的運營成本實現特定的運輸功能。船型尺度的優化往往會大幅降低單位貨物運輸成本，帶來顯著的節能效果，例如船舶大型化和船型定制化。

（1）船舶大型化

具有充足貨物運輸量的情況下，船舶大型化帶來的規模效益可以顯著改善單位貨物運輸能效，從而降低溫室氣體排放總量，典型的例子就是近年來國際集裝箱船的超大型化競賽。

（2）船型定制化

一些運輸任務往往有設計上的特殊限制，標準船型并非最佳的匹配船型。因此，不同于常規船型的尺度創新，可以用最經濟節能的方式實現特定運輸功能，例如：淺吃水限制的特殊船型，考慮特定航道或港口的定制化船型等。

2.1.4 新型節能技術

除了傳統節能技術外，新型節能技術是進一步提高船舶能效的重要途徑。雖然現階段許多的節能技術還處于探索和試驗階段，但在節能減排的大背景下，未來必將備受關注。以下主要介紹兩種獲得實船應用的新型節能技術：

（1）空氣潤滑減阻

這種新技術是通過空壓機向船底噴出空氣，在船底形成一層薄薄的微小氣泡或空氣層，可使船底與水的接觸取代為與空氣的接觸，從而使船舶摩擦阻力減小。目前，一些大型郵輪和LNG運輸船等已采用微氣泡減阻設計。

（2）風能輔助推進

風能既無成本也無排放，將其作為補充動力輔助推進，在特定環境條件下可以取得良好的節能效果。例如采用馬格努斯效應的旋轉風筒以及可升降的翼形風帆，目前都已有實船的應用。

2.2 以降低污染排放為核心的綠色環保設計

近年來對設計影響較大的環保要求主要包括：

（1）氮氧化物（NO）排放控制；

（2）硫氧化物（SO）排放控制；

（3）壓載水公約D2排放標準。

2.2.1 氮氧化物（NO）排放控制

MARPOL公約要求航行在氮氧化物排放控制區（NECA）的船舶應滿足TierⅢ排放標準要求。目前已生效的氮氧化物排放控制區包括北美和加勒比海區域、北海和波羅的海氮氧化物排放控制區，中國也設定了自己的排放控制區，未來排放控制區還會不斷擴大。大型運輸船全球航行，因此新造船TierⅢ排放已成標配。

滿足TierⅢ排放標準的技術手段主要包括選擇性催化還原（SCR）、廢氣再循環 （EGR）和LNG燃料，其中SCR技術又分為高壓和低壓兩種。對于MAN的主機，SCR或EGR這兩種方案均可選擇；而對于WinGD主機，目前只可選擇SCR方案。WinGD的雙燃料主機在燃氣模式下可滿足TierⅢ排放要求，而MAN的雙燃料主機在油氣模式下都需NO處理技術。

2.2.2 硫氧化物（SO）排放控制

對于硫氧化物排放控制區（SECA），自2015年1月1日起執行0.1%的硫氧化物排放限制，2020年1月1日已正式實施0.5%的全球海域硫氧化物排放限值。解決SO排放問題主要有3種手段：使用低硫燃油、安裝脫硫洗滌塔和使用LNG燃料。

使用低硫燃油是目前最簡單的解決方案，其基本不受技術的影響，故也是大多數船的解決方案。脫硫洗滌塔能確保船舶在航行過程中使用高硫燃油并滿足硫排放限制，高、低硫油之間的價格差決定了投資回收期，這也是船東決定采用該技術方案的核心因素。LNG燃料可以徹底解決SO的問題，但初投資成本相對較高。

LNG作為燃油的替代燃料，除了可以減少85%的氮氧化物排放量以及100%的硫化物和顆粒物排放，還可以減少約20%的CO排放量。LNG燃料雖然不屬于節能技術，但對CO溫室氣體排放的改善也非常明顯。由于對環境的影響較小，近幾年以LNG為燃料的運輸船得到快速發展。

2.2.3 壓載水公約D2排放標準

國際海事組織（IMO）壓載水管理公約已于2017年9月8日正式生效，滿足D2標準壓載水處理裝置成為新船設計的標準配置。如考慮航行美國，則需同時滿足美國海岸警衛隊（USCG）對壓載水處理裝置的更高標準要求。目前壓載水處理裝置技術發展成熟，曾經提出的無壓載水/少壓載水設計，由于對船舶運輸本質功能的影響，暫時已不再受到關注。

3 綠色船舶設計的實踐

近年來綠色船舶設計飛速發展，不少國內船舶設計機構在民用運輸船領域進行了大量探索和實踐，體現了綠色船舶設計的理念。以下介紹幾個代表性綠色船舶產品。

3.1 大型化——大力神（HERCULES）系列超大型集裝箱船

我院自主研發設計的大力神（HERCULES）系列超大型集裝箱船囊括9 400箱、10 000箱、 11 800箱、12 690箱、13 500箱、14 000箱、15 000箱、 18 000箱、21 000箱和23 000箱等一批性能指標先進的綠色節能環保型超大型集裝箱船產品，已形成完整的超大型箱船系列設計，覆蓋所有超大型箱船的關鍵船型。迄今為止，大力神（HERCULES）系列已獲得逾百艘實船訂單，大部分已順利交付，性能指標均達到國際先進水平，深受船東好評與行業內的認可，并助力中國造船業在國際箱船大型化競賽中取得驕人業績。超大型箱船系列化船型設計不僅獲得2018年度上海市科技進步一等獎，更是綠色船型大型化設計的典型代表。

圖1 20 000箱超大型集裝箱船

3.2 精細化——20萬噸級綠色節能型散貨船

20.8萬噸級綠色節能散貨船是近年來我院開發的品牌散貨船船型，2013年實現批量接單。第1代CSR船型共接單40艘，目前已全部交付；第2代HCSR船型共接單24艘，已順利交付9艘；訂單超過世界同期紐卡斯爾最大型散貨船訂單的1/3，累計為6家船廠和10位船東提供設計服務。該船型通過反復的迭代優化，實現了精細化設計，具有結構重量輕、載貨能力高、綜合油耗低的特點，同時滿足EEDI 2階段、TIERⅢ排放等最新環保要求，得到市場的高度認可。20萬噸級紐卡斯爾最大型散貨船設計獲得2019年度上海市科技進步一等獎，堪稱綠色船型精細化設計的典型代表。

圖2 20萬噸級綠色節能散貨船

3.3 定制化——6.5萬噸級揚子型系列油船

6.5萬噸級揚子型系列油輪是我院近年研發的油船品牌船型，是適合進行長江石油運輸的最新綠色、安全、環保船型，至今已累計交付3型7艘。該船型以特定船東需求為指引，貫徹定制化的設計理念，努力提高船型的淺吃水載重量和油耗經濟性，優化進江操縱性，將長江石油運輸主力船型從5萬噸級提升至6.5萬噸級，大幅提高了長江油品的運輸效率。該船型不僅為船東帶來可觀的經濟效益，也創新定義了揚子型油輪標準，打造了具有中國特色的品牌船型?？芍^是綠色船型定制化設計的典型代表。

圖3 6.5萬噸級揚子最大型油船

3.4 新燃料——LNG動力超大型集裝箱船

2020年9月22日，由我院為法國達飛公司研發設計的全球首艘23 000 TEU雙燃料集裝箱船“達飛雅克薩德”號順利命名并交付，引領超大型集裝箱船進入雙燃料時代。

該船配置目前全球裝機功率最大的WinGD低速雙燃料發動機W12X92DF，配備18 600 m的MARK Ⅲ薄膜型燃料艙。與同型燃油集裝箱船相比，單航次CO排放量約減少20%，氮氧化物排放量減少近85%，顆粒物和硫氧化物排放量減少99%，EEDI比參考線降低約60%，滿足全球最嚴格排放要求。該船型堪稱綠色船型新燃料設計的典型代表。

圖4 23 000 TEU LNG動力集裝箱船

4 綠色船舶設計的挑戰

未來可以預見的是日益嚴格的排放要求和更加激烈的市場競爭，綠色船舶設計唯有不斷向前發展。然而，由于目前的傳統技術存在極限，新的技術又尚未成熟，因此綠色船舶設計正面臨巨大挑戰。伴隨著國際能源的脫碳轉型以及IMO溫室氣體減排（GHG）戰略的實施，綠色船舶設計未來的最大挑戰將集中在溫室氣體（CO）減排的持續改進直至凈零排放。

4.1 國際溫室氣體減排的背景

1992年通過的《聯合國氣候變化框架公約》（UNFCCC）為國際社會共同應對氣候變化問題搭建了基本框架，1997年通過的《京都議定書》為主要工業化發達國家規定了CO等溫室氣體的定量減排責任。2015年巴黎氣候變化大會通過《巴黎協定》，目標本世紀將全球氣溫的上升幅度控制在2℃內，各國將以“自主貢獻”的方式參與到全球應對氣候變化行動中。《京都議定書》強調控制氣候變化的責任分擔，是一種自上而下的約束方式；而《巴黎協定》更多的是一種自下而上的激勵方式，更多強調機會分享，鼓勵將溫室氣體減排轉化為綠色產業的發展機會。

航運業是許多發展中國家經濟發展的關鍵行業，因此發展中國家并不支持在《巴黎協定》中涉及海運案文，導致《巴黎協定》未包括海運內容。雖然航運業溫室氣體減排未被納入到《巴黎協定》中，但作為溫室氣體排放總量較大的行業之一，未來航運業的溫室氣體減排勢必會受到《巴黎協定》的影響。在全球溫室氣體減排目標達成共識的大背景下，2018年IMO海洋環境保護委員會第72次會議討論通過了溫室氣體減排的初步戰略。

IMO初步戰略目標：到2030年，全球海運每單位運輸活動的平均CO排放與2008年相比至少降低40%，并努力爭取到2050年降低70%；2050年溫室氣體年度總排放量與2008年相比至少減少50%，在本世紀內實現碳零排放。IMO將于2023年對收集的數據進行分析后形成正式戰略，從而制定短期和中長期行動措施及實施計劃。

4.2 中國溫室氣體減排的承諾

中國作為最大的發展中國家，同時也是溫室氣體排放較多的國家，一直積極參與國際氣候變化治理及全球減排進程，承擔合理的國際責任。中國積極加入《巴黎協定》并堅定履行公約承諾。2020年9月22日，在第75屆聯合國大會期間，中國領導人承諾將提高國家自主貢獻力度，使CO排放于2030年前達到峰值，爭取2060年前實現碳中和。

“共同但有區別的責任”是國際溫室氣體減排的重要原則。過去中國更多地強調作為發展中國家的責任“區別”，伴隨著人類命運共同體的全球治理理念的提出，中國承擔了越來越多的“共同”責任。中國政府把溫室氣體減排不再當成負擔，而是看作發展機會和轉型驅動力。“綠水青山就是金山銀山”，這與《巴黎協定》的精神高度一致。中國必將成為國際減少溫室氣體排放的積極推進者和領導者，從而深遠影響包括航運業在內的國內所有綠色產業發展。

4.3 綠色船舶技術發展的展望

為了實現IMO溫室氣體減排戰略的目標，綠色船舶技術包括新興技術將分階段得到發展：

（1）中短期（2020～2030年）

從法規角度，將不斷完善現有能效框架。新造船舶能效設計指數要求會不斷提高，同時營運船舶的減排要求（EEXI和CII）也已正式推出。對于氫、氨等新興燃料的規范研究與制定也會提上日程。

從技術角度，現有的成熟節能技術會持續應用，但效率已接近“天花板”，更多的新節能技術（例如風帆和旋轉風筒、空氣潤滑減阻等）會得到一定發展。LNG燃料作為替代燃油的現階段最佳選擇，將得到快速發展和應用。

（2）長期（2030～2050年）

為實現航運業的脫碳目標，長期來看必定依賴于燃料能源的脫碳。鑒于船舶具有20年左右的壽命周期，2030年以后的新造船將逐漸過渡到無碳燃料。這一方面取決于技術的發展，另一方面與國際能源轉型整體進程相關?，F有能源基礎設施投資的鎖定效應，導致能源系統的轉型相對緩慢，航運業的能源轉型也必將同步經歷一個較長的周期。

對于新興清潔能源，適用于船舶的氫基燃料具有較大潛力，如液氫、液氨（NH）等。氫被認為是最有前景的可再生清潔燃料，但氫氣因難于液化，而給運輸、加注和使用帶來諸多麻煩。與氫相同，氨不含碳元素，完全燃燒只產生清潔無污染的水和氮氣，且其含氫量高。

相對于氫，氨的優點是能量密度大、易液化、易貯運、易獲取以及防爆特性好，缺點是具有一定的毒性。氨目前已有廣泛使用的基礎設施，故被認為是長途運輸大功率發動機的理想綠色燃料。MAN和瓦錫蘭等主機廠商已將氨燃料發動機開發列上日程。未來的碳零排放船舶，根據船型的區別將會選擇不同的技術路徑：短途小型船舶以純電動、氫燃料電池為主，長途遠洋船舶將以氨燃料內燃機為主。

雖然氫（氨）燃料可以實現航運中燃料艙到螺旋槳的碳零排放，但合成氫（氨）過程是否真正減少碳排放，則決定了全鏈條的減排效果?；剂虾铣蓺洌ò保┤绻黄ヅ涮疾蹲郊夹g或化石能源電力電解法制氫（氨）技術，則只是將碳排放轉移至其他行業。只有大力發展風電、水電等綠色能源，從而實現綠色制氫（氨），才能真正實現溫室氣體減排的目標。

5 結 語

綠色船舶設計是船舶行業的永恒主題，本文簡要分析了綠色船舶設計目前的技術發展與未來面臨的挑戰。未來綠色船舶設計的要求只會越來越高，需要廣大技術人員不斷努力與創新，并始終保持科學嚴謹的態度，設計經得起實踐檢驗的本質綠色船舶。