船舶能效設(shè)計指數(shù)和能效營運(yùn)指數(shù)介紹及分析

1、摘要：控制CO2排放一直是航運(yùn)界關(guān)注的焦點(diǎn)，國際海事組織（IMO）海洋環(huán)境保護(hù)委員會第62次會議以MARPOL公約附則VI 修正案的方式通過了具有強(qiáng)制實(shí)施效力的全球溫室氣體減排規(guī)定。對船舶能效設(shè)計指數(shù)（EEDI）和能效營運(yùn)指數(shù)（EEOI）進(jìn)行分析和研究，并對可采取的減少CO2排放措施進(jìn)行探討。關(guān)鍵詞：船舶，CO2排放，能效設(shè)計指數(shù)，能效營運(yùn)指數(shù)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對人類生存環(huán)境的影響日益嚴(yán)重，其中很嚴(yán)重的問題之一就是化石燃料的廣泛使用產(chǎn)生了大量的CO2。目前，CO2被認(rèn)為是最主要的人為溫室氣體。溫室氣體在大氣層中聚集從而形成了很嚴(yán)重的溫室效應(yīng)，給人類的生存環(huán)境造成了巨大的威脅。為了全人類的共

2、同利益，必須在全球范圍內(nèi)對CO2排放進(jìn)行控制。一、CO2排放和溫室效應(yīng)近年來，溫室氣體排放問題引起世界范圍的廣泛關(guān)注。溫室氣體是指大氣中能夠吸收熱和反射紅外線的一類氣體。地球上溫室氣體很多，諸如水蒸氣、  CO2、甲烷、氮氧化物、臭氧以及氟氯化碳等都屬于 溫室氣體，并且很難界定各種溫室氣體對于熱輻射的吸收和反射作用。為什么目前科學(xué)界確認(rèn)的溫室氣體只有CO2，并將全球變暖的主要原因歸咎于CO2呢？碳是形成生命的最重要的元素。千萬年來，地球表面上的山川、海洋、大氣、生物的各種運(yùn)動不斷產(chǎn)生和吸收著CO2，并且以它自己的方式在山川、海洋、大氣、生物中進(jìn)行循環(huán)，碳的總量基本上是平衡的

3、。人類進(jìn)入工業(yè)社會以來，由于大量使用化石燃 料，如煤炭、石油等，將原來固定在地殼深處的碳挖 掘出來，通過燃燒使得大量CO2排放到大氣中，而目前生態(tài)環(huán)境的破壞導(dǎo)致植被減少，使植物吸收CO2的能力也大為減弱，地表的碳平衡被嚴(yán)重破壞。大氣中CO2含量的增加導(dǎo)致了嚴(yán)重的溫室效應(yīng)，使氣候變暖，冰川融化，海平面上升，給全球經(jīng)濟(jì)造 成巨大的損失。事實(shí)上，更嚴(yán)重的問題是由于全球氣候變暖導(dǎo)致冰川融化，會將原來被冰川吸收的另外一種溫室氣體甲烷也釋放出來，形成一種無法控制 的正反饋效應(yīng)，將會給整個人類造成滅頂之災(zāi)，這才 是目前在全世界范圍內(nèi)努力控制CO2排放的真正原因。2009年12月在哥本哈根舉行的聯(lián)合國氣候變化

4、大 會認(rèn)為，氣候變化是我們這一時代面臨的巨大挑戰(zhàn)，必須在全球范圍內(nèi)大幅度削減CO2排放，控制全球溫 度升高，并確定了在本世紀(jì)內(nèi)全球溫度升高不超過 2的指標(biāo)。海運(yùn)是能源效率最高的運(yùn)輸方式，各種不同運(yùn)輸方式的CO2排放量相對值如圖1所示川。作為最主要的船舶推進(jìn)機(jī)械，低速柴油機(jī)的CO2排放量在熱機(jī)中是 最低的。但由于在世界范圍內(nèi)船舶數(shù)量眾多，船舶柴油機(jī)的功率巨大，因此其所消耗的能源和產(chǎn)生的排放數(shù)量也是非常可觀的。據(jù)IMO2009年發(fā)表的第二次溫 室氣體研究報告，2007年國際船舶運(yùn)輸業(yè)的CO2排放 量為8.70億，占全球CO2總排放量的2.7%。由于其總量巨大，并且隨著國際貿(mào)易的迅速增長，

5、國際海運(yùn) CO2排放被廣為關(guān)注。IMO對于船舶運(yùn)輸引起的溫室氣體排放的控制方式主要是制定各種規(guī)則，如IMO在2009年的第59次海洋環(huán)境保護(hù)委員會（MEPC）會議上通過了新船能 效設(shè)計指數(shù)（EEDI）計算方法的臨時指南新船能效設(shè)計指數(shù)自愿驗(yàn)證臨時導(dǎo)則以及自愿使用船舶 能效營運(yùn)指數(shù)（EEOI）的指南。2011年7月，在IMO 召開的MEPC第62次會議上，具有強(qiáng)制性的國際航行船舶溫室氣體（GHGs）減排措施，以國際防止船 舶造成污染公約（MARPOL公約）附則VI修正案的形式，由締約國一致通過。這標(biāo)志著世界首部行業(yè)性的具有強(qiáng)制實(shí)施效力的全球溫室氣體減排規(guī)定就此 誕生。MARP

6、OL公約附則VI為“防止船舶造成空氣污染 規(guī)則”，其修正案在附則VI中新增了第4章，對有關(guān)船舶能源效率方面作出了規(guī)定。該規(guī)定適用于400總 噸及以上的船舶，并預(yù)計將在2013年1月1日正式生效。 二、船舶能效設(shè)計指數(shù)船舶能效設(shè)計指數(shù)，簡稱EEDI（Energy Efficiency  Design Index），是在船舶設(shè)計階段，對于每單位船舶運(yùn)輸量（貨運(yùn)量）所產(chǎn)生的CO2排放的一個估算。 EEDI只是一個設(shè)計指標(biāo)，其考慮船舶在設(shè)計工況下產(chǎn)生CO2排放的主要因素和可能的改進(jìn)手段，并鼓勵船 舶設(shè)計單位、造船廠、設(shè)備制造廠采取各種措施來改進(jìn)船舶能效，促進(jìn)技術(shù)

7、進(jìn)步和革新，而與船舶的運(yùn)營情況無關(guān)。采用船舶能效設(shè)計指數(shù)，就是要在船舶設(shè) 計階段提高船舶運(yùn)輸量并通過各種手段降低CO2的排放量。根據(jù)IMO新船能效設(shè)計指數(shù)（EEDI）計算方法 的臨時指南，EEDI可表示為 （1）式中，分子部分為航運(yùn)產(chǎn)生的CO2的排放量，分母部 分表示設(shè)計航速下的總貨運(yùn)量。為了更好地理解式（1），可參考IMO新船能效 設(shè)計指數(shù)（EEDI）計算方法的臨時指南提供的典型推進(jìn)系統(tǒng)圖（圖2），圖2中包括主機(jī)、副機(jī)、鍋爐、 軸帶發(fā)電機(jī)以及廢熱回收裝置。主機(jī)主要用于船舶推進(jìn)，并通過軸帶發(fā)電機(jī)提供動力，此外還可以通過廢熱回收裝置回收能量，用于發(fā)電。副機(jī)提供電力至配 電板，主要用于船

8、舶輔助設(shè)備的供電，也可以通過軸 馬達(dá)推進(jìn)。在設(shè)計指數(shù)里未考慮鍋爐的排放。分子部分第1項(xiàng) 為主機(jī)產(chǎn)生的CO2總排放量，其中PME為扣除軸帶發(fā)電 機(jī)功率的主機(jī)功率，SFCME為主機(jī)的燃油消耗率， CFME為單位油耗產(chǎn)生的CO2排放量。如果有多臺主機(jī)需進(jìn)行求和，最前面為功率修正系數(shù)。第2項(xiàng)（PAE·CFAE·SFCAE）為副機(jī)產(chǎn)生的CO2總排放量，PAE為副機(jī)功率，CFAE為副機(jī)單位油耗產(chǎn)生的  CO2排放量，SFCAE為副機(jī)的燃油消耗率，如果使用軸 帶發(fā)電機(jī)則用SFCME代替SFCAE。第3項(xiàng) 是對推進(jìn)功率產(chǎn)生的CO2排放量的修

9、正，如采用電力推進(jìn)，則推進(jìn)電功率增加PPTI，如采用創(chuàng)新的能效 技術(shù)如廢熱回收裝置發(fā)電，則可減少推進(jìn)電功率  PAEeff。第4項(xiàng) 是指采用創(chuàng)新的電力能效技術(shù)降低船舶輔助設(shè)備的耗電量，使副機(jī)的 供電量減少，以降低副機(jī)的CO2排放量。因此，第3項(xiàng) 和第4項(xiàng)是采用了創(chuàng)新的能效技術(shù)后使CO2排放量降 低，對在推進(jìn)和供電方面（第1項(xiàng)和第2項(xiàng)）CO2排放量進(jìn)行修正。分母部分是船舶設(shè)計裝載量（Capacity）、船速 （Vref）的乘積，對于干散貨船、液貨船、氣體運(yùn)輸船、集裝箱船、滾裝貨船和普通貨船，以載重噸計算；對于客船和滾裝客船，按總噸計算；對于集裝箱船，根據(jù)載重噸的65

10、%計算。fi和fw為修正系數(shù)。 三、船舶能效營運(yùn)指數(shù)船舶能效營運(yùn)指數(shù)，簡稱EEOI（Energy Efficiency  Operational Indicator），根據(jù)IMO自愿使用船舶能效 營運(yùn)指數(shù)（EEOI）的指南，EEOI可表示為（2）式中，分子部分表示船舶某航次，CO2排放量。Fc表示船舶航行中消耗的燃油量，CF為燃燒單位質(zhì)量燃料 的CO2質(zhì)量排放量，也稱之為CO2排放因子，這兩項(xiàng)和 乘積表示燃用某種燃料產(chǎn)生的CO2排放量。在能效運(yùn)營指數(shù)中，考慮主機(jī)、副機(jī)、鍋爐等所有設(shè)備產(chǎn)生的CO2排放量，由于各種設(shè)備使用的燃油可能不同，因 此要進(jìn)行求和，表示各種不同

11、的燃料。分母部分為船 舶的總運(yùn)輸量，用載貨量（mcargo）和船舶航行的里程D的乘積表示，mcargo的單位視情況而定，可以是載重量（t）、TEU或者人（對于客船）。船舶能效營運(yùn)指數(shù)實(shí)際上就是運(yùn)輸每噸海里貨物所產(chǎn)生的CO2排放量。根據(jù)EEOI的定義，EEOI值越 小，表明船舶的能效越高。降低船舶能效營運(yùn)指數(shù)，可通過降低船舶每海里油耗、提高船舶載重量，或使 用低CO2排放因子的燃料實(shí)現(xiàn)。船舶能效營運(yùn)指數(shù)一般是根據(jù)一個航次或者多個航次的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計得出的。需要對船舶航行及在港停泊期間船舶主機(jī)、副機(jī)、鍋爐等所消耗的所有燃料 油量進(jìn)行統(tǒng)計，因此必須建立起一個有效的船舶能效 管理系統(tǒng)。在信息高度發(fā)達(dá)的今

12、天，借助于海事衛(wèi)星和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)船公司對于船舶航行情況、船舶載貨量、船舶日耗燃油量、船存燃料等信息的實(shí)時 監(jiān)控和管理。四、關(guān)于CO2排放因子的討論船舶使用不同的燃油，產(chǎn)生的CO2量不同。因 此，自愿使用船舶能效營運(yùn)指數(shù)（EEOI）的指南和新船能效設(shè)計指數(shù)（EEDI）計算方法的臨時指 南都提供了不同燃料的CO2排放無量綱轉(zhuǎn)換系數(shù)表，也稱之為CO2排放因子（見表1）。這里主要討論兩個問題：1換用不同燃料可改變EEDI和EEOI從式（1）、（2）中可以看出，EEDI和EEOI的計 算都與CO2排放因子CF有關(guān)。對于相同的船舶和設(shè) 備，換用不同燃料可以改變船舶的EEDI和EEOI。如 將目前以燃

13、油為主要燃料的船舶改為以液化天然氣為 燃料，由于液化天然氣的主要成分是甲烷，含碳量較 低，熱值較高，其CO2排放可比使用燃料油低25%一 30%2。2對表1中有關(guān)數(shù)據(jù)的疑問和探討燃料的含碳量與其分子結(jié)構(gòu)和密度有關(guān)，若其含碳量較低，則其密度較低，質(zhì)量較好。隨著含碳量的增加，大分子和芳烴成分增加，燃油密度增加，質(zhì)量變差。如天然氣的主要成分是甲烷CH4，密度很低，為氣態(tài)，含碳量為1216=0.75，丙烷為C3H8，含碳量為3644=0.818。根據(jù)ISO8217（2005），DM級油為蒸餾燃油，質(zhì)量最好，其中DMX級為輕柴油，密度很低，在標(biāo)準(zhǔn)上不做要求。DMA、DMB、DMC級油在

14、0;15時的密度分別為0.890、0.900、0.920 kgL.RMA30、RMB30和RMD80為輕燃料油，在15時的 密度分別為0.960、0.975和0.980 kgL，RME至RMK級為重燃料油，RME180至RMH380級燃油的密度為 0.991 kgL，RMK380至RMK700級燃油的密度為 1.010kgL。在幾種燃油中，應(yīng)當(dāng)是柴油輕柴油的含碳量最低，船用輕燃料油（LFO）的含碳量次之，船用重燃料油（HFO）的含量最高。以正十六烷的含碳 量進(jìn)行計算，其分子式為C16H34，小含碳量為（16× 12）（16×1234）192226：0.85。因此，筆者認(rèn)為IMO的自愿使用船舶能效運(yùn)營指數(shù)（EEOI）導(dǎo)則和新船能效設(shè)計指數(shù)（EEDI）計算方法的臨時 指南提供的不同燃料的CO2排放無量綱轉(zhuǎn)換系數(shù)表存在印刷錯誤，應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。五、降低船舶CO2的途徑IMO提出的EEDI和EEOI指標(biāo)實(shí)際上是從船舶設(shè)計 和運(yùn)營兩個方面降低船舶溫室氣體排放，