船舶能效设计指数和能效营运指数介绍及分析.doc

摘要：控制CO2排放一直是航运界关注的焦点，国际海事组织（IMO）海洋环境保护委员会第62次会议以MARPOL公约附则VI 修正案的方式通过了具有强制实施效力的全球温室气体减排规定。对船舶能效设计指数（EEDI）和能效营运指数（EEOI）进行分析和研究，并对可采取的减少CO2排放措施进行探讨。
关键词：船舶，CO2排放，能效设计指数，能效营运指数
现代工业发展对人类生存环境的影响日益严重，其中很严重的问题之一就是化石燃料的广泛使用产生了大量的CO2。目前，CO2被认为是最主要的人为温室气体。温室气体在大气层中聚集从而形成了很严重的温室效应，给人类的生存环境造成了巨大的威胁。为了全人类的共同利益，必须在全球范围内对CO2排放进行控制。
一、CO2排放和温室效应
近年来，温室气体排放问题引起世界范围的广泛关注。温室气体是指大气中能够吸收热和反射红外线的一类气体。地球上温室气体很多，诸如水蒸气、  CO2、甲烷、氮氧化物、臭氧以及氟氯化碳等都属于 温室气体，并且很难界定各种温室气体对于热辐射的吸收和反射作用。为什么目前科学界确认的温室气体只有CO2，并将全球变暖的主要原因归咎于CO2呢？
碳是形成生命的最重要的元素。千万年来，地球表面上的山川、海洋、大气、生物的各种运动不断产生和吸收着CO2，并且以它自己的方式在山川、海洋、大气、生物中进行循环，碳的总量基本上是平衡的。人类进入工业社会以来，由于大量使用化石燃 料，如煤炭、石油等，将原来固定在地壳深处的碳挖 掘出来，通过燃烧使得大量CO2排放到大气中，而目前生态环境的破坏导致植被减少，使植物吸收CO2的能力也大为减弱，地表的碳平衡被严重破坏。
大气中CO2含量的增加导致了严重的温室效应，使气候变暖，冰川融化，海平面上升，给全球经济造 成巨大的损失。事实上，更严重的问题是由于全球气候变暖导致冰川融化，会将原来被冰川吸收的另外一种温室气体——甲烷也释放出来，形成一种无法控制 的正反馈效应，将会给整个人类造成灭顶之灾，这才 是目前在全世界范围内努力控制CO2排放的真正原因。2009年12月在哥本哈根举行的联合国气候变化大 会认为，气候变化是我们这一时代面临的巨大挑战，必须在全球范围内大幅度削减CO2排放，控制全球温 度升高，并确定了在本世纪内全球温度升高不超过 2℃的指标。
海运是能源效率最高的运输方式，各种不同运输方式的CO2排放量相对值如图1所示川。作为最主要的船舶推进机械，低速柴油机的CO2排放量在热机中是 最低的。但由于在世界范围内船舶数量众多，船舶柴油机的功率巨大，因此其所消耗的能源和产生的排放数量也是非常可观的。据IMO2009年发表的第二次温 室气体研究报告，2007年国际船舶运输业的CO2排放 量为8.70亿，占全球CO2总排放量的2.7%。由于其总量巨大，并且随着国际贸易的迅速增长，国际海运 CO2排放被广为关注。
IMO对于船舶运输引起的温室气体排放的控制方式主要是制定各种规则，如IMO在2009年的第59次海洋环境保护委员会（MEPC）会议上通过了《新船能 效设计指数（EEDI）计算方法的临时指南》《新船能效设计指数自愿验证临时导则》以及《自愿使用船舶 能效营运指数（EEOI）的指南》。2011年7月，在IMO 召开的MEPC第62次会议上，具有强制性的国际航行船舶温室气体（GHGs）减排措施，以《国际防止船 舶造成污染公约》（MARPOL公约）附则VI修正案的形式，由缔约国一致通过。这标志着世界首部行业性的具有强制实施效力的全球温室气体减排规定就此 诞生。
MARPOL公约附则VI为“防止船舶造成空气污染 规则”，其修正案在附则VI中新增了第4章，对有关船舶能源效率方面作出了规定。该规定适用于400总 吨及以上的船舶，并预计将在2013年1月1日正式生效。

二、船舶能效设计指数
船舶能效设计指数，简称EEDI（Energy Efficiency  Design Index），是在船舶设计阶段，对于每单位船舶运输量（货运量）所产生的CO2排放的一个估算。 EEDI只是一个设计指标，其考虑船舶在设计工况下产生CO2排放的主要因素和可能的改进手段，并鼓励船 舶设计单位、造船厂、设备制造厂采取各种措施来改进船舶能效，促进技术进步和革新，而与船舶的运营情况无关。采用船舶能效设计指数，就是要在船舶设 计阶段提高船舶运输量并通过各种手段降低CO2的排放量。
根据IMO《新船能效设计指数（EEDI）计算方法 的临时指南》，EEDI可表示为 （1）式中，分子部分为航运产生的CO2的排放量，分母部 分表示设计航速下的总货运量。
为了更好地理解式（1），可参考IMO《新船能效 设计指数（EEDI）计算方法的临时指南》提供的典型推进系统图（图2），图2中包括主机、副机、锅炉、 轴带发电机以及废热回收装置。主机主要用于船舶推进，并通过轴带发电机提供动力，此外还可以通过废热回收装置回收能量，用于发电。副机提供电力至配 电板，主要用于船舶辅助设备的供电，也可以通过轴 马达推进。在设计指数里未考虑锅炉的排放。
分子部分第1项 为主机产生的CO2总排放量，其中PME为扣除轴带发电 机功率的主机功率，SFCME为主机的燃油消耗率， CFME为单位油耗产生的CO2排放量。如果有多台主机需进行求和，最前面为功率修正系数。
第2项（PAE·CFAE·SFCAE）为副机产生的CO2总排放量，PAE为副机功率，CFAE为副机单位油耗产生的  CO2排放量，SFCAE为副机的燃油消耗率，如果使用轴 带发电机则用SFCME代替SFCAE。
第3项 是对推进功率产生的CO2排放量的修正，如采用电力推进，则推进电功率增加PPTI，如采用创新的能效 技术如废热回收装置发电，则可减少推进电功率  PAEeff。
第4项 是指采用创新的电力能效技术降低船舶辅助设备的耗电量，使副机的 供电量减少，以降低副机的CO2排放量。因此，第3项 和第4项是采用了创新的能效技术后使CO2排放量降 低，对在推进和供电方面（第1项和第2项）CO2排放量进行修正。
分母部分是船舶设计装载量（Capacity）、船速 （Vref）的乘积，对于干散货船、液货船、气体运输船、集装箱船、滚装货船和普通货船，以载重吨计算；对于客船和滚装客船，按总吨计算；对于集装箱船，根据载重吨的65%计算。fi和fw为修正系数。

三、船舶能效营运指数
船舶能效营运指数，简称EEOI（Energy Efficiency  Operational Indicator），根据IMO《自愿使用船舶能效 营运指数（EEOI）的指南》，EEOI可表示为
（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为燃烧单位质量燃料 的CO2质量排放量，也称之为CO2排放因子，这两项和 乘积表示燃用某种燃料产生的CO2排放量。在能效运营指数中，考虑主机、副机、锅炉等所有设备产生的CO2排放量，由于各种设备使用的燃油可能不同，因 此要进行求和，／表示各种不同的燃料。分母部分为船 舶的总运输量，用载货量（mcargo）和船舶航行的里程D的乘积表示，mcargo的单位视情况而定，可以是载重量（t）、TEU或者人（对于客船）。
船舶能效营运指数实际上就是运输每吨海里货物所产生的CO2排放量。根据EEOI的定义，EEOI值越 小，表明船舶的能效越高。降低船舶能效营运指数，可通过降低船舶每海里油耗、提高船舶载重量，或使 用低CO2排放因子的燃料实现。
船舶能效营运指数一般是根据一个航次或者多个航次的数据进行统计得出的。需要对船舶航行及在港停泊期间船舶主机、副机、锅炉等所消耗的所有燃料 油量进行统计，因此必须建立起一个有效的船舶能效 管理系统。在信息高度发达的今天，借助于海事卫星和计算机网络可以实现船公司对于船舶航行情况、船舶载货量、船舶日耗燃油量、船存燃料等信息的实时 监控和管理。
四、关于CO2排放因子的讨论
船舶使用不同的燃油，产生的CO2量不同。因 此，《自愿使用船舶能效营运指数（EEOI）的指南》和《新船能效设计指数（EEDI）计算方法的临时指 南》都提供了不同燃料的CO2排放无量纲转换系数表，也称之为CO2排放因子（见表1）。这里主要讨论两个问题：
1．换用不同燃料可改变EEDI和EEOI
从式（1）、（2）中可以看出，EEDI和EEOI的计 算都与CO2排放因子CF有关。对于相同的船舶和设 备，换用不同燃料可以改变船舶的EEDI和EEOI。如 将目前以燃油为主要燃料的船舶改为以液化天然气为 燃料，由于液化天然气的主要成分是甲烷，含碳量较 低，热值较高，其CO2排放可比使用燃料油低25%一 30%[2]。
2．对表1中有关数据的疑问和探讨
燃料的含碳量与其分子结构和密度有关，若其含碳量较低，则其密度较低，质量较好。随着含碳量的增加，大分子和芳烃成分增加，燃油密度增加，质量变差。如天然气的主要成分是甲烷CH4，密度很低，为气态，含碳量为12／16=0.75，丙烷为C3H8，含碳量为36／44=0.818。根据ISO8217（2005），DM级油为蒸馏燃油，质量最好，其中DMX级为轻柴油，密度很低，在标准上不做要求。DMA、DMB、DMC级油在 15℃时的密度分别为0.890、0.900、0.920 kg／LRMA30、RMB30和RMD80为轻燃料油，在15℃时的 密度分别为0.960、0.975和0.980 kg／L，RME至RMK级为重燃料油，RME180至RMH380级燃油的密度为 0.991 kg／L，RMK380至RMK700级燃油的密度为 1.010kg／L。在几种燃油中，应当是柴油／轻柴油的含碳量最低，船用轻燃料油（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 量进行计算，其分子式为C16H34，小含碳量为（16× 12）／（16×12＋34）＝192／226：0.85。因此，笔者认为IMO的《自愿使用船舶能效运营指数（EEOI）导则》和《新船能效设计指数（EEDI）计算方法的临时 指南》提供的不同燃料的CO2排放无量纲转换系数表存在印刷错误，应进行调整。

五、降低船舶CO2的途径
IMO提出的EEDI和EEOI指标实际上是从船舶设计 和运营两个方面降低船舶温室气体排放，其采取的主要措施如下：
（1）使用低CO2排放的燃料，如LNC。由于LNG 的主要成分是甲烷，放出同样的热量产生的CO2排放 比石油燃料少得多。
（2）优化主机功率和转速。通过在船舶设计和主机选型阶段选择比较经济的配桨点，降低主机的 油耗。
（3）优化船舶和螺旋桨设计，提高船舶操 纵性。
（4）采用废热回收技术，尽可能提高船舶动力 装置的综合效率。
（5）搞好旧船的技术改造，优化低负荷运行 工况。
（6）建立能效管理系统，推行经济航速，加强 对燃料的管理。