船舶CO2排放水平的能效評估方法研究

朱永峨，孫 武，溫苗苗

（上海規(guī)范研究所，上海 200135）

0 引 言

目前，國際海事組織（IMO）提出的新造船能效設(shè)計指數(shù)公式，其原理是根據(jù)CO2排放量和貨運(yùn)能力的比值來表征船舶的能效，并通過對現(xiàn)有船的統(tǒng)計分析設(shè)立排放基線，在基線的基礎(chǔ)上對新造船能效進(jìn)行控制。要求新船設(shè)計遵循一個時間表，逐步使未來船舶的能效和CO2排放較現(xiàn)階段有明顯的改進(jìn)。能效設(shè)計指數(shù)公式目前經(jīng)過海洋環(huán)境保護(hù)委員會（MEPC57）、溫室氣體（GHG）奧斯陸會議期間對MEPC58和MEPC59的討論，已提出了能效設(shè)計指數(shù)公式的臨時計算導(dǎo)則，在GHG倫敦會議上又進(jìn)行了相應(yīng)的修訂。MEPC60會議決定將能效設(shè)計指數(shù)/船舶能效管理計劃（EEDI/SEEMP）作為強(qiáng)制性要求納入防止船舶造成污染公約（MARPOL）附則VI框架內(nèi)，制定了MARPOL附則 VI框架內(nèi)的文本框架草案，目前還在進(jìn)一步討論、研究以及驗(yàn)證。

提高船舶能效與減少溫室氣體排放現(xiàn)已成為不可分割的概念。今后，節(jié)能減排首先要從船舶設(shè)計階段抓起，一方面國家宏觀上將強(qiáng)制實(shí)施節(jié)能減排政策，另一方面，航運(yùn)企業(yè)和船舶設(shè)計單位也要對船舶的節(jié)能減排效果進(jìn)行自我評估。為達(dá)到這個目標(biāo)，IMO 關(guān)于EEDI基線公式的制定成為節(jié)能減排的關(guān)鍵問題。然而，由于種種原因，EEDI基線公式目前尚未正式確定。

為提供一個現(xiàn)階段可用的反映新設(shè)計船能效和CO2減排的評估方法，本文提出了直接基于船舶能效數(shù)據(jù)庫樣本數(shù)據(jù)的新船能效設(shè)計指數(shù)EEDI基本值（即EEDI最低水準(zhǔn)）的確定方法，用于新設(shè)計船實(shí)際EEDI相對于基本值（最低水準(zhǔn)）的比較。該方法相應(yīng)要求建立我國國際航行船舶和國內(nèi)航行船舶的船舶能效數(shù)據(jù)庫，且該數(shù)據(jù)庫應(yīng)是處于持續(xù)的動態(tài)管理及更新之中。

按照MEPC.1/Cric.681通函給出的新船能效設(shè)計指數(shù)EEDI公式，船舶初步設(shè)計階段，往往不可能較快確定除主機(jī)以外的輔機(jī)及其他機(jī)電設(shè)備和EEDI公式中的各個系數(shù)，為此，基于運(yùn)輸船舶的主機(jī)功率占全船總功率的絕大部分的現(xiàn)實(shí)，本文推薦一個僅涉及主機(jī)參數(shù)的簡化的能效公式，用以初步設(shè)計階段能效的評估。

1 IMO能效標(biāo)準(zhǔn)及EEDI基線公式[1]

IMO能效標(biāo)準(zhǔn)由3個參數(shù)構(gòu)成：EEDI標(biāo)準(zhǔn)值（EEDIreq）、EEDI基線值（EEDIbas）、折減系數(shù)（X）。船舶實(shí)際的EEDI值（EEDIatt）應(yīng)等于或小于要求的EEDI標(biāo)準(zhǔn)值，并且要求的EEDI標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)通過EEDI基線值和折減系數(shù)來確定，即：

隨著時間的推移，折減系數(shù)X將每隔5年上調(diào)一次，EEDI標(biāo)準(zhǔn)值（EEDIreq）將隨之下降。

目前IMO能效標(biāo)準(zhǔn)的適用船型、船舶尺度、折減系數(shù)X已基本確定，實(shí)施的目標(biāo)年限及EEDI基線值有待進(jìn)一步討論通過。目前 IMO暫時規(guī)定的EEDI基線的確定方法[2]如下：

1)采用勞氏船級社LRFP數(shù)據(jù)庫中自1999年1月1日至2009年1月1日10年間建造的船舶來確定EEDI平均水平，即EEDI基線（baseline）。

2)對EEDI基線用下述表達(dá)公式表示：

式中：a、c——常數(shù)；capacity——最大設(shè)計裝載工況：① 對干貨船、液貨船、氣體運(yùn)輸船、集裝箱船、滾裝貨船（包括車輛運(yùn)輸船、容積貨運(yùn)輸船、重量貨運(yùn)輸船）和普通貨船，用載重噸dwt表示；② 對客船和客滾船，用總噸gt表示；③ 對集裝箱船，capacity參數(shù)以65%dwt表示。

3)計算EEDI基線的EEDI簡化公式如下：

式中：EEDIest——用于計算EEDI基線的樣本值；

PME——主機(jī)功率，kW；

PAE——輔機(jī)功率，kW；

Vref——船舶航速，kn。

根據(jù)上述方法，通過回歸計算得到3大船型的EEDI基線，如圖1～3所示。由圖可知，液貨船樣本分布最接近于冪函數(shù)，其EEDI基線方程相關(guān)系數(shù)較高（R2=0.9516）；而集裝箱船樣本分布離散程度較高，基線方程相關(guān)系數(shù)較低，并不適合采用冪函數(shù)進(jìn)行回歸擬合。

圖1 液貨船EEDI基線

圖2 散貨船EEDI基線

圖3 集裝箱船EEDI基線

EEDI基線代表的是整個載重噸范圍內(nèi)船舶EEDI值的平均水平（整個載重噸范圍內(nèi)約 50%的樣本位于基線之下），由于樣本在整個載重噸范圍內(nèi)并不是均勻分布，且其中部分載重噸區(qū)間內(nèi)的樣本不服從以船舶載重噸為自變量的冪函數(shù)分布，因此采用整體樣本回歸得到的 EEDI基線并不能表征某些載重噸區(qū)間內(nèi)的平均水平，如圖4所示。以散貨船為例，長期以來，基于市場需求和航道、港口的實(shí)際情況，船寬受運(yùn)河的限制、船長和吃水受港口碼頭的限制，形成了各具特點(diǎn)的船型，如：靈便型、巴拿馬型和好望角型等散貨船。反映在EEDI統(tǒng)計數(shù)據(jù)上，這些船舶的數(shù)據(jù)分別呈“團(tuán)狀”出現(xiàn)在基線的上下。具體來說，靈便型散貨船若采用整體樣本回歸得到的EEDI基線作為標(biāo)準(zhǔn)，大部分船將被淘汰；而對于巴拿馬型散貨船，僅有小部分被淘汰；至于好望角型散貨船，也將有大部分被淘汰；但對大于200000dwt的散貨船，將全部被淘汰。這顯然是不合理的，每一類船型的存在都與其航線、經(jīng)濟(jì)用途等有關(guān)，其在載重噸區(qū)間內(nèi)的分布有一定的規(guī)律性（在某個載重噸范圍內(nèi)集中分布），采用整體樣本回歸得到EEDI基線的方法很可能將某一類船舶大部分淘汰，不利于這類船舶的發(fā)展（如靈便型散貨船、好望角型散貨船）。

經(jīng)統(tǒng)計分析，折減系數(shù)對3大船型的影響如表1所示。EEDI基線值降低10%（X=10）時，3大船型中將有 80%以上的船舶不滿足要求；EEDI基線值降低30%（X=30）時，3大船型中僅有不足1%的船舶滿足要求。IMO提出的折減系數(shù)，旨在不斷提高船舶的能效，減少CO2排放，但折減系數(shù)的選取應(yīng)綜合考慮造船技術(shù)的發(fā)展和節(jié)能減排技術(shù)的普及，否則確定折減系數(shù)沒有意義。

綜上所述，IMO暫行的EEDI基線確定方法存在一定的局限性，為此文中提出了一種簡單易行的能效評估方法，避免了IMO EEDI基線對不同船型“一刀切”的不合理性，可作為IMO能效標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施之前的替代方法，也可用于離散度較大的國內(nèi)船舶的能效評估。

圖4 散貨船部分載重噸區(qū)間內(nèi)的樣本分布

表1 樣本船舶符合率

2 直接基于數(shù)據(jù)庫的EEDI評估方法

鑒于在IMO頒布強(qiáng)制性EEDI基線公式之前，如何評估新設(shè)計船舶的能效和減排水平是一個急需解決的問題。以下提出直接基于數(shù)據(jù)庫樣本得出新船能效設(shè)計指數(shù)EEDI基本值的方法，用于現(xiàn)階段替代上述IMO EEDI基線公式。具體實(shí)施如下：

2.1 數(shù)據(jù)庫的建立

根據(jù) IMO新設(shè)計船舶的能效指數(shù)定義，按照船舶類型，收集現(xiàn)有船舶數(shù)據(jù)，建立EEDI數(shù)據(jù)庫。

2.2 樣本區(qū)間的劃分

對評估的某一實(shí)際船舶，取該船舶載重噸一定區(qū)間范圍中的船舶EEDI數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和比較。分區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計和分析是該評估方法的基礎(chǔ)。

實(shí)際應(yīng)用時，在樣本量足夠（≥10）的情況下，為使設(shè)計船舶的EEDI能夠與樣本船的EEDI基本值相比較，載重噸選取范圍應(yīng)盡可能小，建議范圍為：下限為0.8～0.9倍設(shè)計載重噸，上限為1.1～1.2倍設(shè)計載重噸。

2.3 EEDI標(biāo)準(zhǔn)值的確定

采用排序法確定EEDI標(biāo)準(zhǔn)值（EEDIreq），船舶實(shí)際的EEDI值應(yīng)等于或小于要求的EEDI標(biāo)準(zhǔn)值。確定EEDI標(biāo)準(zhǔn)值的方法如下：

1)對劃分區(qū)間內(nèi)的樣本（樣本量=N）進(jìn)行排序；

2)若N為偶數(shù)，取排序后的第N/2個EEDI值（EEDIN/2）和第N/2+1個EEDI值（EEDIN/2+1）的平均值為EEDI標(biāo)準(zhǔn)值；

3)若N為奇數(shù)，取排序后的第（N+1）/2個EEDI值（EEDI(N+1)/2）為EEDI標(biāo)準(zhǔn)值。

通過上述方法得到的EEDI標(biāo)準(zhǔn)值代表該樣本區(qū)間內(nèi)EEDI的平均水平，該標(biāo)準(zhǔn)值將所選區(qū)間中的樣本量一分為二，即保證所取樣本中有50%的樣本（較大EEDI）被淘汰，50%的樣本（較小EEDI）符合標(biāo)準(zhǔn)。與 IMOEEDI基線確定方法相比，文中提出的EEDI標(biāo)準(zhǔn)值確定方法更加合理。

2.4 折減系數(shù)的替代方法

IMO折減系數(shù)的選取與造船水平的發(fā)展和節(jié)能減排技術(shù)的普及有關(guān)，確定合理的折減系數(shù)非常困難。文中采取動態(tài)數(shù)據(jù)庫的方法代替折減系數(shù)，同樣可達(dá)到合理下調(diào)EEDI標(biāo)準(zhǔn)值的目的。

每年的EEDI標(biāo)準(zhǔn)值采用前10年的EEDI數(shù)據(jù)庫確定，如2010年標(biāo)準(zhǔn)值采用2000年1月1日至2010年1月1日期間建造船舶樣本確定，2011年標(biāo)準(zhǔn)值采用2001年1月1日至2011年1月1日期間建造船舶樣本確定，以此類推。隨著對新造船的能效控制，數(shù)據(jù)庫的樣本將向更小的EEDI值集中，確定的EEDI標(biāo)準(zhǔn)值將越來越低，從而達(dá)到不斷提高船舶能效水平，減少CO2排放的目的。

3 應(yīng)用實(shí)例

以設(shè)計載重噸為5.4萬t的靈便型散貨船為例，通過上述方法得到的EEDI基準(zhǔn)值如圖5所示。采用IMO方法得到的EEDI基線公式，其相關(guān)系數(shù)極小，僅為0.0723，不適宜采用冪函數(shù)進(jìn)行回歸擬合；通過文中提出的排序法可快速確定表征樣本平均水平的EEDI標(biāo)準(zhǔn)值。與IMO EEDI基線確定方法相比，文中提出的EEDI標(biāo)準(zhǔn)值確定方法更適用于離散度較大的樣本。

圖5 EEDI基準(zhǔn)值的確定

4 基于主機(jī)參數(shù)的簡化能效指數(shù)及其應(yīng)用

IMO在MEPC.1/Cric.681通函[1]中定義了新船能效設(shè)計指數(shù)EEDI的計算公式：

式中：fj——用于補(bǔ)償船舶特殊設(shè)計因素的修正系數(shù)；

SFCME、SFCAE——主機(jī)、輔機(jī)的單位燃油消耗，g/kWh；

CFME、CFAE——主機(jī)、輔機(jī)燃料的碳轉(zhuǎn)換系數(shù)， gCO2/gfue；

PPTI——軸馬達(dá)功率，kW；

PAEeff——當(dāng)船舶在 PME狀態(tài)下采用了創(chuàng)新型電力能效技術(shù)而減少的輔機(jī)功率，kW；

Peff——指由于采用了創(chuàng)新型機(jī)械式能效技術(shù)而減少的主機(jī)功率的75%，kW；

feff——反映創(chuàng)新型能效技術(shù)的修正系數(shù)；

fi——最大設(shè)計裝載工況修正系數(shù)；

fw——航速修正系數(shù)。

在船舶初步設(shè)計階段，不可能較快確定除主機(jī)以外的輔機(jī)及其他機(jī)電設(shè)備和EEDI公式中的各個系數(shù)，為此，給出一個簡化的能效公式，用以指導(dǎo)初步設(shè)計階段研究能效的提高。

基于主機(jī)參數(shù)的簡化能效指數(shù)Is定義為：船舶單位運(yùn)輸量t·kn的CO2排放量g，如下式[3]所示：

式中：P——扣除軸帶發(fā)電機(jī)功率后的主機(jī)總裝機(jī)功率（最大連續(xù)輸出，MCR），kW；

l——主機(jī)負(fù)荷，MCR的百分?jǐn)?shù)；

SPC——主機(jī)規(guī)定負(fù)荷下的耗油率，g / kWh；

CF——燃油的碳因數(shù)，即單位質(zhì)量燃油的CO2排放量， gCO2/gfue；

C——船舶載重量，t；

v——船舶給定載重量下的航速，kn。

在船舶初步設(shè)計階段，相對于 IMO定義的EEDI計算公式，上述的簡易公式可快速確定船舶的能效水平，評定新設(shè)計船相對母型船的能效，或評定新設(shè)計船模型試驗(yàn)改進(jìn)能效的效果。如新船的Is小于母型船的Is，或模型試驗(yàn)得到的Is小于之前試驗(yàn)所得的Is，則表明所設(shè)計新船的能效好于母型船/原方案的能效。同時，通過簡易公式得到的能效值與EEDI標(biāo)準(zhǔn)值（EEDIreq）比較，可快速確定新設(shè)計船能效（相對EEDI標(biāo)準(zhǔn)值）需改善的程度，為新設(shè)計船舶的能效優(yōu)化指明方向。

5 結(jié) 語

1)本文直接基于數(shù)據(jù)庫樣本得出新船能效設(shè)計指數(shù)EEDI基本值的方法，用于現(xiàn)階段替代上述IMO EEDI基線公式和評估新設(shè)計船實(shí)際EEDI的改善程度。方法的物理模型概念清晰，簡單易用。

2)該方法可針對不同類型的船舶分別建立現(xiàn)有船舶EEDI數(shù)據(jù)庫，并實(shí)施持續(xù)動態(tài)管理，可為法規(guī)在能效方面制定相關(guān)政策，也能用于航運(yùn)公司和船舶設(shè)計單位自我評估，對提高國內(nèi)船舶的能效設(shè)計水平具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義，建議在政府主管部門主導(dǎo)下，盡快建立我國船舶EEDI數(shù)據(jù)庫。

3)在船舶設(shè)計初始階段，采用基于主機(jī)參數(shù)的簡化能效指數(shù)能夠迅速、直接了解所設(shè)計船舶的能效和減排水平，為改進(jìn)設(shè)計提供依據(jù)。

[1]IMO, MEPC.1/Circ.681. Interim Guidelines on Method of Calculation of the Energy Efficiency Design Index for New Ships[S]. 2009, 1-8.

[2]IMO, MEPC 60/WP.9. Energy Efficiency Measures for Ships Report of the Working Group on Energy Efficiency Measures for Ships[S]. 2010, 1-31.

[3]Tore Longva, Magnus S.Eide，Rolf Skjong，A cost-benefit approach to determining a required CO2index for Future ship designs[S]. 2009, 1-16.