基于LCA的船舶能效模型構(gòu)建及基線擬合*

蔡 薇 萬淑喬 梅夢磊 姜春光

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (高性能艦船教育部國防實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430063)(天津新港船舶重工有限責(zé)任公司3) 天津 300000)

0 引 言

LCA在船舶行業(yè)的應(yīng)用相對較晚，但船舶全生命周期研究一直在不斷開展.挪威船級社和奧散德大學(xué)采用簡化LCA方法對客滾船生命周期進(jìn)行研究，旨在驗(yàn)證將LCA方法應(yīng)用于船舶生命周期環(huán)境影響評估中的可行性[1]；歐盟支持的“The Energy Efficient Ship”項(xiàng)目將LCA方法應(yīng)用于船舶設(shè)計(jì)過程，幫助設(shè)計(jì)者識別船舶生命周期內(nèi)主要排放問題[2]；蔡薇[3]提出了船舶綠色度的概念，建立了船舶綠色度評價指標(biāo)體系，采用簡化生命周期的價值分析方法計(jì)算船舶綠色度；日本海事研究所對船舶建造及其營運(yùn)階段進(jìn)行了詳細(xì)的清單調(diào)查，開發(fā)了針對性的清單分析軟件[4]；周春峰等[5]基于ISO14040標(biāo)準(zhǔn)提出了船舶LCA技術(shù)框架，這是國內(nèi)首次將LCA方法應(yīng)用于船舶；Bengtsson等[6]參照ISO14040和ISO14044標(biāo)準(zhǔn)完成了船舶生命周期評價模型的構(gòu)建，對比了船舶使用不同燃料對環(huán)境的影響；方蕾[7]借助LCA方法建立了船舶生命周期碳足跡時空模型.

近年來，國內(nèi)外LCA研究和應(yīng)用進(jìn)入快速發(fā)展階段，但在船舶行業(yè)的應(yīng)用仍存在很多的空白，當(dāng)前正是開展深入研究的良機(jī).目前船舶行業(yè)的常用能效指數(shù)EEDI，EEOI等，對CO2的排放量的考慮主要是船舶能源使用及燃料消耗這一最直接形式，且僅考慮CO2排放，而未考慮燃料整個生命周期中產(chǎn)生的排放，因而引入LCA思想與方法旨在更全面準(zhǔn)確的計(jì)算與評測船舶能效.隨著IMO將排放控制區(qū)納入MARPOL公約附則VI及歐盟MRV機(jī)制的實(shí)施，當(dāng)前國際上對航運(yùn)業(yè)大氣排放物的控制已經(jīng)不再局限于CO2，會有越來越多的排放物限制，嘗試將LCA-CO2，LCA-GWP作為當(dāng)前能效測評工具的一種擴(kuò)充.

1 當(dāng)前IMO船舶能效評測體系的對比與分析

為了減少溫室氣體的排放，IMO也做了相應(yīng)努力，實(shí)施技術(shù)和營運(yùn)措施旨在推動航運(yùn)企業(yè)的能效管理和溫室氣體減排.主要包括以下三個：能效設(shè)計(jì)指數(shù)(the energy efficiency design index,EEDI)、能效營運(yùn)指數(shù)(the energy efficiency operational indicator,EEOI)及船舶能效管理計(jì)劃(the ship energy efficiency management plan,SEEMP).

1.1 當(dāng)前的幾種能效評估方法

1.1.1船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI

EEDI是由船舶溫室氣體排放工作組第一次會議上提出的船舶CO2設(shè)計(jì)指數(shù)演變而來的.IMO在MEPC62屆會議上正式將其加入MARPOL公約附則VI中，對新造船的能效作了規(guī)定[8].EEDI是衡量船舶能效水平的重要指標(biāo)，對于新建船舶，在設(shè)計(jì)初期和試航階段都需要對該指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證.若驗(yàn)證滿足要求，可以投入運(yùn)營，反之則淘汰.公式基本構(gòu)架為

(1)

(2)

式中:分子部分為營運(yùn)過程中CO2的排放量，包括設(shè)計(jì)航速滿載營運(yùn)時主、副機(jī)的CO2排放量，以及能效創(chuàng)新技術(shù)對主、副機(jī)CO2排放量的修正；分母部分為設(shè)計(jì)航速下的總運(yùn)輸量[9].EEDI數(shù)值的大小與船舶能效成反比.影響EEDI數(shù)值的主要因素是航速及其載重量，且采用節(jié)能技術(shù)也能減小EEDI數(shù)值，達(dá)到提高船舶能效的目的.

1.1.2船舶能效營運(yùn)指數(shù)EEOI

EEOI為船舶在實(shí)際航行中所產(chǎn)生的CO2和所運(yùn)輸貨物的總量之間的比值.船舶能效營運(yùn)指數(shù)公式為

(3)

式中：j為船用燃料的種類；∑FCj為船舶航行中燃油的實(shí)際消耗量；CFj為燃燒1 t燃料j的CO2排放因子；mcargo為貨物運(yùn)輸量；D為貨物的運(yùn)輸距離.

由于運(yùn)輸貨物的量及距離不可控，因此,EEOI與燃油消耗量及不同燃料的CO2排放因子有關(guān).EEOI的值與船舶能效成反比.降低船舶航行速度、優(yōu)化航行路線及減少船舶空載情況等措施可以提高船舶能效.

1.1.3船舶能效管理計(jì)劃SEEMP

SEEMP是基于著名統(tǒng)計(jì)學(xué)家戴明博士的PDCA循環(huán)概念，它是管理學(xué)中常見的一個模型.PDCA循環(huán)就是按照計(jì)劃、執(zhí)行、監(jiān)測和改進(jìn)的工作程序進(jìn)行項(xiàng)目管理，P,D,C,A分別為Plan,Do,Check和Action四個英文單詞的大寫首字母[10].IMO海上環(huán)境保護(hù)委員會(MEPC)通過了MARPOL公約附則Ⅵ修正案，將SEEMP納入了規(guī)范.SEEMP可分為策劃、實(shí)施、監(jiān)測、評估改進(jìn)四個執(zhí)行步驟.

1.2 能效評測指數(shù)的對比分析

由于SEEMP對能效的測評不僅僅局限于船舶內(nèi)部管理，還需要外部環(huán)境的配合，無法用量化方法衡準(zhǔn).主要針對EEDI，EEOI進(jìn)行對比分析.兩者的相同影響因子集中在以下三個方面：

1) 船舶載重 不考慮滿載或空載情況，標(biāo)定載重噸對EEDI影響較大；EEOI則與船舶載航比密切相關(guān)，載航里程越長，其值越小.

2) 航速 航速大小直接影響EEDI公式值；對于EEOI，相同航程時，航速大即所用時間短，CO2消耗量少，使EEOI值減小.

3) 主、副機(jī) 主、副機(jī)功率越大，相應(yīng)EEDI值越大；EEOI主、副機(jī)及鍋爐的耗油量直接影響EEOI值大小.

EEDI，EEOI都針對船舶運(yùn)行過程中使用燃料造成溫室氣體排放的情況，且將CO2排放量作為唯一衡量標(biāo)準(zhǔn)，對比見表1.由于建造等階段也會造成CO2排放，并且單一CO2氣體的排放并不足以代表整個溫室氣體排放情況，所以這兩個能效評測指數(shù)存在進(jìn)一步的補(bǔ)充及改進(jìn)空間.

表1 EEDI與EEOI對比

2 基于LCA的船舶能效模型構(gòu)建

目前，IMO給出了船舶常用燃料的CO2排放系數(shù)，如果從生命周期的角度考慮的話，燃料生產(chǎn)過程中也會產(chǎn)生排放，而且產(chǎn)生這些排放的行為也是為船舶營運(yùn)服務(wù)的，所以評估船舶能效時應(yīng)把燃料生產(chǎn)過程考慮在內(nèi).大家都知道特斯拉一直以環(huán)保而著稱，但近幾年關(guān)于其爭議也越來越多，新加坡特斯拉Model S車主因排放過多CO2被罰款.而且國外研究LCA的學(xué)者從生命周期的角度對特斯拉的CO2排放進(jìn)行了評估，結(jié)果表明：一輛特斯拉Model S在其15萬km的壽命中將以發(fā)電形式排放13 t CO2, 電池生產(chǎn)階段會產(chǎn)生14 t CO2，生產(chǎn)和拆解過程會產(chǎn)生7 t CO2，生命周期內(nèi)共計(jì)產(chǎn)生37 t CO2，而與性能相近的柴油版奧迪A7 Sportback生命周期內(nèi)排放的CO2約35 t，少于特斯拉電動汽車,因此，文中初步嘗試從生命周期角度出發(fā)，更全面準(zhǔn)確的評估船舶能效.

2.1 LCA-CO2及LCA-GWP公式的構(gòu)建

將LCA方法引入到能效模型的構(gòu)建中，構(gòu)建LCA船舶能效模型，在研究伊始適當(dāng)簡化模型，將研究系統(tǒng)邊界限制在營運(yùn)階段.此時，LCA能效模型與EEDI/EEOI指數(shù)的區(qū)別一方面在于LCA模型從燃料生命周期的角度出發(fā)額外考慮了燃料生產(chǎn)過程中的排放；另一方面，EEDI/EEOI僅考慮了CO2氣體的排放，而LCA可以考慮多種排放氣體，甚至可以考慮多種環(huán)境影響類型.相比之下，LCA能效模型的核算更加全面，更能反映船舶的環(huán)境性能.

在構(gòu)建LCA能效模型時，提出LCA-CO2指數(shù)來衡量全生命周期中涵蓋燃料生產(chǎn)中的CO2排放問題.并且在EEDI，EEOI僅針對CO2氣體排放的基礎(chǔ)上，提出LCA-GWP指數(shù)，用來衡量船舶溫室氣體排放的能效水平.LCA能效公式為

(4)

(5)

式中：LCA-CO2為CO2排放的船舶LCA能效值；LCA-GWP為溫室氣體排放的船舶LCA能效值；i為航行次數(shù)；D為航行距離；GWP溫室氣體排放的特征化結(jié)果；mcargo為載貨量.

由于在船舶營運(yùn)階段，排放的產(chǎn)生與船舶機(jī)電設(shè)備及所用燃料密切相關(guān)，參照EEDI公式引入修正因子后擴(kuò)充為

(6)

LCA-GWP=

(7)

式中：l為機(jī)電設(shè)備的種類；h為溫室氣體種類；P為機(jī)電設(shè)備功率；G為耗油率；C為燃料生產(chǎn)過程CO2排放系數(shù)；F為燃燒過程CO2排放系數(shù)；fj為補(bǔ)償船舶特殊設(shè)計(jì)的修正系數(shù)；fi為對Capacity的修正系數(shù);fc為艙容修正系數(shù)；fw為失速系數(shù).

2.2 排放系數(shù)選取

所提出的LCA能效模型公式中，需求出燃料生產(chǎn)過程中的排放系數(shù)C及燃料燃燒過程中的排放系數(shù)F的值.排放系數(shù)是指排放物在某一活動下產(chǎn)生的比例，EEDI計(jì)算時IMO給出的排放系數(shù)是基于燃料的含碳量的量綱一的量轉(zhuǎn)化系數(shù).由于在船舶生命周期內(nèi)溫室氣體排放中，CO2，CH4和N2O三種占了排放總量的99%[11]，因此構(gòu)建的LCA-GWP模型僅考慮這三種排放物.而表2～3為三種常用燃料：重油(HFO)、輕柴油(MGO)、液化天然氣(LNG)的排放系數(shù)[12].

表2 不同燃料生產(chǎn)過程對應(yīng)的排放系數(shù)

表3 不同燃料燃燒過程對應(yīng)的排放系數(shù)

在LCA方法中，通過分類、特征化借助全球變暖潛勢GWP將溫室氣體都轉(zhuǎn)化為CO2當(dāng)量(CO2-eq)，作為碳排放的定量分析結(jié)果.表4為船舶溫室氣體排放種類及相應(yīng)全球變暖潛勢.

借助表4的全球變暖潛勢將溫室氣體轉(zhuǎn)化為CO2當(dāng)量(CO2-eq)，即將CH4，N2O排放因子轉(zhuǎn)化為CO2排放因子，對表2～3進(jìn)行綜合相加，得到表5中數(shù)據(jù).從該表結(jié)果看來，LNG排放因子偏大.LNG雖然作為清潔能源，組分較純、燃燒完全，但其并非零排放，不能減少所有排放物.文中僅考慮碳排放情況，為使LNG作為船舶燃料時更為環(huán)保，應(yīng)該逐步解決CH4氣體的泄露問題.

表4 船舶溫室氣體排放種類及相應(yīng)全球變暖潛勢

注：每1 g CO2排放對全球變暖的影響相當(dāng)于1/GWPg其余氣體.

表5 不同燃料生產(chǎn)、燃燒過程中對應(yīng)的排放系數(shù)

3 實(shí)船LCA能效模型排放基線擬合

前文提出了LCA能效模型的公式并選取了其排放系數(shù)，為驗(yàn)證船舶LCA-CO2,LCA-GWP的計(jì)算值是否符合能效標(biāo)準(zhǔn)，需與基線值進(jìn)行比較.基線值是船舶能效的衡量標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算值應(yīng)小于或等于基線值.IMO的EEDI等基線值均是采用數(shù)據(jù)擬合的方法進(jìn)行的.

3.1 實(shí)船數(shù)據(jù)來源

目前，我國正在營運(yùn)的船舶中以散貨船、油船和集裝箱船為主，除此之外，其他類型的船舶多為小種類船舶，較難獲取大量有效的樣本.因此，選取航行于我國內(nèi)河以及沿海、近海航區(qū)且總噸數(shù)不小于400的油船、集裝箱船和散貨船為研究對象，利用EEDI，LCA-CO2和LCA-GWP公式對不同船型和不同噸位的大量實(shí)船進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的排放基線的擬合，根據(jù)建立的排放基線，有助于了解我國現(xiàn)有入級船舶的能效水平，從而有針對性地對相應(yīng)排放實(shí)施控制.

通過對CCS入級船舶錄中的船舶進(jìn)行整理，從1990年起記錄在庫總噸數(shù)超過400的集裝箱船共有174艘，油船共有487艘，散貨船共有605艘.在研究時需要對采集到的樣本進(jìn)行初步的整理和剔除，但過分人為的剔除數(shù)據(jù)會影響結(jié)果的客觀性，因此，在整理樣本時主要遵循以下兩條原則：①剔除關(guān)鍵船型參數(shù)缺失的樣本(如載重噸、主機(jī)功率、設(shè)計(jì)航速等)；②剔除船型參數(shù)明顯有誤的樣本.

經(jīng)過整理后，最終得到847個有效樣本，不同船型的樣本分見表6.

表6 基礎(chǔ)船舶樣本數(shù)量統(tǒng)計(jì)

3.2 基線公式條件假設(shè)

由于目前沒有適用于LCA能效模型的基線公式，參照IMO提出的EEDI基線公式計(jì)算條件，在LCA能效模型基線回歸公式計(jì)算時做以下假設(shè)：

1) 參考EEDI基線式CO2排放系數(shù)取3.13，由于LCA能效模型中還需考慮燃料生產(chǎn)過程的排放，CO2排放系數(shù)取為3.399，考慮全球變暖潛勢GWP后溫室氣體排放系數(shù)取為3.524.

2)SFCME=190 g/(kW·h)；SFCAE=210 g/(kW·h)

3) 主機(jī)功率大于10 000 kW時副機(jī)功率PAE=0.025XME+250；主機(jī)功率小于10 000 kW時副機(jī)功率PAE=0.05XME.

4) 由于選取的有效樣本中的船舶基本上都不涉及共同規(guī)范和冰區(qū)加強(qiáng)等問題，因此功率系數(shù)fj取1.0，載重修正系數(shù)fi取1.0，同時也將失速系數(shù)fw取1.0.

3.3 LCA能效模型排放基線擬合結(jié)果

采用最小二乘法對不同船型的排放基線進(jìn)行擬合.基線表達(dá)式為aΔc，a和c均為常數(shù).表7為擬合所得的不同船型能效基線對應(yīng)的a，c值和決定系數(shù)R2.由表7可見，油船和散貨船的基線公式?jīng)Q定系數(shù)R2均大于0.8，擬合效果較好；集裝箱船的基線公式?jīng)Q定系數(shù)水平較低，僅為0.37，主要是由可收集到的集裝箱船樣本太少，且樣本的離散度較大造成的.

表7 各船型不同能效指數(shù)的a和c值

圖1為基于采集到的船舶樣本擬合出來的不同船型的能效基線.圖2為三種船型LCA-CO2基線公式對比.

1) 由圖1的線條走勢可知，LCA-CO2和LCA-GWP指數(shù)的基線變化趨勢與EEDI基線變化趨勢一致，均隨著船舶載重噸的增加而減小.且服從以船舶載重噸為自變量的乘冪函數(shù)分布.

圖1 三種船型EEDI，LCA-CO2，LCA-GWP的基線公式擬合

圖2 三種船型LCA-CO2基線公式對比

2) 從橫坐標(biāo)相同時三者縱坐標(biāo)大小可知，當(dāng)載重噸位相同時，LCA-GWP值最大，其次依次是LCA-CO2值、EEDI值.這是由于相比EEDI能效模型，LCA-CO2能效模型從燃料生命周期角度出發(fā)，考慮了燃料生產(chǎn)等額外排放因素，考慮船舶排放更為全面，而LCA-GWP能效模型在LCA-CO2能效模型基礎(chǔ)上額外考慮了CH4和N2O氣體的影響.

3) 由圖2可知，散貨船整體能效水平略優(yōu)于油船且優(yōu)于集裝箱船.其原因在于散貨船和油船航速較低，相應(yīng)的油耗較小，且貨艙容積利用率高；而集裝箱船航速相對較高，油耗大，貨艙利用率低，故能效水平比較低.

4 結(jié) 束 語

通過研究探索了LCA在船舶能效評測方面應(yīng)用的可行性：建立了LCA能效模型LCA-CO2和LCA-GWP，擬合了油船、散貨船及集裝箱船的排放基線.工作證明LCA方法不僅可用于船舶環(huán)境指標(biāo)評估，也拓展于船舶能效管理評估，與IMO監(jiān)管機(jī)制EEDI平行使用，可作為實(shí)用的補(bǔ)充工具，并且相比EEDI和EEOI，船舶LCA-CO2和LCA-GWP能效模型更加全面，且由于LCA方法在其他行業(yè)的廣泛應(yīng)用，其結(jié)果還可以作為一個跨行業(yè)部門的環(huán)境性能指標(biāo).

從長遠(yuǎn)來看，歐盟MRV機(jī)制旨在解決包括SOx和NOx等在內(nèi)的所有排放問題，而且隨著IMO排放控制區(qū)的設(shè)立以及Tier排放規(guī)則的不斷更新，對船舶排放的要求越來越高，限制的排放物種類越來越多，而LCA能效模型與當(dāng)前國際上航運(yùn)業(yè)減排政策的走向是一致的.將LCA方法應(yīng)用于船舶能效評估，拓展了思路，為制定更合理的船舶能效模型提供了技術(shù)方法.通過對CCS入級船舶庫中三大主力應(yīng)船型的LCA能效模型基線的擬合，計(jì)算分析了我國當(dāng)前入級船舶的在此指標(biāo)體系下的能效水平，這也將有助于我國航運(yùn)業(yè)防患于未然，在后續(xù)國際化船舶能效體系的實(shí)施中占據(jù)主動權(quán).

但構(gòu)造的LCA模型在研究探索中也發(fā)現(xiàn)了一些困難，如由于數(shù)據(jù)清單的搜集限制，此能效模型目前主要針對船舶營運(yùn)階段船舶燃料所產(chǎn)生排放的生命周期分析，雖然比現(xiàn)今實(shí)施的船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI拓展了能效生命周期分析的廣度(燃料的生命周期過程數(shù)據(jù))和深度(多種排放物質(zhì)的計(jì)入)范圍，但尚待我國逐步建立更完善的全生命周期數(shù)據(jù)庫，再進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究和完善.