基于MRV規(guī)則的船舶碳排放統(tǒng)計優(yōu)化研究

楊志林，鄭海林，陳玉傲，曹博文，刁航

（浙江海洋大學(xué)港航與交通運輸工程學(xué)院，浙江 舟山316022)

0 引 言

溫室氣體是影響全球氣候變暖的重要因素，二氧化碳被認(rèn)為是人為溫室氣體最大排放來源。在全球碳排放量中，船舶的碳排放所占的比例最大，伴隨著船舶碳排放的增加，船舶對環(huán)境的污染問題也引起了社會的廣泛關(guān)注。船舶碳排放監(jiān)測方法研究主要涉及港口、船東及其他航運相關(guān)部門等利益主體在經(jīng)濟(jì)、健康和環(huán)保上的具體利益，在減少大氣污染對人體、環(huán)境產(chǎn)生的不良影響等方面具有積極意義，也關(guān)系到營運船舶減排目標(biāo)的實現(xiàn)。因此，本文針對目前的船舶碳排放監(jiān)測方法及碳排放源進(jìn)行研究并提出相應(yīng)優(yōu)化措施。

1 船舶碳排放監(jiān)測方法

船舶在海上航行，其碳排放主要來源于主機(jī)、輔機(jī)、鍋爐、燃?xì)鉁u輪和惰性氣體發(fā)生器。各碳排放源使用燃油種類不一，故碳排放因子各不相同。船舶燃油一般分為兩類，即殘渣型（重油）和餾分型（輕油），前者用于船舶海上正常航行，后者用于船舶機(jī)動航行。另外，很多船舶還會采用貨物作為燃料，如LNG船舶。

對于遠(yuǎn)航貨輪而言，主機(jī)類型一般為低速柴油機(jī)（二沖程），使用重油，對應(yīng)碳排放因子為3.114或3.151，具體參考表1。

1.1 燃料供應(yīng)單（BDN）跟蹤和燃料艙定期盤點

BDN由燃料供應(yīng)商提供，內(nèi)容如下：1）接收燃料供應(yīng)船船名及其IMO編號；2）燃料供應(yīng)港口；3）燃料供應(yīng)開始時間；4）燃料供應(yīng)商名稱、地址和電話；5）燃料名稱；6）燃料數(shù)量（t）；7）燃料15 ℃下密度（kg/m3）；8）燃料含硫量質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；9）一份由供應(yīng)商代表簽署和證明的聲明（證明所供燃料符合MARPOL公約附則6第14.1或4（a）款和第18款的規(guī)定）。

表1 船舶各碳排放源特征

單位時間內(nèi)，船舶燃料消耗數(shù)量計算方法如下：

燃料消耗量=期初存量+BDN數(shù)量-期末存量-期間燃料駁出量。

該類方法精度差，使用范圍有限，不能分別對船舶各類碳排放源進(jìn)行逐個分析，只能粗略計算出碳排放源的燃料總消耗量，而且必須與燃料艙艙液位監(jiān)測方法結(jié)合使用。

1.2 燃料艙液位監(jiān)測

該類方法簡易，成本相對較低，也無法分別對船舶各類碳排放源進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測頻率一般為2 次/d，加裝燃料時為1次/15 min。液位監(jiān)測通過測深設(shè)備，讀出燃料艙液位高度，經(jīng)測深表轉(zhuǎn)換為燃料體積，再根據(jù)燃料密度（可通過BDN獲得）換算成燃料質(zhì)量。

單位時間或固定航次內(nèi)，船舶燃料消耗數(shù)量計算方法如下：

燃料消耗量（海上航行）=駛離當(dāng)前掛靠港時艙內(nèi)液位+航次期間加裝燃料時液位差-抵達(dá)下一相鄰掛靠港時艙內(nèi)液位-航次期間駁出燃料時液位差；

燃料消耗量（停港）=抵達(dá)當(dāng)前掛靠港時艙內(nèi)液位+停港期間加裝燃料時液位差-駛離當(dāng)前掛靠港時艙內(nèi)液位-停港期間駁出燃料時液位差。

1.3 針對燃料燃燒過程的流量計監(jiān)測

電子流量計主要測量累計流量的體積來進(jìn)行船舶主機(jī)碳排放源監(jiān)測。容積式流量計主要適用于中高速柴油機(jī)驅(qū)動的輔機(jī)、鍋爐等碳排放源，精度高達(dá)0.1%～0.2%。

流量計類型及特點如表2所示。

表2 船舶燃料監(jiān)測流量計種類及特點

單位時間或固定航次內(nèi)，船舶燃料消耗數(shù)量計算方法如下：

燃料消耗量（海上航行）=航次期間各碳排放源處流量計之和；

燃料消耗量（停港）=停港期間各碳排放源處流量計之和。

1.4 直接碳排放測量

使用廢氣流量計，通過主機(jī)、輔機(jī)、鍋爐煙囪等處所直接測量船舶碳排放，精確度高，成本高，且對于各類碳排放源均適用。

單位時間或固定航次內(nèi)，船舶燃料消耗數(shù)量計算方法如下：

燃料消耗量（海上航行）=航次期間廢氣總量×二氧化碳濃度/碳排放因子；

燃料消耗量（停港）=停港期間廢氣總量×二氧化碳濃度/碳排放因子。

2 船舶碳排放計算方法

2.1 基于IMO排放因子的碳排放計算方法

為不斷提高營運船舶能效，IMO正在逐步推進(jìn)發(fā)展EEOI的要求，EEOI為船舶能效營運指數(shù)[1-2]，在數(shù)值上等于燃油實際消耗量和二氧化碳排放因子的乘積與單位貨物周轉(zhuǎn)量（船舶載貨量乘以運輸距離）的比值。根據(jù)相關(guān)國際海洋公約規(guī)定，EEOI數(shù)學(xué)計算表達(dá)式為

式中：FCj為j類燃料油的實際消耗量；CFj為使用燃料油對應(yīng)的二氧化碳排放因子；mcargo為所載貨物運輸總量；D為所載貨物貨物運輸距離。

2.2 流量計監(jiān)測耗油量計算方法

船舶的燃油消耗量主要來自于船舶主機(jī)正常運轉(zhuǎn)的耗油量、船舶發(fā)電機(jī)的消耗、輔機(jī)鍋爐的消耗量。船舶排水量一定時，燃油消耗量正比于船速的3次方；當(dāng)船速一定時，燃油消耗量正比于排水量的2/3次方。結(jié)合式（1），單個航次的碳排放量可用公式（2）計算：

式中：ECX為一個航次船舶碳排放總量；EFCX為燃油時耗；i為出發(fā)港口；j為到達(dá)港口；MFK為主機(jī)每天燃油消耗量；S1k為實時航速；S0k為額定航速；AFK為輔機(jī)每天燃油消耗量；dij為兩港口之間的距離。

2.3 直接碳排放測量計算方法

單位時間或固定航次內(nèi)，使用廢氣流量計監(jiān)測計算船舶燃料消耗數(shù)量需要計算二氧化碳的濃度，測點煙道處氣體的總體積，航次間各類廢氣體（包括二氧化碳、一氧化碳、水蒸氣等）的體積分?jǐn)?shù)、測點壓力等數(shù)值。根據(jù)克拉伯龍方程[2]，二氧化碳排放率計算表達(dá)式為

式中：MCO2為二氧化碳排放率，t/s；P為測點絕對壓力，Pa；V總為測點煙道總體積，m3；R為標(biāo)準(zhǔn)氣體摩爾體積；T為熱力學(xué)溫度，K；VCO2和VCO為測點二氧化碳、一氧化碳體積分?jǐn)?shù)，%。

表3 碳排放監(jiān)測方法對比

式中：F為設(shè)備監(jiān)測平均負(fù)荷，t/h；Gm為設(shè)備平時平均負(fù)荷，t/h。

3 水運船舶碳排放統(tǒng)計存在問題分析

3.1 監(jiān)測方法對統(tǒng)計結(jié)果存在較大誤差

燃料供應(yīng)單（BDN）跟蹤和燃料艙定期盤點不適用以貨物為燃料的船舶或BDN無法獲取的船舶，而且必須與燃料艙液位監(jiān)測方法結(jié)合使用。忽略了燃料管系內(nèi)存留的燃料，計算出的船舶燃料消耗比實際偏大；燃料艙液位監(jiān)測，其精度與船體形狀和船舶內(nèi)部結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系[3],可以采取人工測量或者機(jī)器測量的手段，計算結(jié)果沒有包括燃料關(guān)系內(nèi)存留的燃料，使其計算結(jié)果偏大；使用流量計對燃料設(shè)備中燃料燃燒過程進(jìn)行監(jiān)測，計算結(jié)果較接近船舶實際消耗的燃料，且易于區(qū)分船舶在歐盟區(qū)域內(nèi)、外的碳排放，便于碳排放報告的編制，但監(jiān)測設(shè)備成本較高；廢氣流量計測量方法具有高精確度的特點，但是需要大數(shù)據(jù)的支持，再加上船東沒有系統(tǒng)的使用方法，缺乏相對的一些經(jīng)驗，二氧化碳排放量監(jiān)測系統(tǒng)在航運領(lǐng)域上仍可望不可及。

3.2 船舶碳排放計算方法適用性分析

3.2.1 IMO因子計算值存在差異

根據(jù)EEOI計算公式可知，船舶能效營運指數(shù)主要受燃料油的實際消耗量和二氧化碳排放因子的影響，二氧化碳排放因子與燃料種類有關(guān)，燃油的消耗量主要受到柴油機(jī)類型、船舶航速、載貨量等因素的影響。所以EEOI值與各影響因子不是簡單的線性相關(guān)關(guān)系。

3.2.2 流量計監(jiān)測計算使統(tǒng)計結(jié)果接近實際值

流量計監(jiān)測法在監(jiān)測各類碳排放源的同時，能夠考慮到燃料管系內(nèi)殘存的燃料，所以可較為全面地計算出船舶燃料消耗量。但是在實際應(yīng)用過程中，液體燃料的黏度、密度的差異性對速度傳感式、壓差式、容積式等流量計的測量精確度存在一定的影響。考慮到經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，水運船舶主要以密度大、黏度高、分子量大的重油作為燃料油，所以在使用流量計監(jiān)測統(tǒng)計時會使精確度降低。綜合以上因素，流量計監(jiān)測計算使統(tǒng)計結(jié)果更接近實際值。

3.2.3 現(xiàn)場廢氣流量計監(jiān)測使統(tǒng)計結(jié)果精確度較高

現(xiàn)場使用廢棄流量計進(jìn)行直接監(jiān)測燃料燃燒碳排放的情況，統(tǒng)計結(jié)果精確度較高。質(zhì)量比法主要受到燃料消耗量和時間的影響，對燃料消耗量的準(zhǔn)確度具有較高的要求，且監(jiān)測時間與記錄時間存在誤差，一般不采用此種方法。時間比法在保持鍋爐燃燒的狀況與監(jiān)測時間段一致的情況下有良好的計量效果，具有較高的實用價值。負(fù)荷比法結(jié)果較時間比法、質(zhì)量比法更為精確可靠，因為其考慮了輔機(jī)、鍋爐等影響因素。

4 船舶碳排放統(tǒng)計優(yōu)化措施

4.1 優(yōu)化監(jiān)測方法，探索新的減排視角

在改善船舶營運能效和適應(yīng)未來政策的潛力方面，供應(yīng)單跟蹤、液位測量僅提供燃料消耗總量，直接碳排放測量僅提供碳排放總量，而流量計監(jiān)測能夠?qū)崟r反饋船舶各個航行區(qū)間所有廢氣的排放數(shù)量；在減排推動作用方面，供應(yīng)單跟蹤、液位測量監(jiān)測已廣泛使用，不能提供新的減排視角，而流量計監(jiān)測和直接碳排放測量方法未廣泛采用，減排潛力較大，因此要充分發(fā)揮數(shù)字模式下的監(jiān)測方法。

4.2 分析影響因子的關(guān)聯(lián)度，提高碳排放量化精度

不同的量化方法受不同因素的影響。分析EEOI油耗量、載貨量和航行里程3個主要影響因子，保持其中兩個因素不變的條件下，船舶能效營運指數(shù)與油耗量、載貨量和航行里程分別呈線性正相關(guān)、線性負(fù)相關(guān)、非線性負(fù)相關(guān)。因此，要通過實船數(shù)據(jù)分析各個影響因子的關(guān)聯(lián)度，提高碳排放統(tǒng)計的精確度。

5 結(jié) 論

雖然MRV規(guī)則允許適用船舶可采用上述4類碳排放監(jiān)測方法中任何一種，但當(dāng)前船載二氧化碳?xì)怏w監(jiān)測設(shè)備并未廣泛使用，未來碳排放計算主要基于燃料消耗監(jiān)測，即燃料供應(yīng)單跟蹤、燃料艙液位監(jiān)測和流量計監(jiān)測方法。針對船舶碳排放的量化方法，發(fā)現(xiàn)水運船舶碳排放統(tǒng)計過程中受各種因素的影響程度不同而呈現(xiàn)非簡單的線性關(guān)系。