LNG船能效指數(shù)和碳強度指標計算

宋 源

2021年6月中旬，國際海事組織海洋環(huán)境保護委員會第76屆會議（MEPC 76）以視頻的方式召開，通過了MARPOL公約附則Ⅵ修正案（MEPC.328（76））。該修正案引入了兩個新的強制性要求：船舶能效指數(shù)（EEXI）和碳強度指標（CII）評級，并決定自2023年1月起對包括LNG船在內的國際航行船舶溫室氣體排放進行技術和營運雙重監(jiān)控。本文就船舶能效指數(shù)和碳強度指標的概念和規(guī)則進行介紹，通過典型船測算分析其對LNG船技術和營運的影響，最后提出相關建議。

一、船舶能效指數(shù)

船舶能效指數(shù)的英文名稱是Energy Efficiency Existing Ship Index（EEXI），表示一艘船運輸每噸貨物每海里排放的CO2質量（單位：g/t·nmile，克/噸·海里）。船舶能效指數(shù)將對所有400總噸及以上的國際航行船舶（包括采用電力推進的LNG船和豪華郵輪，無論交船時間先后）強制適用，目前僅對諸如海工平臺、極地規(guī)則（Polar Code）中的A類船、采用非機械或非常規(guī)推進的船舶等一些特殊船舶予以排除。

修正后的MARPOL公約附則Ⅵ第23、25條中引入了“Attained EEXI”和“Required EEXI”，分別表示每艘船經計算后達到的船舶能效指數(shù)值和各船型要求的船舶能效指數(shù)值。相關要求概括如下：

1.Attained EEXI

由MARPOL公約附則Ⅵ第23條以及《Attained EEXI計算方法導則（2021）》（后稱導則）予以規(guī)定。如船舶已適用EEDI新船設計能效指數(shù)，則其經驗證的EEDI可直接認定為Attained EEXI。由此可見，船舶能效指數(shù)的計算規(guī)則與EEDI一脈相承，公式也基本相同。

2.Required EEXI

MARPOL公約附則Ⅵ第25條新增內容如下：

其中：X為折減系數(shù)——MARPOL公約附則對各種船型的折減系數(shù)有著不同的規(guī)定；EEDI Reference Line即EEDI基線值，計算公式由附則Ⅵ第24條規(guī)定，如表1所示。

表1 各船型EEDI基線值計算公式表

由此可知，要得到某種船型的Required EEXI值，先要求得其EEDI基線值，然后查找X對EEDI基線值折減。如圖1所示。

圖1 Required EEXI公式示意圖

3.公約要求

船舶Attained EEXI應小于等于Required EEXI，否則船東必須采取有效措施，如限制主機功率（Engine Power Limitation）、安裝節(jié)能裝置、使用低碳燃料等改進船舶能效。

4.生效及實施

船舶能效指數(shù)相關規(guī)則的生效及實施時間節(jié)點為：2021年6月MEPC 76屆會議通過相關決議；2022年11月1日MARPOL公約附則Ⅵ修正案將正式生效；2023年1月1日起對所有適用船舶開始實施，也就是即日起所有適用船舶應在其證書第一個年度檢驗、中間檢驗或換證檢驗時向船旗國批準的主管機關申請認證Attained EEXI，并取得標注有本船Attained EEXI和Required EEXI的新版IEEC證書。

5.船舶能效指數(shù)小結

船舶能效指數(shù)本質上取決于船型、推進系統(tǒng)配置及效率，因此也被稱作技術能效指數(shù)。

二、碳強度指標

碳強度指標的英文名稱是Carbon Intensity Indicator（CII），表示船舶在一個營運年度中運輸每噸貨物每海里排放的CO質2量（單位：g/t·n mile，克/噸·海里）。碳強度指標將對所有5 000總噸及以上適用EEDI要求的國際航行船舶（無論交船時間先后）強制適用。

修正后的MARPOL公約附則Ⅵ新增了第28條，引入了“Attained Annual Operational CII”和“Required Annual Operational CII”兩個指標，分別表示每艘船經計算后達到的年度運營碳強度指標值和要求的年度運營碳強度指標值，要求每年對適用船舶進行計算并評級。MPEC 76會議通過了四個導則，以作為對碳強度指標計算評級的必要支持。下面分別予以簡要介紹。

1.G1/碳強度指標導則

MEPC.336（76）決議規(guī)定了碳強度指標相關計算公式和參數(shù)定義，內容如下：

（1）達到的年度營運碳強度指標（Attained annual operational CII），是一個日歷年度中船舶排放的CO2總質量（M）與總運輸做功（W）的比，即

（2）年度CO2排放總質量（M），是船舶一個日歷年中消耗的燃料總質量乘以碳轉換系數(shù)，即

其中：FC取決于船舶在IMO Data Collection System（DCS）中的上報數(shù)據(jù)；CF（碳轉換系數(shù)）取決于燃料種類，具體情況在《EEDI計算方法導則（2018）》（Resolution MEPC.308（73））中列明。

（3）運輸做功（W），是船舶一個日歷年中運輸容量與運輸距離的乘積，即

其中：對于包括LNG船在內的大部分船型船舶，C取決于船舶夏季載重線吃水時的載重量；Dt取決于船舶在IMO DCS中的上報數(shù)據(jù)。

2.G2/碳強度指標基線導則

MEPC.337（76）決議規(guī)定各船型碳強度指標基線值的計算公式為

其中：CIIref是2019年碳強度指標基線值；參數(shù)a、Capacity、c則由表2定義。

表2 各船型CII計算公式參數(shù)表

3.G3/碳強度指標折減率導則

MEPC.338（76）決議規(guī)定了2023—2030各年份Required CII在2019年基線值上的折減，且折減率每年遞增2%。計算公式為

其中：CIIref是由G2導則計算得到的2019年碳強度指標基線值；Z是折減率（按規(guī)定，2023—2026年的Z值分別為5%、7%、9%、11%，2027—2030年的Z值將由IMO根據(jù)規(guī)則的執(zhí)行效果進一步確定）。

4.G4/碳強度指標評級導則

MEPC.339（76）決議規(guī)定了碳強度指標評級方法：船舶年度Attained CII值應與該年度的RequiredCII值進行比較，按照G4導則給出的船型邊界線確定該年度船舶碳強度指標級別；評級從優(yōu)至差分為A～E共5級，其評級邊界如圖2所示。

圖2 CII評級邊界示意圖

評級邊界以2019年碳強度指標基線值為中心，中間的30%區(qū)域為C級，然后向上下各劃出20%區(qū)域為D和B級，最兩端各15%區(qū)域為E和A級。G4導則中各船型的評級邊界線d1～d4取值參見表3。

表3 各船型CII評級邊界線參數(shù)表

5.小結

MARPOL公約規(guī)定，船舶自2023年起要每年向主管機關申報年度營運碳強度指標，接受驗證和評級。如果連續(xù)3年營運碳強度指標評級為D或任何一年評級為E，就必須修訂SEEMP，并向主管機關提交改進措施計劃，經驗證批準后，才能獲得相關的碳強度指標符合證明。

碳強度指標與船舶營運狀態(tài)密切相關，并且評級機制還引入了以每年2%遞增的折減系數(shù)。因此，其對整個航運界的碳減排影響深遠。除船東以外，租船人、第三方船管公司等也必須認真對待，提前做好準備。

三、LNG船基本特點

LNG船的特點較多，在此僅討論與本文主題相關性較強的幾個。

1.貨物特性

LNG是以甲烷為主要成分的烴類混合物，含有少量的乙烷、氮等其他成分；密度通常在 420～470 kg/m3之間，沸點在大氣壓力下通常為-166～-157 ℃，隨大氣壓力的變化約為1.25×10-4℃/Pa；在運輸?shù)倪^程中會持續(xù)不斷地產生蒸發(fā)氣（Boiloff Gas，BOG），其蒸發(fā)率（Boil-off Rate，BOR）取決于船舶貨艙貨物圍護系統(tǒng)的保溫絕熱性能。

2.燃料種類

營運中的LNG船以貨艙蒸發(fā)氣為燃料，并且主機和副機均能使用。蒸發(fā)氣不含硫化物（SOx），氮氧化物（NOx）的成分也極低，燃燒性能極佳：其低熱值達48 000 kJ/kg，與船用柴油熱值（42 700 kJ/kg）、重油熱值（40 200 kJ/kg）相比明顯要高。

3.推進系統(tǒng)

LNG船推進系統(tǒng)有蒸汽輪機、電力推進、常規(guī)低速柴油機、雙燃料低速柴油機等類型。目前除了少數(shù)LNG船采用只能燒油的常規(guī)低速柴油機推進外，幾乎所有的LNG船均可使用氣/油雙燃料推進系統(tǒng)，且能根據(jù)需要切換。因此，主管機關一般都將LNG船的主燃料認定為天然氣。

4.能效管理

在運輸LNG途中，貨艙每時每刻都在動態(tài)地產生蒸發(fā)氣，因此必須精確管控貨艙壓力和貨物溫度，以獲得理想航速。特別要注意的是，船舶降低航速帶來的運輸時間增加會使貨艙產生更多蒸發(fā)氣，對能效管理不利。

5.營運方式

LNG船一般都是期租給大型石油公司或專業(yè)LNG貿易商等貨主方經營的，船舶的實際經營人是租家，管理人是船東委托的專業(yè)第三方船管公司，船東的身份通常只是船舶資產的股東方（投資人），不參與船舶的實際經營調度和船舶管理，但船東和第三方船管公司卻是碳排放控制的重要相關方。

四、LNG船能效指數(shù)計算方法和實例

計算LNG船能效指數(shù)，應先從公式入手。導則的完整公式過于復雜，為便于討論，筆者將其簡化后得到概念化計算式為

這一公式適用于沒有安裝創(chuàng)新技術節(jié)能措施的情形。下面結合LNG船的特點闡述計算方法。

1.分子與分母

分子部分是計算主機和副機單位時間產生的CO2量（單位：g/h），需分別計算后求和。LNG船一般較少采用導則認可的減少推進能耗的技術，因此分子部分不必考慮扣減項。分母是船舶夏季載重線吃水時載重量與該吃水點的計算航速之乘積（單位：t·n mile/h），由此得到船舶能效指數(shù)值（單位：g/t·n mile）。

2.主機功率（PME）

根據(jù)導則的規(guī)定，對于配置低速二沖程主機+發(fā)電機組的LNG船，主機功率以75% MCR為準。對于以推進電機替代常規(guī)主機的電力推進LNG船，導則規(guī)定其主機功率計算公式為

其中：MPP為推進電機額定功率；η為電推系統(tǒng)效率，為91.3%。

3.副機功率（PAE）

根據(jù)導則規(guī)定，對于總推進功率為10 000 kW或以上的船舶，副機功率計算公式為

其中：（0.02×PME）是蒸發(fā)氣壓縮機為XDF主機燃氣系統(tǒng)供氣所需的附加功率。

對于配置再液化系統(tǒng)和采用高壓供氣系統(tǒng)的LNG船，導則也規(guī)定了各自附加功率的計算方式，在此省略。

4.燃料單耗

主機按75% MCR點時的單耗計算，副機按各臺發(fā)電機50% MCR點時的平均單耗計算。值得注意的是，LNG船主、副機除使用天然氣為主燃料外，還有少量的點火油也需計算CO2排放量并加入分子部分。

5.碳轉換系數(shù)

導則給出的常用燃料熱值及轉換系數(shù)見表4。其中，LNG的碳轉換系數(shù)為2.75，點火油碳轉換系數(shù)按柴油取3.206。表4非常清晰地表明，作為燃料，LNG熱值高于其他品種，但碳轉換系數(shù)只有2.75，減排效應明顯。值得注意的是，甲醇的碳轉換系數(shù)最小，只有LNG的一半，其熱值也最低，只有LNG的41.5%?；诖?，人們對甲醇作為碳減排替代能源的有效性存在質疑。因為燃燒熱值過低的燃料獲得能量，即便燃料本身的碳含量很低（碳轉換系數(shù)?。?，其消耗量也是非常大的，機器的燃燒效率將難以提高，總的碳排放量不一定降低。

表4 常用燃料碳轉換系數(shù)表

6.載重量

指夏季載重線吃水的載重量。

7.航速

指夏季載重線吃水時主機在75%MCR下的船舶航速，一般需要從船模試驗報告中求得。

8.LNG船能效指數(shù)測算實例

以某17.4萬m3LNG船為例，測算船舶能效指數(shù)并判斷其能否符合新規(guī)。該船的基本配置為2臺XDF雙燃料柴油機主機，雙槳雙舵，4臺雙燃料四沖程發(fā)電機組，無軸帶發(fā)電機，無再液化裝置，且不考慮其他節(jié)能措施。所需要的基本參數(shù)（均為實船數(shù)據(jù)）見表5。

表5 17.4萬m3LNG船能效指數(shù)測算參數(shù)表

計算步驟如下：

（1）計算Attained EEXI：將表5中的參數(shù)代入公式（2）得到Attained EEXI＝4.882。

（2）計算EEDI基線值：如表2所示，該船的EEDI基線值為2 253.7×91 400-0.474＝10.03。

（3）折減系數(shù)（X）：MARPOL公約規(guī)定10 000載重噸及以上LNG船Phase 3階段X＝30。

（4）計算Required EEXI：Required EEXI＝（1-30/100）×EEDI Reference Line＝7.023。

教師到企業(yè)掛職，可以通過對企業(yè)工作任務、企業(yè)項目開發(fā)、企業(yè)崗位工作需求等調研，并通過在崗位上實際工作開展，與工作人員、項目開發(fā)團隊等深入交流，了解企業(yè)專業(yè)崗位的職業(yè)能力要求，并對同類企業(yè)和崗位的發(fā)展趨勢有較深了解。針對行業(yè)背景和專業(yè)發(fā)展趨勢，對計算機專業(yè)的課程體系改革、專業(yè)設置、人才培養(yǎng)模式可以給出相對準確的改革方向，對于計算機專業(yè)學生的培養(yǎng)，目標更明確，使學生能夠適應企業(yè)崗位的要求。

（5）測算結果及分析：該船Attained EEXI（4.882）＜Phase 3的Required EEXI（7.023），完全滿足2023年起生效的船舶能效指數(shù)新規(guī)則要求。

通過計算可知，影響船舶能效指數(shù)合規(guī)性的主要因素是船型、燃料種類、機器的功率和燃料單耗、航速和載重量，特別是在船型和主、副機配置基本確定的情形下，選擇以天然氣為主燃料可以降低14%的碳轉換系數(shù)，機器燃料消耗率會更低，對降低船舶能效指數(shù)的貢獻最顯著；反之，同樣的船型和機器配置的LNG船若只能使用燃料油，其船舶能效指數(shù)可能會超過要求，船舶必須采取主機功率限制（EPL）等方式來滿足合規(guī)性要求。

五、LNG船碳強度指標計算和評級

仍以17.4萬m3LNG船為例，因為計算需要有營運數(shù)據(jù)，故以該船歐洲—中國某航次的數(shù)據(jù)為準。航線：Zee Brugge—大連；往返航程：23 000 n mile（經蘇伊士運河）；航次天數(shù)：56天；平均航速：17 kn；貨艙蒸發(fā)率：滿載航行0.10%/天；日平均BOG量：75 t；夏季吃水線載重量：91 400 t。

計算步驟如下：

1.計算Attained CII

將數(shù)據(jù)代入前文介紹的G1導則公式（2），可得到該航次Attained CII＝5.66（詳細計算過程略）。

2.計算碳強度指標基線值

將船舶載重量數(shù)據(jù)代入G2導則公式（5），并查表2得到公式參數(shù)a＝1.447 9×1010，c＝2.673，由此可得到該船2019年基線值CIIref＝7.95。

3.計算2023—2026各年Required CII

表6 2023—2026各年折減率和Required CII

4.碳強度指標評級邊界

根據(jù)表3，查到該船對應的10萬載重噸以下LNG船的4個邊界值d1～d4分別為0.78、0.92、1.10、1.37。以2023年為例，Required CII＝7.55，則該年度碳強度指標各級別的邊界如圖3所示。

圖3 17.4萬m3LNG船2023年碳強度指標評級邊界示意圖

5.碳強度指標評級結果

前面已算得該船航次營運Attained CII＝5.66，對照圖3，可知其落在A級區(qū)域。也就是說，該船2023年如果在類似參數(shù)的航線保持營運，其年度碳強度指標評級將是A級；2024年也可以保持在A級，但從2025年起將降為B級，因為A級邊界線每年折減2%。

6.影響碳強度指標評級的因素

碳強度指標評級是基于船舶每年的實際營運數(shù)據(jù)，并對照該年度要求的碳強度指標值確定的評級邊界來定級。通過選取典型航線模擬自測可知，船舶營運相關的航線、航速等可變因素對年度達到的碳強度指標值影響很大，特別是LNG船使用貨艙蒸發(fā)氣為燃料，如果航速保持在每天自然蒸發(fā)氣供給的能量范圍內（一般為17～18.5 kn），則既能提高航次周轉效率，又無燃料額外消耗，航線營運碳強度指標將保持在理想水平。如果租家發(fā)出的航次指令時間過于寬裕，平均航速很低，同樣的航線每多跑一天，就要多消耗一天的蒸發(fā)氣，相應帶來的CO2排放就多出一天的量，一年下來對營運碳強度指標的負面影響不小。比如前面測算的17.4萬m3LNG船的典型航線，每多用1天，航次Attained CII值就將增加0.1 g/t·n mile，最直接的后果則是盡管船舶設計建造完全具有達到A級的技術標準，機器效率也沒有惡化，但船舶年度碳強度指標評級也無法達到A級。

六、小結

（1）船東應對MPEC 76屆會議的相關決議和即將生效的MARPOL公約附則VI修正案予以重視，提前對自家船隊進行專業(yè)技術評估，為2023年起國際航行船舶碳排放合規(guī)做足準備，避免因為船隊存在碳排放劣勢而成為IMO新規(guī)下市場優(yōu)勝劣汰中的輸家。

（2）本文重點研究的17.4萬m3LNG船能效指數(shù)顯著地低于MARPOL公約要求的限值，彰顯了優(yōu)化船型設計和推進系統(tǒng)的重要性以及采用蒸發(fā)氣為主燃料的優(yōu)勢。然而，一些船型設計和推進系統(tǒng)老舊或者無法以蒸發(fā)氣為主燃料的LNG船，仍將面臨2023年船舶能效指數(shù)限值的大考，船東需盡早制訂技術改進措施，比如采取主機功率限制或者直接將其改造成使用雙燃料。

（3）大型LNG船盡管在船舶能效指數(shù)上高枕無憂，但仍需重視營運碳強度指標評級問題，特別是要充分預判航次指令對碳排放的影響，采取合理有效的措施減少蒸發(fā)氣額外消耗，為年度碳強度指標評級積累基礎數(shù)據(jù)。同時，船東要加強與租家、第三方船管公司協(xié)同，使各相關方一起為船舶營運碳減排而努力，而不是僅僅讓船東一方去面對合規(guī)的義務和挑戰(zhàn)。

（4）航運業(yè)已面臨碳減排戰(zhàn)略的重大抉擇，各種不同的觀點和爭議此起彼伏，包括對LNG能否成為終極清潔燃料的質疑和對甲醇等替代燃料的宣傳。然而，通過對LNG船能效指數(shù)的分析和試算，以及對不同燃料的碳轉換系數(shù)的比較，都顯示了LNG高熱值和低碳的本質特征。可以說，LNG是當之無愧的優(yōu)質清潔能源。未來船東投資建造新船選擇哪種燃料，應該從中得到啟發(fā)。

（5）《中國天然氣發(fā)展報告（2021）》指出，天然氣是清潔低碳的化石能源，是保障能源安全的“壓艙石”，是新能源電力安全的“穩(wěn)定器”，“雙碳”目標下它將在國家能源體系中展現(xiàn)韌性。現(xiàn)代化的大型LNG船不僅自身船舶能效指數(shù)優(yōu)異，營運碳強度指標達到A級，更是運輸海上清潔能源的戰(zhàn)略投送部隊，是實現(xiàn)“雙碳”目標和“美麗中國”的重要力量，正可謂廣闊天地、大有作為！