基于EEXI 計(jì)算方法的大型礦砂船節(jié)能改造能效分析

胡敬梁 田兆波 王 興 李 磊

（1.中國(guó)船級(jí)社青島分社，山東青島 266000；2.山東海運(yùn)散貨運(yùn)輸有限公司，山東青島 266000）

0 引言

為實(shí)現(xiàn)航運(yùn)碳強(qiáng)度2030 年減排40%的戰(zhàn)略目標(biāo)，促使航運(yùn)溫室氣體排放盡快達(dá)到峰值，國(guó)際海事組織海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（MEPC）于2021 年6 月召開(kāi)的第76屆會(huì)議審議通過(guò)了《MARPOL 公約》附則VI 的修正案MEPC.328(76)[1]，對(duì)國(guó)際航行的現(xiàn)有船舶提出了能效指數(shù)（EEXI）限值要求和營(yíng)運(yùn)碳強(qiáng)度指標(biāo)（CII）評(píng)級(jí)要求。該要求將在2023 年1 月1 日起實(shí)施，覆蓋散貨船、集裝箱船、油輪、客滾船等12 種主要船型。根據(jù)VesselsValue 網(wǎng)站最新發(fā)布的報(bào)告顯示，超過(guò)75%的油輪，散貨船和集裝箱船不符合EEXI 的要求。這些船舶將不得不采用限制發(fā)動(dòng)機(jī)功率、加裝節(jié)能設(shè)備等方式提升能效以滿足要求。然而船東大多對(duì)節(jié)能改造的實(shí)際效果不甚了解，相關(guān)的投資回報(bào)也不甚清晰,因此不敢貿(mào)然選擇改造船舶。本文通過(guò)EEXI 的計(jì)算公式，對(duì)某大型礦砂船加裝節(jié)能設(shè)施前后的能效水平進(jìn)行量化分析，為其他船舶的節(jié)能改造和船東后續(xù)船隊(duì)規(guī)劃提供參考和建議。

1 EEXI 淺析

1.1 EEXI 簡(jiǎn)介

EEXI（ENERGY EFFICIENCY EXISTING SHIP INDEX）指的是現(xiàn)有船舶技術(shù)能效指數(shù)，與EEDI（新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)）要求類似，MEPC.328(76)要求的 EEXI（Required EEXI）基本等同2022 年4 月1 日生效的對(duì)新造船的Required EEDI 要求（EEDI Phase2 或 Phase3，視船型而定），但對(duì)部分船型有所放寬。納入要求的12 種400 總噸以上的常見(jiàn)船型需在2023年1 月1 日起首次IAPP 證書(shū)年度、中間或換證檢驗(yàn)（取早者）完成EEXI 驗(yàn)證，并換發(fā)IEE 證書(shū)。因此，所有需要滿足EEXI 要求的船舶必須在2023 年的第一次IAPP 常規(guī)檢驗(yàn)前，完成對(duì)船舶的Attained EEXI 評(píng)估工作。對(duì)于不滿足EEXI 要求的船舶，應(yīng)采取有效措施使得船舶的Attained EEXI 不大于船舶的Required EEXI。相關(guān)的EEXI 技術(shù)案卷和提高船舶能效措施的文件需要獲得主管機(jī)關(guān)或者被認(rèn)可組織的批準(zhǔn)。

1.2 EEXI 計(jì)算

EEXI 計(jì)算公式如下：

EEXI 計(jì)算公式主要由四部分構(gòu)成：主輔機(jī)功率和油耗、載運(yùn)能力、航速和修正系數(shù)。受篇幅所限，本文不對(duì)公式展開(kāi)論述。由于此次船舶主要在船體上加裝了前置預(yù)旋導(dǎo)輪和消渦鰭兩個(gè)節(jié)能裝置，在EEXI 計(jì)算中對(duì)于船舶的主輔機(jī)功率和油耗、載運(yùn)能力和修正系數(shù)沒(méi)有影響。因此本文只敘述航速對(duì)于EEXI 計(jì)算的影響。

1.3 參考航速Verf 介紹

不同于EEDI 的計(jì)算，EEXI 的參考航速可以通過(guò)多種渠道獲得，例如船舶EEDI 報(bào)告、船模水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)、航行試驗(yàn)數(shù)據(jù)、營(yíng)運(yùn)中的航速測(cè)量、估算法等。對(duì)于船舶在船體上加裝的節(jié)能裝置，其提升的能效無(wú)法直接帶入EEXI公式進(jìn)行計(jì)算。如果需要獲得節(jié)能改造后船舶新的Attained EEXI，通常需要在改造后進(jìn)行船模水池試驗(yàn)、航行試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集等方式，重新獲得船舶的參考航速Verf。從計(jì)算的角度講，在相同的功率、油耗和載運(yùn)能力下，船舶通過(guò)節(jié)能裝置的改造獲得了更高的航速，反應(yīng)在計(jì)算中的Attained EEXI 值更小，因此能效更高。本文中所述船舶亦是用此種方法獲得改造后的Attained EEXI 值。

2 某大型礦砂船節(jié)能改造裝置介紹

為了進(jìn)一步提升船舶能效，滿足EEXI 的要求，提升未來(lái)CII 的評(píng)級(jí)，某公司將其營(yíng)運(yùn)的大型礦砂船進(jìn)行了節(jié)能裝置的改造。在船舶塢修期間為其加裝了前置預(yù)旋導(dǎo)輪和消渦鰭。其中，前置預(yù)旋導(dǎo)輪（PSV）是一種由導(dǎo)管和定子組合而成的水動(dòng)力節(jié)能裝置，裝于螺旋槳前方的船體上。前置預(yù)旋導(dǎo)輪以較小的阻力為代價(jià)，產(chǎn)生預(yù)旋進(jìn)流以降低螺旋槳尾流的旋轉(zhuǎn)能量損失，從而提高了螺旋槳的推進(jìn)效率[2]；消渦鰭是在螺旋槳導(dǎo)流帽上增設(shè)與槳葉數(shù)相同的小鰭片，以消除螺旋槳轂渦能量損失為目的的一種船舶水動(dòng)力節(jié)能裝置。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)，加裝前置預(yù)旋導(dǎo)輪能效提升約為3%至8%，消渦鰭的能效提升約為2%～ 5%。

3 某大型礦砂船EEXI 計(jì)算過(guò)程

為了對(duì)比節(jié)能改造前后的船舶能效提升，對(duì)某大型礦砂船改造前后進(jìn)行了兩次Attained EEXI 計(jì)算。

首先，要確定本船的Required EEXI。由于改造前后船舶的載重噸并未發(fā)生改變，因此船舶的Required EEXI 在改造前后不發(fā)生變化。本船所需達(dá)到的Required EEXI 計(jì)算過(guò)程為：

根據(jù)MARPOL 附則V 第24 條表2 獲得本船的基線值RLV（reference line value）：

Required EEXI 計(jì)算過(guò)程如下:

其中,y=15 為本船在MARPOL 附則V 第25 條表3 中獲得的折減系數(shù)。

由以上計(jì)算可得，本船的Required EEXI 為2.07 g-CO2/ton mile。

與船舶EEXI 計(jì)算相關(guān)的主要參數(shù)有：

（1）載重噸：402 387.1 t

（2）主機(jī)的MCR（Maximum Continuous Rating 最大持續(xù)功率）為：29 260 kW

（3）主機(jī)在75% MCR 下的燃油消耗率為：174.16 g/kWh

（4）3 臺(tái)輔機(jī)的MCR 為：1 270 kW

（5）輔機(jī)在50%的MCR 下的燃油消耗率分別為：194.52/194.39/193.15 g/kWh。

（6）主輔機(jī)的燃油消耗率均取自臺(tái)架試驗(yàn)，使用燃油類型為柴油。因此主輔機(jī)的燃油消耗量與CO2排放量之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)CF均為3.206。

以上的參數(shù)在前后兩次測(cè)算過(guò)程中均未發(fā)生變化，后面不再?gòu)?fù)述。

3.1 改造前的船舶航速的獲取及EEXI 測(cè)算

改造前后發(fā)生變化的主要參數(shù)為船舶的參考航速Verf。EEXI 計(jì)算導(dǎo)則MEPC.350(78)[3]中列舉了多種獲取參考航速Verf的方法。對(duì)于EEDI 船舶，在EEXI 的計(jì)算中直接使用EEDI 的航速即可；對(duì)于非EEDI 船舶，可以利用模型試驗(yàn)、試航報(bào)告和EEXI 計(jì)算導(dǎo)則給出的估算公式、船舶在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等方法獲得航速。

標(biāo)題輪為非EEDI 船舶，由于在試航的過(guò)程中，船廠對(duì)船舶在EEDI 吃水下的航速進(jìn)行了測(cè)試，記錄了風(fēng)浪流等數(shù)據(jù)，并利用船模水池實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)航速進(jìn)行了校準(zhǔn)。符合MEPC.350(78)中2.2.3.3 條對(duì)于非EEDI 船航速的認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)。因此采用以下公式獲得航速Vref：

其中，

VS,EEDI：是指在EEDI 吃水下獲得的試航服務(wù)航速。

PS,EEDI：是指在VS,EEDI航速下的主機(jī)功率。

在試航報(bào)告中，獲得的VS,EEDI為15.17 kn，PS,EEDI為21 627 kW。

最終可得Vref為：

將以上數(shù)據(jù)帶入EEXI 計(jì)算公式，可得到本船改造前的Attained EEXI 為：

由以上計(jì)算可得本船改造前的Attained EEXI 為2.10 g-CO2/ton mile。

由于本船在改造前的Attained EEXI 大于了Required EEXI。因此，如果不經(jīng)改造，本船將不得不采取降低主機(jī)功率的方式滿足Required EEXI 要求。

3.2 改造后的船舶航速及EEXI 測(cè)算

根據(jù)MEPC.350(78)第2.2.3.7 條規(guī)定，如果船舶加裝了節(jié)能設(shè)施，其能效的提升可以由船舶的參考航速Vref體現(xiàn)。獲得Vref的方法應(yīng)符合相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并應(yīng)由相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)可。船舶的Vref可以通過(guò)以下的方法獲得：

（1）加裝節(jié)能裝置后進(jìn)行的航海測(cè)試；

（2）船舶營(yíng)運(yùn)中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；

（3）船模水池試驗(yàn)；

（4）數(shù)值模擬計(jì)算。

出于成本和可操作性的考量，目前絕大部分船東選擇了船模水池試驗(yàn)的方式獲得航速Vref。通常由改造方提供從船舶改造設(shè)計(jì)、實(shí)船改造、船模水池試驗(yàn)全套服務(wù)。本船的船模水池試驗(yàn)是由改造方執(zhí)行，并經(jīng)船級(jí)社認(rèn)可。

通過(guò)船模水池試驗(yàn)，可以獲得船舶在符合EEDI 吃水和工況下的速度功率曲線，具體見(jiàn)表1、圖1：

表1 船舶在符合EEDI 吃水和工況下的速度功率

圖1 船舶在符合EEDI 吃水和工況下的速度功率曲線示意圖

其中：

將新的航速Vref 帶入EEXI 計(jì)算公式，可得到本船改造后的Attained EEXI 為：

改造后的Attained EEXI 為2.04(g-CO2/ton mile)，小于本船需要達(dá)到的Required EEXI 為2.07 (g-CO2/ton mile)。此時(shí)船舶已經(jīng)無(wú)需再使用其他措施即可直接滿足EEXI的要求。

4 某大型礦砂船改造后能效數(shù)據(jù)分析

雖然本船通過(guò)節(jié)能改造成功的使船舶滿足了EEXI 的要求。但是通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析可發(fā)現(xiàn)，基于EEXI 計(jì)算方法獲得的船舶能效提升并不如預(yù)期中的理想。根據(jù)前面的計(jì)算，本船的Attained EEXI值由改造前的2.10(g-CO2/ton mile)提升至2.04(g-CO2/ton mile)，提升幅度僅為3%。

與此同時(shí)，為了評(píng)估改造后實(shí)船能效的提升，船東統(tǒng)計(jì)了改造后首個(gè)往返航次的油耗數(shù)據(jù)。為了排除船體污底程度差異對(duì)節(jié)能效果分析造成影響，船東提供的節(jié)能改造前油耗為上一次船舶塢修后的第一個(gè)往返航次的營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)。為了排除惡劣天氣、海況對(duì)實(shí)船營(yíng)運(yùn)油耗數(shù)據(jù)分析的影響，在去除了所有浪高大于3 m 所在日期的油耗數(shù)據(jù)后，進(jìn)行了對(duì)比分析。分析結(jié)果見(jiàn)表2：

表2 節(jié)能改造后裝載狀態(tài)下油耗比較

從表1 可以看出，實(shí)船日均油耗在改造后降低了7.81%，與改造方提供的預(yù)測(cè)能效提升值接近，遠(yuǎn)高于EEXI 計(jì)算中3%的能效提升。綜合分析兩種能效評(píng)估過(guò)程，產(chǎn)生以上差異的根本原因，是EEXI 和船東統(tǒng)計(jì)能效的側(cè)重點(diǎn)不同。EEXI 選擇了參考航速Verf來(lái)統(tǒng)計(jì)能效提升，而船東則選擇了油耗來(lái)統(tǒng)計(jì)能效提升。

根據(jù)EEXI 的計(jì)算公式，Attained EEXI 的結(jié)果正比于船舶的Vref。因此船舶改造后Attained EEXI 值的提升完全正比于船舶的Vref提升。本船的參考航速Vref由改造前15.24 kn提升至15.7 kn，提升幅度約為3%，因此Attained EEXI 值也相應(yīng)地提升了3%。

而在船舶實(shí)際營(yíng)運(yùn)的過(guò)程中，船東會(huì)綜合市場(chǎng)需求、合同、油耗經(jīng)濟(jì)性等多方面因素確定航速。本船固定往返于巴西和亞洲間的港口，在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中的工況相對(duì)固定。對(duì)于船東來(lái)說(shuō)，衡量船舶能效的標(biāo)準(zhǔn)是油耗而不是航速。因此在改造后船東的能效分析結(jié)果是基于相同航速下修正后的油耗下降。此外，改造方所提供的節(jié)能裝置能效提升的預(yù)測(cè)值，也是基于油耗而非航速。而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，主機(jī)輸出功率與航速的大約成三次方的關(guān)系，而主機(jī)功率與耗油基本呈線性關(guān)系[4]。

由以上分析可知，EEXI 的衡量標(biāo)準(zhǔn)是航速，船東和改造方的衡量標(biāo)準(zhǔn)是油耗，由于二者存在近似三次方的關(guān)系，所以即使不考慮獲得航速過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，船舶改造后的Attained EEXI 值提升的百分比也一定會(huì)顯著小于船舶油耗下降的百分比。

5 對(duì)船舶進(jìn)行節(jié)能改造及后續(xù)船舶執(zhí)行CII 要求的建議

即將生效的船舶EEXI 的要求，對(duì)許多船東來(lái)說(shuō)是沉重的打擊。例如：根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009 年左右國(guó)內(nèi)船東大批量建造的57 000 載重噸大靈便型船散貨船，為了滿足EEXI 要求，普遍需要將主機(jī)功率由9 000～ 10 000 kW 降低至5 000～ 6 000 kW。這樣大幅度的降低功率，基本意味著船舶在市場(chǎng)上完全失去了生存能力。對(duì)于某些船東來(lái)講，自己手里的船舶一夜之間即大幅貶值，未來(lái)的盈利能力幾乎消失。

這個(gè)時(shí)候，船東往往會(huì)病急亂投醫(yī)，急于尋找一個(gè)解決方案來(lái)挽救公司的船隊(duì)運(yùn)力。而加裝節(jié)能裝置往往會(huì)成為船東的優(yōu)先選擇。但通過(guò)前面的分析可知，如果單純?yōu)榱颂嵘癆ttained EEXI 值而加裝節(jié)能裝置，結(jié)果未必能如預(yù)期。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，常見(jiàn)的節(jié)能技術(shù)的能效提升估值分別為：

（1）前置預(yù)旋導(dǎo)輪：3%～ 8%

（2）氣層減阻系統(tǒng)：8%

（3）前置預(yù)旋導(dǎo)輪：3%～ 8%

（4）螺旋槳優(yōu)化：3%～ 5%

（5）消渦鰭：2%～ 5%

（6）高效舵優(yōu)化：1%～ 3%

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以看出，節(jié)能裝置只能為船舶提供小幅度的能效提升，想要根本扭轉(zhuǎn)船舶能效的狀況比較困難。而以上的提升幅度均基于船舶的油耗測(cè)得，如果轉(zhuǎn)化為航速，則提升的百分比將更小。在某些極端的情況下，改造后的EEXI 測(cè)算結(jié)果甚至為零提升。

例如：某艘57 000 載重噸的散貨船。在改造前，利用最基本的估算法獲得的Verf為13.93 kn（EEXI 計(jì)算導(dǎo)則MEPC.350(78)中規(guī)定的最基礎(chǔ)的航速獲取方式，船舶航速是從IHS Fairplay 數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸得到的估算方法，只需要船舶的主尺度即可獲得船速，但通常獲得的船速值顯著低于其他方法）；改造后，通過(guò)水池試驗(yàn)獲得的Verf為13.86 kn。由于船舶基礎(chǔ)能效太差，導(dǎo)致經(jīng)過(guò)改造后水池試驗(yàn)實(shí)測(cè)的航速低于數(shù)據(jù)庫(kù)中此類船舶統(tǒng)計(jì)回歸的均值。最終船舶不得不沿用改造前的航速以獲得更好的Attained EEXI值，改造完全沒(méi)有取得預(yù)期效果。

因此，在進(jìn)行船舶改造前，船東需要對(duì)自己的船舶進(jìn)行認(rèn)真評(píng)估。不能盲目地選擇加裝節(jié)能裝置。需要仔細(xì)研判船舶在改造前的EEXI 技術(shù)案卷，確認(rèn)主機(jī)功率EPL（Engine Power Limitation）值，評(píng)估自己船隊(duì)在該功率下是否能滿足營(yíng)運(yùn)需要。并與技術(shù)案卷出具方、改造方、船級(jí)社進(jìn)行有效溝通，預(yù)估船舶加裝節(jié)能裝置后實(shí)際的船速提升。避免使用油耗數(shù)據(jù)作為船舶能效提升的依據(jù)，想當(dāng)然地以為降低了多少油耗就會(huì)提升多少船舶的EEXI 值。如果條件允許，提前計(jì)算改造后的EEXI 技術(shù)案卷，獲得改造后Attained EEXI值和主機(jī)功率EPL 值。如果確認(rèn)改造后船舶EPL 功率可以使船舶重新滿足營(yíng)運(yùn)需要后再著手進(jìn)行改造。避免浪費(fèi)大量時(shí)間和金錢(qián)卻無(wú)功而返的尷尬。

然而，即使船舶通過(guò)改造，獲得了在EPL 后繼續(xù)正常營(yíng)運(yùn)的能力，船東也需要對(duì)自己的船隊(duì)配置進(jìn)行長(zhǎng)線規(guī)劃。MEPC 在第76 屆會(huì)議上不僅通過(guò)了國(guó)際航行的現(xiàn)有船舶提出了能效指數(shù)（EEXI）的要求，還提出了營(yíng)運(yùn)碳強(qiáng)度指標(biāo)（CII）的評(píng)級(jí)要求。對(duì)于5000 總噸以上的需要滿足EEXI要求的12 種船型，還需要編制SEEMP PART III，并從2023 年起收集船舶油耗、總航行距離等數(shù)據(jù)，從2024 年起每年計(jì)算Attained annual CII值并按營(yíng)運(yùn)能效從高到低分為A、B、C、D、E 五個(gè)等級(jí)，其中等級(jí)C 為對(duì)應(yīng)Required annual CII 值。對(duì)于連續(xù)三年評(píng)為“D”或評(píng)為“E”級(jí)的船舶，公司應(yīng)修訂SEEMP PART III，納入改進(jìn)措施計(jì)劃以滿足Required annual CII。其中，Required CII 的基線值為2019 年的船型營(yíng)運(yùn)碳強(qiáng)度值。2023 的折減系數(shù)為5%，此后三年的折減系數(shù)每年遞增2%，2027 年以后的折減系數(shù)暫未確定。雖然相較于EEXI，現(xiàn)階段CII 的懲罰措施較為軟性，但卻有著長(zhǎng)期的影響。在船舶普遍進(jìn)行評(píng)級(jí)后，低評(píng)級(jí)的船舶可能會(huì)遭到貨主的拋棄。同時(shí)，隨著全球節(jié)能減排的大趨勢(shì)不斷加速，2027 年以后國(guó)際海事組織（IMO）可以利用CII 這個(gè)工具繼續(xù)收緊對(duì)船舶能效要求，并加大懲罰力度。

通過(guò)MEPC 76 次會(huì)議通過(guò)的兩個(gè)要求可以看出，IMO的最終目的是推動(dòng)整個(gè)航運(yùn)業(yè)的節(jié)能減排，最終實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和。隨著EEXI 和CII 要求的實(shí)施，現(xiàn)有的低能效的船舶將逐步失去競(jìng)爭(zhēng)力，并會(huì)以更快的速度退出市場(chǎng)。因此，對(duì)于船東來(lái)說(shuō)，即使自己的船舶在EEXI 要求下涉險(xiǎn)過(guò)關(guān)，也要對(duì)自己的船隊(duì)做長(zhǎng)遠(yuǎn)打算，逐步清理掉自己船隊(duì)中能效較差的船舶。此外，船東還應(yīng)關(guān)注某些普遍能效較差的船型。例如：本文前述的2009 年左右建造的57 000 載重噸大靈便型船散貨船。由于船東造船普遍存在著“一窩蜂”的特點(diǎn)，在某一個(gè)時(shí)間段內(nèi)會(huì)集中建造大量的某種船型，而這些船舶往往有著相似的能效指數(shù)。在EEXI 和CII 的雙重要求下，這些船舶預(yù)計(jì)會(huì)在未來(lái)某一個(gè)時(shí)間段大批量退出市場(chǎng)。而船舶建造的固有周期決定了市場(chǎng)空白無(wú)法立刻被填補(bǔ)。因此在這個(gè)時(shí)間差內(nèi)的造船價(jià)格和船運(yùn)價(jià)格的波動(dòng)需要船東格外加以關(guān)注。

6 結(jié)論

本文通過(guò)某大型礦砂船在改造前后Attained EEXI 值的變化，分析了船舶節(jié)能改造裝置對(duì)船舶EEXI 計(jì)算結(jié)果的影響，并對(duì)船舶進(jìn)行節(jié)能改造及后續(xù)船舶執(zhí)行CII 要求提出了合理化建議。為船東的后續(xù)船舶改造、船舶更新提供了參考。