船舶能效提升技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展

王立志 馮書桓 郭婭

摘 要：近年來，對(duì)船舶溫室氣體減排的要求不斷提高，面對(duì)海事法規(guī)和產(chǎn)業(yè)界的雙重需求，提高船舶能效被認(rèn)為是行之 有效的途徑之一。在此背景下，通過國際標(biāo)準(zhǔn)的研制以滿足日益嚴(yán)格的國際海事法規(guī)和國家地區(qū)法規(guī)要求，可以促進(jìn)船舶 生命周期各階段的能效技術(shù)的固化與應(yīng)用。本文從能效技術(shù)及其研究方法出發(fā)，指出當(dāng)前主要的船舶能效提升技術(shù)，通過 跟蹤國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)口渠道的工作進(jìn)展，說明了短期與中長期能效技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展需求與方向，為國際標(biāo)準(zhǔn)的研制 提供參考。

關(guān)鍵詞：船舶能效，國際標(biāo)準(zhǔn)，替代燃料，海洋環(huán)境保護(hù)

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.03.006

0 引 言

交通運(yùn)輸在溫室氣體排放中占據(jù)相當(dāng)比例。 根據(jù)2016年的數(shù)據(jù)[1]，在世界范圍內(nèi)，交通運(yùn)輸所 排放的溫室氣體占溫室氣體排放總額的16%，如圖 1所示。其中海運(yùn)的排放量約占交通運(yùn)輸排放量的 11%。對(duì)于某些工業(yè)化程度較高的地區(qū)，如西歐[2]和 中國上海市[3]，交通運(yùn)輸所占的溫室氣體排放比例 接近四分之一。國際海事組織（IMO）于2018年通過 了海運(yùn)減排協(xié)議要求，并于2023年進(jìn)一步修訂增強(qiáng)，需要在2050年左右（即接近2050年）實(shí)現(xiàn)溫室 氣體凈零排放。歐盟根據(jù)Fit for 55一攬子計(jì)劃修訂 其有關(guān)氣候、能源和交通的立法，提出在歐盟區(qū)域 內(nèi)部實(shí)行可持續(xù)燃料強(qiáng)制要求，把航運(yùn)排放納入 歐盟碳排放交易體系（ETS）等幾項(xiàng)涉及航運(yùn)業(yè)的 新措施[4]。在此背景下，通過能效提升技術(shù)打造高 能源效率的海洋運(yùn)輸?shù)男枨蟛粩嗌仙?，在此過程中 國際標(biāo)準(zhǔn)可以在技術(shù)話語權(quán)、市場(chǎng)表現(xiàn)的維度提 供有益輸入。本文主要闡述近年來船舶能效技術(shù) 的發(fā)展現(xiàn)狀，并試圖分析和預(yù)測(cè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)與國際標(biāo) 準(zhǔn)化的發(fā)展趨勢(shì)，為后續(xù)國際標(biāo)準(zhǔn)研制提供可能有 益的框架。

1 船舶能效技術(shù)及其研究方法

目前，在船舶設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營和報(bào)廢的整個(gè) 生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)中，都有船舶能效提升技術(shù)涌 現(xiàn)，如圖2所示。本節(jié)主要介紹幾種近年來熱門的綠 色船舶相關(guān)能效技術(shù)及其在學(xué)術(shù)研究上和工程應(yīng) 用上的研發(fā)方法。

1.1 節(jié)能的船型設(shè)計(jì)

船舶的阻力性能和耐波性是船舶的重要性能， 其中，船舶阻力是船舶能源消耗的主要根源，而耐 波性影響船舶航行的航速和安全。近年來，許多研 究著眼于優(yōu)化船型[5]或開發(fā)減阻[6]、減搖[7]裝置。

在船型設(shè)計(jì)上，目前在學(xué)術(shù)研究和生產(chǎn)實(shí)踐上 以多目標(biāo)優(yōu)化為主流，即以設(shè)計(jì)航速、靜水阻力、波 浪載荷等多個(gè)參數(shù)為目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化[8]。主要的 研究方向有建立基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的水動(dòng) 力模型，如借助CFD技術(shù)對(duì)某油輪船體進(jìn)行了數(shù)值 優(yōu)化[9]，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；以及開發(fā)高效的優(yōu)化算 法，如通過將多目標(biāo)直接型算法與有效的無導(dǎo)數(shù)局 部算法相結(jié)合，開發(fā)了一種混合算法。

就減阻裝置而言，時(shí)下氣膜減阻技術(shù)[10]較為熱 門。這項(xiàng)技術(shù)把空氣通入船底，在船底表面形成流 體密度較低的氣－水混合兩相流，通過改變邊界層 內(nèi)流場(chǎng)實(shí)現(xiàn)降低阻力的效果。在減搖裝置方面，舭 龍骨和減搖鰭[11]的相關(guān)研究相對(duì)較多。舭龍骨和減 搖鰭都是安裝在船舶舭部的裝置，以增加附體質(zhì)量 或提供額外回復(fù)力的方法減輕船舶橫搖。

總體來說，船型優(yōu)化的相關(guān)研究已開展數(shù)十 年，如今大型貨運(yùn)船舶的船型設(shè)計(jì)已相當(dāng)成熟，優(yōu) 化空間較小?，F(xiàn)階段與船型優(yōu)化相關(guān)的研究主要著 眼于開發(fā)新的方法以提高船舶性能預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度 并減少數(shù)值計(jì)算的計(jì)算量。相對(duì)而言，許多減阻和 減搖裝置的開發(fā)尚處于起步階段，還有大量問題有 待解決，距離大規(guī)模工程應(yīng)用還有較大距離，有更 為廣闊的前景。

1.2 環(huán)保技術(shù)的能效提升

面向IMO在海上安全和海洋環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的法 規(guī)要求，目前海船普遍裝備有必要的環(huán)保設(shè)備，相 關(guān)設(shè)備的能效表現(xiàn)同樣對(duì)于綠色船舶的節(jié)能效果 產(chǎn)生重要影響。以下著重介紹三種相關(guān)技術(shù)：防污 涂料、余熱回收系統(tǒng)和壓載水處理系統(tǒng)。

防污涂料常用于保護(hù)船體免受污垢生物的侵 害，即人們所熟知的“污底”。這些污垢生物會(huì)使船 舶水下部分的表面變得粗糙，從而產(chǎn)生額外的阻 力。現(xiàn)有防污涂料（自拋光型、氧化橡膠、瀝青系） 中效果保存時(shí)間通常不超過2.5年，海虹老人、佐 敦、國際油漆等國際進(jìn)口品牌占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。 國內(nèi)研究工作主要圍繞環(huán)保涂料開發(fā)、涂料損耗分 析、制備與工藝等內(nèi)容展開。

目前，商用貨輪主要由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，柴油 發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)向環(huán)境排放大量熱量，尤其是廢氣中的熱 量約占總熱量的30%～45%[12]。余熱回收系統(tǒng)旨在 回收大部分熱能和摩擦能損失。這將使燃油效率提 高，船舶輔助發(fā)動(dòng)機(jī)的使用量減少，降低二氧化碳 排放。目前系統(tǒng)能效提升的主要手段包括：高效工 質(zhì)優(yōu)化、裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化和熱電轉(zhuǎn)換組件安裝。

壓載水處理系統(tǒng)可以滿足《國際船舶壓載水和 沉淀物控制與管理國際條約》和國家地區(qū)船舶壓載 水排放規(guī)定的要求。目前主要的處理技術(shù)包括物理 技術(shù)和化學(xué)技術(shù)（含強(qiáng)氧化劑和羥基自由基），其中 電解法是該設(shè)備能效優(yōu)化的主要方向，以處理100 立方壓載水到滿足BWMS規(guī)范MEPC.300（72）中 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)下耗電量為能效指標(biāo)，目前市場(chǎng)上的主要 廠商包括青島雙瑞、Techcross、海德薇、Hyundai、 Erma first等。

1.3 清潔能源在船舶推進(jìn)上的應(yīng)用

為有效應(yīng)對(duì)全球氣候變化的影響，在傳統(tǒng)低速 柴油機(jī)的能效優(yōu)化空間不斷降低的同時(shí)，將新型清 潔/低碳能源應(yīng)用于船舶推進(jìn)可能會(huì)成為達(dá)到航運(yùn) 減排目標(biāo)的關(guān)鍵方案。相關(guān)技術(shù)主要包括替代燃料 應(yīng)用、風(fēng)力助推船舶、電動(dòng)船舶以及光伏和氫能在 船舶上的應(yīng)用。

船舶替代燃料的應(yīng)用是當(dāng)前船海領(lǐng)域的研究 熱點(diǎn)，主要包括甲醇、綠氨、液氫、生物燃料等燃料 選擇。燃料的選擇主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、質(zhì)量體 積能量密度、艙容占比、硫化物氮氧化物二氧化碳 排放降低效能、產(chǎn)業(yè)鏈供給等因素。目前綠氫和綠 氨在有害物排放角度下具有90%以上的優(yōu)化效果， 甲醇則在硫氮氧化物、艙容、產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)、技術(shù)成 熟度上表現(xiàn)較好。以上技術(shù)的能效提升需要在燃料 全生命周期的框架下進(jìn)行。

風(fēng)力輔助推進(jìn)技術(shù)具有悠久的歷史，現(xiàn)代船 舶業(yè)主要采用風(fēng)箏、轉(zhuǎn)子風(fēng)帆、固定翼風(fēng)帆等技術(shù) 方案，且以上方案均通過MEPC.1/Circ.896通函作為 “創(chuàng)新技術(shù)”納入EEDI框架[13]。研究的主要方向有 風(fēng)帆控制、船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高效翼形、航線優(yōu)化等， 商業(yè)上目前只有AeroFoil帆和flettner轉(zhuǎn)子進(jìn)入商業(yè) 應(yīng)用階段。

2 船舶能效提升技術(shù)國際標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展

2.1 國際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展需求與方向

支撐海事領(lǐng)域立法以及行業(yè)利益相關(guān)方共同 獲益是船舶國際標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。以國際標(biāo) 準(zhǔn)化組織船舶與海洋技術(shù)委員會(huì)（ISO/TC 8）為主 的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織覆蓋了綠色船舶能效提升技術(shù) 應(yīng)用的多個(gè)領(lǐng)域，目前已開發(fā)符合聯(lián)合國可持續(xù)發(fā) 展目標(biāo)國際標(biāo)準(zhǔn)52項(xiàng)。此外，以上技術(shù)的實(shí)船應(yīng)用 與推廣，在相關(guān)國際組織的標(biāo)準(zhǔn)提案研制的背景下 將會(huì)得到加速，其中與綠色船舶能效提升技術(shù)相關(guān) 的國際標(biāo)準(zhǔn)化渠道如表1所示。

船舶能效提升技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn)化需求主要來自 于IMO海事法規(guī)和產(chǎn)業(yè)界利益訴求，其中部分設(shè)計(jì) 與制造商關(guān)于提升船舶設(shè)備能效的目標(biāo)與降低整船 能耗目標(biāo)的關(guān)系尚不明晰。結(jié)合前文關(guān)于熱點(diǎn)能效 技術(shù)的分析，總體上看能效技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn)化需求 如表2所示。值得一提的是關(guān)于采用CFD技術(shù)對(duì)船體 船型進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化缺乏標(biāo)準(zhǔn)化路徑，且所用算法差 異性較強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)化需求暫不分析。同時(shí)國際海事組織 對(duì)于甲醇、氨和液氫等替代燃料的全生命周期評(píng)價(jià) 未形成統(tǒng)一結(jié)論，目前已在ISO/TC 207/SC 7中形成了 碳足跡的量化、報(bào)告的原則、要求、指南標(biāo)準(zhǔn)，船舶 領(lǐng)域具體燃料的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)暫時(shí)缺少研制基礎(chǔ)。

在MEPC 80次會(huì)議上正式通過的《2023年船 舶溫室氣體減排戰(zhàn)略》，對(duì)減排雄心、零/近零排放 技術(shù)、指示性校核點(diǎn)提出更新要求，預(yù)計(jì)將會(huì)加 速能效領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)研制工作。同時(shí)，近期以及 未來1～2年內(nèi)，《控制和管理船舶生物污垢以減少 入侵水生物種轉(zhuǎn)移的導(dǎo)則》、美國《船舶通用許可 證》替代方案、MARPOL公約附則VI燃油記錄修 訂等事項(xiàng)都將進(jìn)一步加速該進(jìn)程。預(yù)計(jì)ISO下一步 將與MEPC會(huì)議熱點(diǎn)議題緊密結(jié)合，在船舶風(fēng)力助 推、船舶水下清理、替代燃料、防污涂料等領(lǐng)域的能效測(cè)量方法、效能評(píng)價(jià)、燃料加注供應(yīng)及關(guān)鍵設(shè) 備、操作規(guī)程的角度開展標(biāo)準(zhǔn)研制工作。

中國船舶領(lǐng)域科研機(jī)構(gòu)、配套商、制造商在開 發(fā)能效技術(shù)領(lǐng)域國際標(biāo)準(zhǔn)上具備較好的經(jīng)驗(yàn)和基 礎(chǔ)。在壓載水設(shè)備、風(fēng)力助推技術(shù)、碳捕集技術(shù)等領(lǐng) 域具有市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)。結(jié)合行業(yè)優(yōu)勢(shì)和國際標(biāo)準(zhǔn) 研制需求，首先在開發(fā)氣膜減阻技術(shù)、風(fēng)力助推技 術(shù)的能效評(píng)估、操作流程和安全性測(cè)試方法相關(guān)標(biāo) 準(zhǔn)領(lǐng)域具有較高的可行性。其次在燃料電池領(lǐng)域， 船用燃料電池存放、使用的安全風(fēng)險(xiǎn)控制和標(biāo)準(zhǔn)化 操作指南同樣具有較好的可操作性。此外可進(jìn)一步 拓展防污漆性能測(cè)定、壓載水處理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化布 局，將企業(yè)與行業(yè)的技術(shù)指標(biāo)提高至國際層面。

2.2 國際標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)態(tài)跟蹤

2023年，與綠色船舶能效密切相關(guān)的ISO/TC 8全會(huì)與TC 8/SC 2全會(huì)相繼于9月與11月在歐洲舉 行，本節(jié)著重介紹近期能效技術(shù)相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)動(dòng) 態(tài)。在船舶水下清洗領(lǐng)域，挪威與美國分別主導(dǎo)立 項(xiàng)了ISO 6319《主動(dòng)船體清洗的性能和文件編制方 法》和ISO 20679《船舶生物污垢水下清洗系統(tǒng)測(cè) 試指南》，同時(shí)美國提出了《采用水箱設(shè)施的生物 污垢捕集系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)方法》潛在提案?？傮w上， 生物污垢清理技術(shù)、測(cè)試、性能評(píng)價(jià)、效能控制的 標(biāo)準(zhǔn)化工作已成為熱點(diǎn)。在風(fēng)力助推船舶領(lǐng)域，韓 國提出《轉(zhuǎn)子風(fēng)帆 船舶推進(jìn)輔助系統(tǒng)》的新項(xiàng)目 提案，計(jì)劃提供轉(zhuǎn)子風(fēng)帆全尺度平衡性測(cè)試的規(guī) 范性程序，以支撐船舶能效提升和利益攸關(guān)方工 程需求。在防污涂料領(lǐng)域，日本專家立項(xiàng)并研制了 ISO 21716《防污漆篩選生物試驗(yàn)方法》系列標(biāo)準(zhǔn)， 中國專家則于SC 2全會(huì)上提出了《船舶防污涂層磨 蝕率實(shí)驗(yàn)室測(cè)定方法》潛在提案。在壓載水系統(tǒng)領(lǐng) 域，ISO 3725： 2023《壓載水排放合規(guī)監(jiān)測(cè)裝置性 能的評(píng)估方法》正式發(fā)布，中國專家提出的ISO/AWI 23817《壓載水管理系統(tǒng)（BWMS）使用電解法對(duì)壓 載水管理系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試測(cè)試程序》于11月成功立 項(xiàng)，計(jì)劃提供對(duì)船上電解法壓載水管理系統(tǒng)進(jìn)行調(diào) 試測(cè)試的指南。在替代燃料領(lǐng)域，于ISO/TC 8/WG 8下開發(fā)的ISO/AWI 22120《甲醇燃料船舶加注規(guī) 范》8月成功立項(xiàng)，計(jì)劃對(duì)用于加注甲醇燃料船舶的 甲醇加注轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)和設(shè)備提出規(guī)定和要求。

另一個(gè)值得關(guān)注的能效領(lǐng)域國際標(biāo)準(zhǔn)是2021 年由丹麥標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)發(fā)起，丹麥西西延森、斯文堡 國家海洋學(xué)院、代斯米，瑞典阿法拉伐積極參與的 ISO 8933系列國際標(biāo)準(zhǔn)。目前ISO/DIS 8933-1《能效 第1部分：海上單個(gè)組件的能效》、ISO/DIS 8933-2 《能效 第2部分：海上單個(gè)功能單元的能效》均已 進(jìn)入DIS階段，預(yù)計(jì)將于2024年下半年正式發(fā)布。 該系列標(biāo)準(zhǔn)的研制范圍涵蓋五種類型功能系統(tǒng)： 壓力與流體、照明、加熱與冷卻、機(jī)械功能以及創(chuàng) 新能效技術(shù)的推進(jìn)系統(tǒng)。盡管技術(shù)委員會(huì)專家關(guān)于 前四個(gè)系統(tǒng)對(duì)于整船能效提升的作用仍有爭(zhēng)論，但 項(xiàng)目推進(jìn)速度仍舊較快。創(chuàng)新能效技術(shù)的推進(jìn)系統(tǒng) 對(duì)于船舶整船能效提升的作用得到了技術(shù)委員會(huì) 專家的普遍認(rèn)同。標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)章節(jié)中涵蓋了太陽能 光伏、風(fēng)力助推、燃料電池、余熱回收系統(tǒng)能效計(jì) 算中的輸入輸出、邊界、計(jì)算方法的規(guī)定。

總體來看，由于能效提升技術(shù)與當(dāng)前IMO關(guān)于 溫室氣體減排、防污公約聯(lián)系緊密，近年來國際標(biāo) 準(zhǔn)研制熱度較高。考慮到技術(shù)成熟度與市場(chǎng)應(yīng)用， 短期內(nèi)的主要熱點(diǎn)領(lǐng)域包括：船舶防污底裝置、船 舶水下清洗（人工/機(jī)器人）、船舶能效指標(biāo)相關(guān)數(shù) 據(jù)、風(fēng)力助推技術(shù)、氣膜減阻技術(shù)等。

3 結(jié) 語

按發(fā)展模式來分，船舶能效提升技術(shù)可以分為 兩類：傳統(tǒng)技術(shù)的再發(fā)展（如船型優(yōu)化、風(fēng)力輔助 推進(jìn)、船速和航線優(yōu)化等）和新發(fā)展的技術(shù)（如替 代燃料、電動(dòng)船舶、氫能在船舶推進(jìn)上的應(yīng)用等）。 這些技術(shù)的發(fā)展路徑普遍以傳統(tǒng)技術(shù)為靈感，通過 現(xiàn)代的研究方法（如數(shù)值方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、高精度 控制等）對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。盡管這些技術(shù)并不能從根本上解決船舶依賴化石能源的問題，但作為 達(dá)成船舶溫室氣體減排目標(biāo)的過渡方案，這些技術(shù) 成熟度較高、船東易于接受，反而成為了國際標(biāo)準(zhǔn) 研制的熱點(diǎn)。本文認(rèn)為，近期來看集合中國船舶行 業(yè)內(nèi)部的優(yōu)勢(shì)力量，在“傳統(tǒng)技術(shù)”領(lǐng)域提出國際 標(biāo)準(zhǔn)方案是必要且及時(shí)的。積累旨在完全擺脫化石 能源，并從根本上實(shí)現(xiàn)綠色船舶構(gòu)想的新技術(shù)，則 是中長期推動(dòng)國際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的基礎(chǔ)，目前可以更多 考慮新技術(shù)在管理、流程、風(fēng)險(xiǎn)、安全和界面等層 面的國際標(biāo)準(zhǔn)新項(xiàng)目開發(fā)。

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作者簡(jiǎn)介

王立志，通信作者，碩士研究生，助理工程師，研究方向?yàn)?船舶與海洋工程標(biāo)準(zhǔn)化。

馮書桓，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)閲H海事法規(guī)。

郭婭，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榇芭c海洋工 程標(biāo)準(zhǔn)化。

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