船舶能效设计指数解读及温室气体减排措施分析

, ,

(中国船级社 南京分社，南京 210011)

2011年7月11～15日，国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)在其英国伦敦总部召开了海上环境保护委员会(Marine Environment Protection Conference,MEPC)第62届会议。会议以投票方式通过了包括EEDI在内的《国际防止船舶造成环境污染公约》附则六有关船舶能效规则的修正案，确立了“船舶能效设计指数”(energy efficiency design index,ηEEDI)和“船舶能效管理计划”(ship energy efficiency management plan,SEEMP)两项船舶能效标准。这是第一个专门针对国际海运温室气体(Greenhouse Gases, GHG)减排的强制性法律文件。船舶能效规则将于2013年1月1日正式生效。我国是《国际防止船舶造成环境污染公约》附则六的缔约国，EEDI将对我国造船业和海运业产生重大影响。

船舶能效规则适用于2013年1月1日及以后安放龙骨的400总吨位及以上国际航行船舶。修正案规定，缔约国主管机关在修正案生效后，可自行决定推迟4年执行船舶能效标准。

温室气体减排的必要性已为国际社会普遍接受，在此大背景下，航运业的节能减排也逐步提上日程。

1 基本概念

1)船舶能效设计指数ηEEDI是衡量船舶设计和建造能效水平的一个指标[1]，即根据船舶在设计最大载货状态下以一定航速航行所需推进动力以及相关辅助功率消耗的燃油计算出的CO2排放量，ηEEDI越大，说明船舶能耗越高。ηEEDI可以简单地表示为

(1)

式中：CCO2——船舶碳排量,CCO2包括所有主辅机、锅炉等消耗的燃料所释放的CO2总量,当船上采用新能源技术时，新能源所产生的能量要从碳排量中扣除，具体根据船舶系统内部的实际效率而定；

Dtw——船舶设计装载量(视船型而定)×V设计(最大装载工况及75%主机额定功率)。

①从公(1)中可以看出，船舶吨位越大，ηEEDI越大。

②V设计是一个与载重吨、CCO2相关联的量，要从设计的角度改善船舶线型和螺旋桨的推进效率，加强主机燃烧功率，优化机-桨配合等。

③规则最大允许的ηEEDI为船舶的ηEEDI设计基准值，船舶设计初期评估获得的ηEEDI(称为ηEEDI评估值)须小于ηEEDI基准值。

④对于一些海洋工程船、固定式钻井平台、可移动式钻井平台(MODU)、浮式生产储油装置(FPSO)等速度很慢，或没有速度的船舶，ηEEDI不适用；但是规则对于这些船舶的能效管理计划(SEEMP)仍然有要求，但目前IMO尚未就此形成最终的实施文件。

2)船舶能效管理计划SEEMP[2]，船舶能效规则要求船舶在设计阶段达到ηEEDI指数要求；而在船舶运营过程中，要求船舶经营人建立一种有效的船舶能效管理机制，通过详细的规划、实施、监控和自我评估与改进五个步骤来不断完善船队的整个经营结构，进一步优化产业结构，降低能耗。具体可通过优化船舶航线，有效避开台风，合理优化在航时间，确保及时到港并减少到港前的泊位等待时间等措施。

SEEMP是针对于现有船舶提出的能效概念，是一个统筹规划的概念，着眼于全局，优化的空间较单船更大，数学模型也更复杂。EEDI和SEEMP两项标准的提出，督促船舶革新技术，提升船舶的科技含量，同时要求船队内部加强管理，合理降低能耗。从船舶运营的角度，船舶能效规则有利于行业的长远发展，既能节省成本，又能保护环境，一举两得。

3)船舶能效营运指数(energy efficiency operational indicator, EEOI)，用于监测和计算船舶碳排放。EEOI是船舶运营过程中，能效管理计划的具体监控手段，并不是惟一的方式，如关键绩效指标(key performance indicators,KPIs)等经认可的等效监控手段同样可以采用。

SEEMP在能效管理上设定目标，而EEOI对船舶能耗进行定量的管理。

2 EEDI基准的确定

EEDI的基准值取决于船舶类型和船舶吨位

的大小。船舶能效规则规定了以现有样本船舶(英国劳氏费尔普勒数据库)的回归平均值(50%符合率)为基线，确定了4个阶段的ηEEDI折减率。其中对大于20 000总吨散货船ηEEDI折减率的要求是，2013～2014年底为零，2015～2019年底为10%，2020～2025年底为20%，2026～2030年底为30%，见图1和表1。

图1 IMO关于EEDI基准值分阶段实施示意

船舶吨位越小，ηEEDI基准值也越大。其它船舶的ηEEDI基准还在进一步研讨当中，具体就样本空间及修正系数的问题，各国争论较大。

目前的ηEEDI基准着重反映发达国家的意志。发达国家在游戏规则的制定上享有充分的话语权，于是利用各种手段来限制发展中国家船舶工业的发展，提高国际船舶的准入门槛，促使船舶及配套市场向欧美倾斜。日前ABB在东亚承接的巨额订单，充分体现了科技创造价值、科技实力成就话语权的行业规则。

表1 不同船型的ηEEDI折减率时间表(来源：IMO)

注：*表示根据船舶尺度由小到大的折减率在这两个值之间取线性插值；n/a表示不适用。

3 ηEEDI的评估

船舶能效设计指数评估主要包括ηEEDI前期评估(设计)和建造后评估(试航)。

3.1 EEDI前期评估

船舶设计阶段的ηEEDI前期评估，设计单位应形成EEDI技术文档并提交相关审核方(船级社)进行认可。

目前IMO环境委员会尚未就船舶的EEDI评估公式达成共识，各国就适用范围、客船和滚装客渡船(电力功率表)、电功率表导则、冰区加强、气象系数(fw)、基线等展开了讨论。IMO后续将开展EEDI评估公式的完善工作，可能就大型油船和干散货船提出专门的ηEEDI评估公式，遗留问题有望在MEPC.63届会议上形成最终实施文件。以下是目前IMO初步提出的ηEEDI评估公式。

(2)

式中：f1——冰区加强主机能耗修正因子，无冰区加强取1.0；

f2——冰区加强船舶吨位修正因子，无冰区加强取1.0；

feff——能效创新因子，采用废热回收系统时取1.0，其他新能源、新技术须经船级社认可和评估而定；

fw——气象系数，用于衡量风浪流对船舶速度的影响，可通过船模试验或经验公式得出；

NME——主机台数；

NPTI——电机台数；

PME——主机额定功率的75%，kW。

当船上装有轴带发电机时,

PME(i)=0.75×(MCR-PPTO(i))

PME和Vref的取值方法见图2。

图2 PME和Vref的取值方法

PAE——正常最大海况下保证正常航行和人员居住所必不可少的辅机功率，包括主机泵、航行设备与船上正常生活所需的输出功率，不包括船舶推进以外输出功率，如货油泵、货物装卸、压载泵和货物维护(冷藏室和货舱风扇)等，PAE由下式决定。

(3)

对于客船，PAE应按照全船除推进以外的电能消耗量予以评估；

PPTO——轴带发电机的输出功率/轴带发电机的转换效率；

PPTI——75%×(motor)轴马达额定消耗功率/发电机加权平均效率,轴带发电机除外，电机的传动效率所造成的能量损失也应该考虑；

Peff——采用能效创新技术而降低的主机功率，kW；比如，燃料电池、太阳能、风能、船舶线型优化、螺旋桨优化、废热利用等；

PAEeff——采用能效创新技术而降低的辅机功率，kW；

CF——无因次量，燃油CO2转换系数，见表2。

SFC——75%额定功率下的特定燃油消耗率，g·(kW·h)-1，主辅机的SFC应源于经批准的NOx技术文档，可在产品检验时进行校核；

Vref——船舶最大设计装载工况下，主机功率为PME时的船舶深水航速，km/h，满足一定的环境条件，如纵倾和平静水域，具体确定见图2,Vref、Capacity和PME是3个相互关联的量;

表2 不同燃料的CO2转换系数CF

DC——船舶设计装载量，DC的确定见表3。

表3 DC的确定

为便于理解EEDI评估公式和评估方法，图3展示了船舶能效消耗示意，其中虚线所囊括的部分为ηEEDI评估所需要计算的部分。图中能源的走向、轴带发电机和废热回收系统等能优化整船能源结构。

图3 EEDI评估能耗示意

3.2 ηEEDI建造后评估

ηEEDI在船舶建造后评估在船舶试航时完成，试航时主要确认的参数有①吃水和纵倾(装载状况)；②环境状况(ISO15016:2002)；③航速(ISO15016:2002)；④主辅机的轴功率(ISO15016:2002)；⑤主辅机的特定燃油消耗率(SFC)。

最后绘出功率曲线(要求对速度进行标定)，并与设计阶段的功率曲线进行对比，如果有误差，设计单位须根据试航结果对船舶ηEEDI重新进行评估。以此参数及ηEEDI最终文件作为船舶检验发证的依据(见图4)[3]。

图4 EEDI评估确认流程[3]

4 减排措施

1)技术性减排措施。船体线型优化、气膜减阻、推进装置及螺旋桨优化(对转桨、导流管、降低伴流分数、改善进流等)、发动机效率的提高、使用岸电、废热回收、使用新能源和替代燃料等，这些技术性措施从根本上减少船舶温室气体的排放，是实现温室气体减排的主要手段。以上技术性减排措施是完善ηEEDI评估公式的主要依据。

2)营运性减排措施。船队减速、优化辅机供电体系、气象导航、JIT物流管理、提高装卸效率、船体维护保养等营运性措施在现有硬件条件基础上，通过更高效的管理和运作来提高营运效率，从而实现温室气体的减排。MEPC.1/Circ.683号通函为船舶和船公司选取合适的减排手段和制定能效管理计划(SEEMP)提供指导。其计划实施的效果，则要参照MEPC.1/Circ.684号通函制定的EEOI公式来计算其能效营运指标。

3)基于市场的减排措施。基于市场，或制定相关法律体系，可对碳排放超标者采取适当的惩罚性经济手段，促使污染者直接或者间接减少温室气体排放，主要包括碳税及温室气体补偿基金、排放贸易机制等。其本身并不能直接提高能源效率，也无法实现直接的温室气体减排，却有助于提高节能减排的积极性，有利于实现减排成本的最小化，因此是技术性和营运性减排措施的重要补充。市场机制的建立的复杂性导致IMO在此方面的讨论进程非常缓慢，但是在MEPC59制定的工作计划中，已经把基于市场的减排机制列为工作重点。

单船CO2减排的12种措施(部分)，及其所对应的成本效益评估见图5。图5中1～9所对应的面积越大，说明成本效益越高。其中航程优化、主机监控和船舶减速为营运性减排措施(3种)，其它的为技术性减排措施(9种)，此数据不包含新能源等技术。

图5 单船CO2减排措施对应的转化成本(数据来源：DNV)

从图5中可以看出航程优化、主机监控、高效推进装置、气膜减租、气体燃料和废热回收几种减排措施成本效益较高。国内外就此也开展了广泛深入的研究，从目前的形势看，国内研发投入还有待进一步加强。

5 EEDI规则对我国船舶工业的影响

1)高能效标准对造船业提出了更高的要求。技术性减排措施的本质，是提高船舶能源效率，这对我国造船业及相关配套产业的科技创新提出了更高、更新的要求。目前，我国造船业正处于转型的关键时期，应当抓住机遇，加大研发投入，改革创新机制，改变增长方式，掌握造船工业的核心技术与关键技术，形成创新-市场-利润三者之间的良性循环，加强知识产权保护，争取在新一轮的洗牌中胜出，唯有不断革新的高新技术才能赢得市场、才能赢得在国际海事组织中的话语权，才能成为游戏规则的制定者；否则，船舶能效等规则的出台将会对我国的造船业及相关配套产业形成一道技术壁垒，我国船舶工业也将受制于人。

2)节能减排措施对航运市场的影响。造船成本提高，船方投资购置或者改装船舶的营运成本也随之提高。此外，使用岸电、缴纳碳税等措施也会增加船方的营运负担。营运成本最终会转嫁给货主，运价的提高会削弱船舶相对于其他替代运输方式的竞争力。不同船舶达到同一能效标准所要付出的成本不尽相同，则会造成运价竞争力的差异。我国目前船舶能效统计数据的缺乏，使我国船舶的EEOI与其他国家船舶相比的优劣无法确定，此方面减排措施可能给我国带来的影响暂时无法估计。但在高效物流管理方面，我们与发达国家存在一定差距，因此，我们可能会在船队的高效管理方面付出更多的成本。

6 结论

综上所述，我国船舶工业的发展，需要传统工业的崛起，需要管理上的突破，更需要体制上的支撑。

1)建立、健全创新机制，加强知识产权保护，完善相关法律体系。

2)完善人才培养机制、完善人才引进机制。

3)加大研发投入，引进国外先进设备，改良国内现有科研设施，加大对基础研究的投入。

4)整合资源，强-强联合，优化产业结构。实现产-学-研信息互动，建立三者之间技术联动机制。可强化船厂、船公司与高校、研究所、设计院及产品厂之间的技术沟通与研发协作。

[1] Interim Guidelines on the Method of Calculation of the Energy Efficiency Design Index for New Ships. IMO MEPC，1/Circ.681[C]. London, 2009.

[2] Interim Guidelines for Voluntary Verification of the Energy Efficiency Design Index. IMO EPC.1/Circ.682[C]. London,2009.

[3] 张 爽,张硕慧.国际海运温室气体减排趋势及对我国的影响[J].中国海事，2010(2)：39-42.