绿色船舶设计的发展与挑战

尚保国 张 勇 吴 俊

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

近年来，绿色船舶设计概念受到市场前所未有的关注。随着国际规则规范的频繁更新，包括压载水公约、基于目标的结构标准（goal-based standards，GBS）、能效设计指数（energy efficiency design index，EEDI）、SO和NO排放控制等新的要求不断推出，以及船舶营运市场的低迷和营运成本的高涨，几乎所有船东在新造船计划中都对绿色船舶设计提出了比现有船型更高的要求。毋庸置疑，只有更安全、节能和环保的绿色船舶才能赢得市场的认可。因此，各国造船界都在为设计、建造绿色船舶而加大技术开发的力度。本文一方面归纳总结现有绿色船舶设计的技术与经验；另一方面将对绿色船舶的未来进行思考，并探寻其发展方向。

1 绿色船舶设计的发展

绿色船舶有很多定义，随着科学技术的不断发展，内涵也在不断扩展。CCS《绿色生态船舶规范2020》的定义较为全面：绿色生态船舶采用先进技术在其生命周期内能安全地满足其预定功能和性能，同时实现提高能源使用效率，降低温室气体（GHG） 排放，减少或消除对人类健康危害和生态环境污染、破坏， 提升资源有效循环利用， 并对操作和使用人员具有良好的保护。简而言之，即以满足功能为前提，以安全为基础，实现船舶的节能和环保目标，同时改善船员的工作环境。

安全是国际立法的基础， 海上人命安全具有法规要求的最高优先度，船舶任何绿色技术的应用，应不导致降低船舶原有的安全水平；节能是船舶设计永恒的主题，提高船舶能效既是实现温室气体减排的重要手段，也可以改善船舶运营的经济性；环保可以减少对环境的影响，包括控制水污染物和大气污染物排放。

回顾现代船舶设计的发展，主要也是围绕安全、节能、环保这3大主题进行，大体经历了以下几个阶段：

●

第1阶段（1950～1990年）

以船舶的专业化、大型化为主。各种大型专用运输船型的出现，从无到有、从小到大，不断发展。●

第2阶段（1990～2010年）

以船舶的安全性、防污染为主。由于部分油轮海损事故造成的巨大污染，对船舶安全（特别是防止货物污染）更加关注，例如油轮的双壳要求、稳性和结构规范的不断发展。●

第3阶段（2010～2020年）

以船舶的能效升级、绿色环保为主。除了对船舶安全要求的持续提高，更加关注能效和环保，特别是最近5年，绿色船型设计获得前所未有的快速发展。

表1 近5年生效的主要规范要求

2 绿色船舶设计的方法

本文将重点归纳关于节能和环保两方面的设计方法。

2.1 以提升船舶能效为核心的绿色节能设计

提升能效是绿色船型开发的核心目标之一。目前市场上船东特别关注油耗指标，同时新造船的EEDI指标要求也不断提高，因此新开发的船型必须重点考虑能效优化。这既是规范的要求，也是船东降低营运成本的市场需求。

传统船舶节能设计主要包括水动力优化、设备改进升级和船型尺度优化这3大类，此外，新型节能技术也是重要的发展方向。以下将依此对船舶节能设计的方法进行归纳。

2.1.1 水动力优化

水动力节能设计是最传统的节能方法，其投入成本低、节能效果好、技术可靠。船舶水动力节能设计主要体现在两个方面：

（1）降低船舶阻力；

（2）提高船舶推进效率。

2.1.1.1 降低船舶航行阻力

降低船舶在航行中的阻力是节能优化设计的基础。船舶航行中的阻力主要来自水阻力和风阻力，故降低船舶航行阻力主要采用以下几种方法：

（1）通过线型优化，降低船舶在静水及波浪中的阻力；

（2）通过基于营运剖面多目标优化保证综合性能最优；

（3）通过纵倾优化来保证船舶在最佳节能姿态下航行；

（4）通过低阻油漆或气层减阻减少水线下摩擦阻力；

（5）通过上层建筑风阻优化，降低船舶的风阻力。

2.1.1.2 提高船舶推进效率

提高船舶推进效率主要通过螺旋桨优化及水动力节能装置应用。

螺旋桨设计已非常成熟，除了继续挖掘螺旋桨自身设计潜力外，目前主要通过大直径螺旋桨匹配低速主机来实现螺旋桨效率的提升。

水动力节能装置也是提高船舶推进效率的重要途径。节能效果因船、桨而异，因此针对不同船型、不同线型和不同螺旋桨，应采用不同的定制化节能装置设计。

2.1.2 设备改进升级

设备改进升级可以分为主机改进升级和辅助系统优化两部分。

2.1.2.1 主机改进升级

主机改进升级可以直接反映在降低单位油耗上，主要依托于新型高效机型的发展。例如超长冲程低转速的新型高效主机（G型机、X型机）有更高的效率，单位油耗更低；同时，主机的功率点可选范围更大，转速更低。功率点（SMCR）应尽量选择靠近平均有效压力最低的可选范围左下角，这样既降低主机的单位油耗，又降低转速、增加螺旋桨的最佳直径，提高推进效率，有效降低油耗总量。NO排放TierⅢ解决方案的选择也会影响油耗，如EGR、EcoEGR、HPSCR等。

2.1.2.2 辅助系统优化

主机的能耗占全船能耗的绝大部分，但辅助系统的优化同样具有节能潜力，不能忽视。辅助系统的优化主要包括：

（1）轴带发电机；

（2）废热回收系统；

（3）变频设备；

（4）智能能效管理系统。

2.1.3 船型尺度优化

民用运输船设计最终目的是以最经济的运营成本实现特定的运输功能。船型尺度的优化往往会大幅降低单位货物运输成本，带来显著的节能效果，例如船舶大型化和船型定制化。

（1）船舶大型化

具有充足货物运输量的情况下，船舶大型化带来的规模效益可以显著改善单位货物运输能效，从而降低温室气体排放总量，典型的例子就是近年来国际集装箱船的超大型化竞赛。

（2）船型定制化

一些运输任务往往有设计上的特殊限制，标准船型并非最佳的匹配船型。因此，不同于常规船型的尺度创新，可以用最经济节能的方式实现特定运输功能，例如：浅吃水限制的特殊船型，考虑特定航道或港口的定制化船型等。

2.1.4 新型节能技术

除了传统节能技术外，新型节能技术是进一步提高船舶能效的重要途径。虽然现阶段许多的节能技术还处于探索和试验阶段，但在节能减排的大背景下，未来必将备受关注。以下主要介绍两种获得实船应用的新型节能技术：

（1）空气润滑减阻

这种新技术是通过空压机向船底喷出空气，在船底形成一层薄薄的微小气泡或空气层，可使船底与水的接触取代为与空气的接触，从而使船舶摩擦阻力减小。目前，一些大型邮轮和LNG运输船等已采用微气泡减阻设计。

（2）风能辅助推进

风能既无成本也无排放，将其作为补充动力辅助推进，在特定环境条件下可以取得良好的节能效果。例如采用马格努斯效应的旋转风筒以及可升降的翼形风帆，目前都已有实船的应用。

2.2 以降低污染排放为核心的绿色环保设计

近年来对设计影响较大的环保要求主要包括：

（1）氮氧化物（NO）排放控制；

（2）硫氧化物（SO）排放控制；

（3）压载水公约D2排放标准。

2.2.1 氮氧化物（NO）排放控制

MARPOL公约要求航行在氮氧化物排放控制区（NECA）的船舶应满足TierⅢ排放标准要求。目前已生效的氮氧化物排放控制区包括北美和加勒比海区域、北海和波罗的海氮氧化物排放控制区，中国也设定了自己的排放控制区，未来排放控制区还会不断扩大。大型运输船全球航行，因此新造船TierⅢ排放已成标配。

满足TierⅢ排放标准的技术手段主要包括选择性催化还原（SCR）、废气再循环 （EGR）和LNG燃料，其中SCR技术又分为高压和低压两种。对于MAN的主机，SCR或EGR这两种方案均可选择；而对于WinGD主机，目前只可选择SCR方案。WinGD的双燃料主机在燃气模式下可满足TierⅢ排放要求，而MAN的双燃料主机在油气模式下都需NO处理技术。

2.2.2 硫氧化物（SO）排放控制

对于硫氧化物排放控制区（SECA），自2015年1月1日起执行0.1%的硫氧化物排放限制，2020年1月1日已正式实施0.5%的全球海域硫氧化物排放限值。解决SO排放问题主要有3种手段：使用低硫燃油、安装脱硫洗涤塔和使用LNG燃料。

使用低硫燃油是目前最简单的解决方案，其基本不受技术的影响，故也是大多数船的解决方案。脱硫洗涤塔能确保船舶在航行过程中使用高硫燃油并满足硫排放限制，高、低硫油之间的价格差决定了投资回收期，这也是船东决定采用该技术方案的核心因素。LNG燃料可以彻底解决SO的问题，但初投资成本相对较高。

LNG作为燃油的替代燃料，除了可以减少85%的氮氧化物排放量以及100%的硫化物和颗粒物排放，还可以减少约20%的CO排放量。LNG燃料虽然不属于节能技术，但对CO温室气体排放的改善也非常明显。由于对环境的影响较小，近几年以LNG为燃料的运输船得到快速发展。

2.2.3 压载水公约D2排放标准

国际海事组织（IMO）压载水管理公约已于2017年9月8日正式生效，满足D2标准压载水处理装置成为新船设计的标准配置。如考虑航行美国，则需同时满足美国海岸警卫队（USCG）对压载水处理装置的更高标准要求。目前压载水处理装置技术发展成熟，曾经提出的无压载水/少压载水设计，由于对船舶运输本质功能的影响，暂时已不再受到关注。

3 绿色船舶设计的实践

近年来绿色船舶设计飞速发展，不少国内船舶设计机构在民用运输船领域进行了大量探索和实践，体现了绿色船舶设计的理念。以下介绍几个代表性绿色船舶产品。

3.1 大型化——大力神（HERCULES）系列超大型集装箱船

我院自主研发设计的大力神（HERCULES）系列超大型集装箱船囊括9 400箱、10 000箱、 11 800箱、12 690箱、13 500箱、14 000箱、15 000箱、 18 000箱、21 000箱和23 000箱等一批性能指标先进的绿色节能环保型超大型集装箱船产品，已形成完整的超大型箱船系列设计，覆盖所有超大型箱船的关键船型。迄今为止，大力神（HERCULES）系列已获得逾百艘实船订单，大部分已顺利交付，性能指标均达到国际先进水平，深受船东好评与行业内的认可，并助力中国造船业在国际箱船大型化竞赛中取得骄人业绩。超大型箱船系列化船型设计不仅获得2018年度上海市科技进步一等奖，更是绿色船型大型化设计的典型代表。

图1 20 000箱超大型集装箱船

3.2 精细化——20万吨级绿色节能型散货船

20.8万吨级绿色节能散货船是近年来我院开发的品牌散货船船型，2013年实现批量接单。第1代CSR船型共接单40艘，目前已全部交付；第2代HCSR船型共接单24艘，已顺利交付9艘；订单超过世界同期纽卡斯尔最大型散货船订单的1/3，累计为6家船厂和10位船东提供设计服务。该船型通过反复的迭代优化，实现了精细化设计，具有结构重量轻、载货能力高、综合油耗低的特点，同时满足EEDI 2阶段、TIERⅢ排放等最新环保要求，得到市场的高度认可。20万吨级纽卡斯尔最大型散货船设计获得2019年度上海市科技进步一等奖，堪称绿色船型精细化设计的典型代表。

图2 20万吨级绿色节能散货船

3.3 定制化——6.5万吨级扬子型系列油船

6.5万吨级扬子型系列油轮是我院近年研发的油船品牌船型，是适合进行长江石油运输的最新绿色、安全、环保船型，至今已累计交付3型7艘。该船型以特定船东需求为指引，贯彻定制化的设计理念，努力提高船型的浅吃水载重量和油耗经济性，优化进江操纵性，将长江石油运输主力船型从5万吨级提升至6.5万吨级，大幅提高了长江油品的运输效率。该船型不仅为船东带来可观的经济效益，也创新定义了扬子型油轮标准，打造了具有中国特色的品牌船型。可谓是绿色船型定制化设计的典型代表。

图3 6.5万吨级扬子最大型油船

3.4 新燃料——LNG动力超大型集装箱船

2020年9月22日，由我院为法国达飞公司研发设计的全球首艘23 000 TEU双燃料集装箱船“达飞雅克萨德”号顺利命名并交付，引领超大型集装箱船进入双燃料时代。

该船配置目前全球装机功率最大的WinGD低速双燃料发动机W12X92DF，配备18 600 m的MARK Ⅲ薄膜型燃料舱。与同型燃油集装箱船相比，单航次CO排放量约减少20%，氮氧化物排放量减少近85%，颗粒物和硫氧化物排放量减少99%，EEDI比参考线降低约60%，满足全球最严格排放要求。该船型堪称绿色船型新燃料设计的典型代表。

图4 23 000 TEU LNG动力集装箱船

4 绿色船舶设计的挑战

未来可以预见的是日益严格的排放要求和更加激烈的市场竞争，绿色船舶设计唯有不断向前发展。然而，由于目前的传统技术存在极限，新的技术又尚未成熟，因此绿色船舶设计正面临巨大挑战。伴随着国际能源的脱碳转型以及IMO温室气体减排（GHG）战略的实施，绿色船舶设计未来的最大挑战将集中在温室气体（CO）减排的持续改进直至净零排放。

4.1 国际温室气体减排的背景

1992年通过的《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）为国际社会共同应对气候变化问题搭建了基本框架，1997年通过的《京都议定书》为主要工业化发达国家规定了CO等温室气体的定量减排责任。2015年巴黎气候变化大会通过《巴黎协定》，目标本世纪将全球气温的上升幅度控制在2℃内，各国将以“自主贡献”的方式参与到全球应对气候变化行动中。《京都议定书》强调控制气候变化的责任分担，是一种自上而下的约束方式；而《巴黎协定》更多的是一种自下而上的激励方式，更多强调机会分享，鼓励将温室气体减排转化为绿色产业的发展机会。

航运业是许多发展中国家经济发展的关键行业，因此发展中国家并不支持在《巴黎协定》中涉及海运案文，导致《巴黎协定》未包括海运内容。虽然航运业温室气体减排未被纳入到《巴黎协定》中，但作为温室气体排放总量较大的行业之一，未来航运业的温室气体减排势必会受到《巴黎协定》的影响。在全球温室气体减排目标达成共识的大背景下，2018年IMO海洋环境保护委员会第72次会议讨论通过了温室气体减排的初步战略。

IMO初步战略目标：到2030年，全球海运每单位运输活动的平均CO排放与2008年相比至少降低40%，并努力争取到2050年降低70%；2050年温室气体年度总排放量与2008年相比至少减少50%，在本世纪内实现碳零排放。IMO将于2023年对收集的数据进行分析后形成正式战略，从而制定短期和中长期行动措施及实施计划。

4.2 中国温室气体减排的承诺

中国作为最大的发展中国家，同时也是温室气体排放较多的国家，一直积极参与国际气候变化治理及全球减排进程，承担合理的国际责任。中国积极加入《巴黎协定》并坚定履行公约承诺。2020年9月22日，在第75届联合国大会期间，中国领导人承诺将提高国家自主贡献力度，使CO排放于2030年前达到峰值，争取2060年前实现碳中和。

“共同但有区别的责任”是国际温室气体减排的重要原则。过去中国更多地强调作为发展中国家的责任“区别”，伴随着人类命运共同体的全球治理理念的提出，中国承担了越来越多的“共同”责任。中国政府把温室气体减排不再当成负担，而是看作发展机会和转型驱动力。“绿水青山就是金山银山”，这与《巴黎协定》的精神高度一致。中国必将成为国际减少温室气体排放的积极推进者和领导者，从而深远影响包括航运业在内的国内所有绿色产业发展。

4.3 绿色船舶技术发展的展望

为了实现IMO温室气体减排战略的目标，绿色船舶技术包括新兴技术将分阶段得到发展：

（1）中短期（2020～2030年）

从法规角度，将不断完善现有能效框架。新造船舶能效设计指数要求会不断提高，同时营运船舶的减排要求（EEXI和CII）也已正式推出。对于氢、氨等新兴燃料的规范研究与制定也会提上日程。

从技术角度，现有的成熟节能技术会持续应用，但效率已接近“天花板”，更多的新节能技术（例如风帆和旋转风筒、空气润滑减阻等）会得到一定发展。LNG燃料作为替代燃油的现阶段最佳选择，将得到快速发展和应用。

（2）长期（2030～2050年）

为实现航运业的脱碳目标，长期来看必定依赖于燃料能源的脱碳。鉴于船舶具有20年左右的寿命周期，2030年以后的新造船将逐渐过渡到无碳燃料。这一方面取决于技术的发展，另一方面与国际能源转型整体进程相关。现有能源基础设施投资的锁定效应，导致能源系统的转型相对缓慢，航运业的能源转型也必将同步经历一个较长的周期。

对于新兴清洁能源，适用于船舶的氢基燃料具有较大潜力，如液氢、液氨（NH）等。氢被认为是最有前景的可再生清洁燃料，但氢气因难于液化，而给运输、加注和使用带来诸多麻烦。与氢相同，氨不含碳元素，完全燃烧只产生清洁无污染的水和氮气，且其含氢量高。

相对于氢，氨的优点是能量密度大、易液化、易贮运、易获取以及防爆特性好，缺点是具有一定的毒性。氨目前已有广泛使用的基础设施，故被认为是长途运输大功率发动机的理想绿色燃料。MAN和瓦锡兰等主机厂商已将氨燃料发动机开发列上日程。未来的碳零排放船舶，根据船型的区别将会选择不同的技术路径：短途小型船舶以纯电动、氢燃料电池为主，长途远洋船舶将以氨燃料内燃机为主。

虽然氢（氨）燃料可以实现航运中燃料舱到螺旋桨的碳零排放，但合成氢（氨）过程是否真正减少碳排放，则决定了全链条的减排效果。化石燃料合成氢（氨）如果不匹配碳捕捉技术或化石能源电力电解法制氢（氨）技术，则只是将碳排放转移至其他行业。只有大力发展风电、水电等绿色能源，从而实现绿色制氢（氨），才能真正实现温室气体减排的目标。

5 结 语

绿色船舶设计是船舶行业的永恒主题，本文简要分析了绿色船舶设计目前的技术发展与未来面临的挑战。未来绿色船舶设计的要求只会越来越高，需要广大技术人员不断努力与创新，并始终保持科学严谨的态度，设计经得起实践检验的本质绿色船舶。