船舶溫室氣體減排規(guī)則的發(fā)展與應(yīng)對(duì)

何皛磊

（中國(guó)航空技術(shù)上海有限公司 上海 200041）

船舶溫室氣體減排規(guī)則的發(fā)展與應(yīng)對(duì)

何皛磊

（中國(guó)航空技術(shù)上海有限公司 上海 200041）

溫室氣體排放已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)。文章介紹了船舶溫室氣體減排規(guī)則的發(fā)展進(jìn)程以及新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)的出臺(tái)和影響，并對(duì)減排措施進(jìn)行了探討，著重闡述了采用氣體燃料這一措施的減排效果。

船舶；溫室氣體減排；新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)；措施

0 引言

隨著世界工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增長(zhǎng)，CO2排放量越來越大，溫室效應(yīng)所顯現(xiàn)出來的負(fù)面問題也越來越多，如氣候異常、冰川融化、海平面升高、生態(tài)系統(tǒng)改變、動(dòng)植物生長(zhǎng)異常甚至瀕臨滅絕等等。因此，急需世界各國(guó)、各行業(yè)協(xié)同控制和減少CO2排放。與此同時(shí)，航運(yùn)業(yè)也面臨著低碳時(shí)代的到來，低碳航運(yùn)、綠色航運(yùn)的戰(zhàn)役已經(jīng)打響。

1 溫室氣體減排規(guī)則的發(fā)展進(jìn)程

1.1 全球溫室氣體減排措施的提出

1990年，國(guó)際氣候變化政府間組織（IPPC）發(fā)表了第一次評(píng)估報(bào)告，這份報(bào)告確定了氣候變化的科學(xué)依據(jù)。1992年5月22日，氣候變化框架公約政府間談判委員會(huì)就氣候變化問題達(dá)成了《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》（UNFCCC），并于1992年6月4日第一屆地球首腦峰會(huì)上簽署。該公約規(guī)定：發(fā)達(dá)國(guó)家為締約方，應(yīng)采取措施限制溫室氣體排放；同時(shí)要向發(fā)展中國(guó)家提供資金以支付其履行公約所需費(fèi)用，并承擔(dān)對(duì)發(fā)展中國(guó)家進(jìn)行技術(shù)援助的義務(wù)。該公約于1994年3月21日正式生效。截至2009年12月19日，已有192個(gè)國(guó)家簽署該公約。

UNFCCC是世界上第一個(gè)為全面控制CO2等溫室氣體排放而制定的國(guó)際公約，也是國(guó)際社會(huì)在應(yīng)對(duì)全球氣候變化問題上進(jìn)行國(guó)際合作的一個(gè)基本框架。不過，該公約中并沒有規(guī)定參加國(guó)具體要承擔(dān)的義務(wù)。

1996年發(fā)布的IPPC第二次評(píng)估報(bào)告為系統(tǒng)闡述UNFCCC的最終目標(biāo)提供了重要的科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也推動(dòng)了1997年12月《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約的京都議定書》（下文簡(jiǎn)稱為《京都議定書》）的簽署?！毒┒甲h定書》為各國(guó)的CO2排放量規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)：2008~2012年間，全球37個(gè)主要工業(yè)國(guó)的年均工業(yè)CO2排放量要比1990年低5.2%。其中歐盟需將6種溫室氣體的排放量削減8%，美國(guó)削減7%，日本和加拿大各削減6%，發(fā)展中國(guó)家自愿制定減排目標(biāo)。

這樣做的目的主要是為了將溫室氣體排放量穩(wěn)定在一個(gè)適當(dāng)水平，防止因劇烈的氣候改變而對(duì)人類造成傷害。該議定書已于2005年2月16日在全球生效并強(qiáng)制執(zhí)行。

《京都議定書》在歷史上首次以法規(guī)的形式限制溫室氣體排放。航空和海運(yùn)業(yè)是目前僅有的兩個(gè)還未被納入《京都議定書》的大型產(chǎn)業(yè)，但是也已經(jīng)引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。

1.2 船舶溫室氣體減排規(guī)則的發(fā)展進(jìn)程

全球約有90%的貨物通過船舶運(yùn)送。船舶由于其運(yùn)載量遠(yuǎn)大于陸路和航空運(yùn)輸，因此每單位運(yùn)輸?shù)腃O2排放量遠(yuǎn)低于其他運(yùn)輸方式（見圖1），是三大運(yùn)輸系統(tǒng)中公認(rèn)的最環(huán)保的運(yùn)輸方式。

圖1 各運(yùn)輸方式CO2單位運(yùn)輸排放量

國(guó)際氣象組織（IMO）《2009年溫室氣體研究報(bào)告》顯示，2007年全球航運(yùn)業(yè)CO2排放量為10.46億t噸，占全球CO2排放總量的3.3%。其中國(guó)際航運(yùn)CO2排放量約為8.7億t，占全球總量的2.7%（見圖2）。若不采取措施加以限制，那么到2050年，CO2排放量將增加200%～300%［1］。由此可見，船舶溫室氣體排放問題也不可小視。

圖2 2007年全球CO2排放情況

1998年11月，海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（MEPC）第42次會(huì)議提出解決船舶溫室氣體排放問題，并同意制定關(guān)于船舶溫室氣體減排的政策性文件。2003年7月，MEPC第49次會(huì)議批準(zhǔn)了《IMO關(guān)于船舶溫室氣體減排的政策和措施》文件草案。2003年11月，該草案在IMO第23次大會(huì)上獲得通過。

2005年7月，MEPC第53次會(huì)議通過了《船舶CO2排放指數(shù)自愿試用臨時(shí)導(dǎo)則》，以評(píng)估營(yíng)運(yùn)船舶的CO2排放水平。

2008年3月，MEPC第57次會(huì)議提出采用強(qiáng)制性“CO2設(shè)計(jì)指數(shù)”（新造船）、單位海運(yùn)量“CO2排放指數(shù)”（營(yíng)運(yùn)船）以及市場(chǎng)機(jī)制等措施來減少船舶溫室氣體排放。2008年10月，MEPC第58次會(huì)議又將“CO2設(shè)計(jì)指數(shù)”變更為“能效設(shè)計(jì)指數(shù)”（EEDI），將“CO2排放指數(shù)”變更為“能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)”（EEOI），并通過了《新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)計(jì)算方法的臨時(shí)指南》。

2010年3月，MEPC第60次會(huì)議審議了日本、挪威和美國(guó)聯(lián)合提交的《關(guān)于制定MARPOL公約附則VI修正案》，內(nèi)容包括對(duì)新船強(qiáng)制實(shí)施EEDI，以及對(duì)所有營(yíng)運(yùn)船舶強(qiáng)制實(shí)施“船舶能效管理計(jì)劃”（SEEMP）。

2011年7月，MEPC第62次會(huì)議通過包括EEDI在內(nèi)的“MARPOL公約附則VI有關(guān)船舶能效規(guī)則的修正案”。EEDI將于2013年1月1日正式生效，這意味著該日期以后建造的所有400GT及以上國(guó)際航行船舶必須滿足新的能效標(biāo)準(zhǔn)。締約國(guó)主管機(jī)關(guān)可在修正案生效后，自行決定推遲四年執(zhí)行。

至此，第一個(gè)專門針對(duì)國(guó)際航運(yùn)溫室氣體減排問題的強(qiáng)制性法律文件已經(jīng)出臺(tái)且即將執(zhí)行，全球造船業(yè)和海運(yùn)業(yè)必須積極應(yīng)對(duì)。

2 新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)

EEDI適用于客船、干散貨船、氣體運(yùn)輸船、液貨船、集裝箱船、滾裝貨船、普通貨船、客滾船等八大類船型，基本涵蓋了所有普通商船類型。因此，對(duì)EEDI進(jìn)行研究十分必要。

《新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)計(jì)算方法的臨時(shí)指南》給出了EEDI的計(jì)算原理和計(jì)算公式［2］，見圖3。

圖3 船舶動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖及EEDI計(jì)算公式

圖3的EEDI計(jì)算公式中，分母表示船舶在規(guī)定航速下與載貨量及其修正系數(shù)的乘積。分子的第一部分表示船舶以該航速運(yùn)輸該載貨量所需的主推進(jìn)功率與所消耗燃油之乘積；第二部分表示為保證主機(jī)在第一項(xiàng)所述狀態(tài)下工作所需的輔機(jī)功率（包括必要的起居功率消耗）與所消耗燃油之乘積；第三部分表示當(dāng)船舶設(shè)有推進(jìn)電機(jī)且使用輔機(jī)功率節(jié)能技術(shù)時(shí)，其對(duì)軸功率的貢獻(xiàn)與輔機(jī)燃油消耗之乘積；第四部分表示采用新節(jié)能技術(shù)減少燃油消耗所帶來船舶能效的提高部分。

簡(jiǎn)而言之，EEDI就是利用船舶在保證其最大載貨能力時(shí)，以一定航速航行所需的推進(jìn)動(dòng)力及相關(guān)輔助功率所消耗的燃油，扣除廢熱回收和新型節(jié)能設(shè)備所補(bǔ)償?shù)娜加土浚僬鬯愠鯟O2排放量以反映船舶的能效水平。

根據(jù)《在MARPOL附則VI中納入船舶能效規(guī)則的修正案》的要求，新造船計(jì)算所得的能效設(shè)計(jì)指數(shù)必須滿足：“計(jì)算所得的能效設(shè)計(jì)指數(shù)≤要求的能效設(shè)計(jì)指數(shù)”，且“要求的能效設(shè)計(jì)指數(shù)=（1-X/100）×基線值”。其中：X為下頁(yè)表1所列對(duì)應(yīng)于根據(jù)減排目標(biāo)所設(shè)每個(gè)階段EEDI基線的折減系數(shù)［3］。

EEDI是衡量船舶設(shè)計(jì)和建造能效水平的一個(gè)指標(biāo)，對(duì)于新造船具有強(qiáng)制性。單船的設(shè)計(jì)指數(shù)應(yīng)低于基線值。

表1 相對(duì)于EEDI基線的折減系數(shù)

修正案也對(duì)基線值的計(jì)算給出了規(guī)定。基線值=a×b×c，其中a、b、c的取值見表2［3］。

表2 用于確定不同船型基線的參數(shù)

EEDI的計(jì)算方法已經(jīng)確定。不難發(fā)現(xiàn)，隨著排放要求的不斷提高，基線將逐步降低，隨后就是對(duì)技術(shù)水平提出更高要求。EEDI作為最長(zhǎng)效的減排手段，采取何種減排措施也已成為當(dāng)前討論的熱點(diǎn)。

3 船舶溫室氣體減排措施

由EEDI的計(jì)算公式可以看出，對(duì)EEDI起決定性作用的參數(shù)有航速、載貨量、主輔機(jī)功率和節(jié)能效果。我們可直觀地從以下四個(gè)方向入手降低EEDI。

（1）當(dāng)載貨量一定，航速保持不變的情況下，降低主輔機(jī)功率。即采取提高推進(jìn)效率和操縱性，主機(jī)降功率使用，優(yōu)化船舶設(shè)計(jì)，保持船體表面光潔，降低船舶阻力等措施。

（2）當(dāng)載貨量一定，功率和油耗保持不變，可采取提高航速。即考慮利用風(fēng)向、水流等有利條件選取最佳航線；

（3）保持航速、主輔機(jī)功率和油耗均不變，通過使用新型材料、改進(jìn)船體結(jié)構(gòu)來降低空船重量，相應(yīng)增加載重量。

（4）降低油耗。這包含了兩個(gè)方面：一是通過利用廢熱回收方式來降低整體能耗；二是利用低碳能源來替代普通能源，包括風(fēng)能、太陽能、天然氣、燃料電池等。使用岸電也是降低船上能源消耗的一個(gè)方法。

當(dāng)然，這四個(gè)參數(shù)也相互關(guān)聯(lián)，因此需要綜合考慮。比如通常情況下，船舶的燃油消耗量與航速的三次方成正比。如果不是一味地追求高航速，那么選擇一個(gè)經(jīng)濟(jì)航速，可以大幅降低主輔機(jī)功率和油耗，同樣可以達(dá)到降低EEDI的效果。

DNV對(duì)減排措施也作了深入研究。2009年12月15日，其發(fā)布了名為《實(shí)現(xiàn)低碳航運(yùn)之路——2030年的減排潛力》的報(bào)告，對(duì)所預(yù)測(cè)的2030年船隊(duì)規(guī)模減排情況進(jìn)行了分析［4］。

圖4描述了世界船隊(duì)通過采用各種減排措施后可實(shí)現(xiàn)的CO2減排量與預(yù)測(cè)成本效益。圖中列舉了2030年全球船隊(duì)實(shí)現(xiàn)減排可采取的25項(xiàng)措施，其中17項(xiàng)為技術(shù)措施，8項(xiàng)為營(yíng)運(yùn)措施。這些減排措施的最終效果參見圖5和表3。

圖4 預(yù)測(cè)全球船隊(duì)2030年可實(shí)現(xiàn)的減排量與成本對(duì)比圖

圖5 預(yù)測(cè)全球船隊(duì)2030年詳細(xì)減排曲線

隨著造船業(yè)的發(fā)展，對(duì)船體進(jìn)行優(yōu)化（如主尺度優(yōu)化，線型優(yōu)化，調(diào)整吃水等）已進(jìn)行了一輪又一輪。由于主尺度受限于航線、港口、河道等因素，所以進(jìn)一步優(yōu)化的空間較小。目前，普遍采用的方法是在船體外板上涂防污底漆以減少海生物的附著，從而降低航行阻力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，無海洋生物附著時(shí)，船舶油耗可節(jié)省約20%，但防污底漆對(duì)海洋環(huán)境的污染也不容小視。氣膜減阻是一個(gè)較環(huán)保的措施，理論上確實(shí)具有顯著成效，但成本較高、可操作性較小，故難以實(shí)現(xiàn)。

表3 預(yù)測(cè)2030年各級(jí)減排成本的減排量和排放量

太陽能、風(fēng)能等新能源的利用現(xiàn)已成為各行業(yè)節(jié)能減排的一大選擇。但目前這些技術(shù)要應(yīng)用于船舶，還需制定一系列新規(guī)范來保證其安全性。同時(shí)，采用這些新技術(shù)的高成本也不得不考慮。因此，這些新能源離實(shí)際應(yīng)用還存在一定的距離。

使用岸電是船舶節(jié)能減排的有效措施，其效果非常直觀。但值得注意的是，該項(xiàng)措施實(shí)際是將船舶排放的溫室氣體和有害氣體轉(zhuǎn)移到岸上，相對(duì)于整個(gè)地球，這些氣體的排放總量并沒有實(shí)質(zhì)性減少。并且如果提供岸電的能源不夠清潔，甚至有可能增加溫室氣體和有害氣體排放量，因此，這并非船舶減排的真正目的。由此可見，選擇兼具較高可行性和成本效益的措施十分重要。

從圖4中可見，航程優(yōu)化、減速航行（提高港口效率）、提高推進(jìn)效率、變頻技術(shù)、對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳、氣象導(dǎo)航、燃?xì)?、減速航行（船隊(duì)擴(kuò)大）、廢熱回收這幾項(xiàng)措施的成本效益較高。為了使2030年的CO2排放量控制在2009年的水平，需要實(shí)施所有成本低于35美元/噸的減排措施。在這些措施中，減速航行和采用氣體燃料的優(yōu)勢(shì)尤為突出。

世界能源組織的最新報(bào)告顯示，在未來的世界能源構(gòu)成中，天然氣的地位越來越重要。加快天然氣的開發(fā)和利用對(duì)改善能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義，其替代煤炭和石油成為主要能源將會(huì)是一個(gè)長(zhǎng)期的發(fā)展趨勢(shì)。世界將在石油時(shí)代之后迎來天然氣時(shí)代。

圖6是針對(duì)燃?xì)獯胧┧L制的減排曲線［4］。其中雜貨船和冷藏船等小型船舶的成本效益最高，所有燃?xì)庑痛翱傔呺H減排能力高達(dá)1.25億t，相當(dāng)于所預(yù)測(cè)2030年CO2排放總量的8%，這個(gè)數(shù)字非常可觀。

圖6 燃?xì)庑痛皽p排曲線

占船舶主機(jī)市場(chǎng)份額96%以上的兩大世界著名品牌曼恩和瓦錫蘭，都已研發(fā)并投產(chǎn)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。他們的研究報(bào)告表明，當(dāng)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與廢氣再循環(huán)技術(shù)和廢熱回收技術(shù)相結(jié)合時(shí)，可大大降低CO2、硫氧化物和氮氧化物的排放量。目前先進(jìn)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可在任意比例下燃燒天然氣與燃油，且可在燃油和天然氣之間靈活切換。因此，使用何種燃料完全取決于船上可供使用的燃料類型、相對(duì)成本和船東自身的偏好。隨著燃油價(jià)格的急劇上漲以及排放標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)將擁有更為廣闊的市場(chǎng)前景。

上述只是目前我們所掌握的一些減排效果較為顯著的措施，隨著研究深入，還將出現(xiàn)更多新的有力措施，從船舶設(shè)計(jì)、建造工藝、設(shè)備配套、維護(hù)保養(yǎng)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)等各個(gè)方面進(jìn)行控制和減少CO2的排放，實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)。

4 結(jié)論

目前航運(yùn)業(yè)CO2排放量所占比例雖不高，但由于其他行業(yè)已經(jīng)提前實(shí)施各種嚴(yán)格的減排措施，因此航運(yùn)業(yè)CO2排放量所占的比例會(huì)越來越高。國(guó)際海事組織2009年溫室氣體研究報(bào)告中已經(jīng)指出：如果到2100年，全球平均氣溫相對(duì)于工業(yè)革命前的上升幅度控制在2℃以內(nèi)，則必須采取相應(yīng)的減排措施，使2050年全球航運(yùn)CO2排放量控制在全球排放總量的12%～18%。這樣到2100年，才有50%的可能性達(dá)到上述要求。因此，船舶溫室氣體減排任重而道遠(yuǎn)，它將對(duì)整個(gè)行業(yè)產(chǎn)生重大影響。現(xiàn)行規(guī)則的出臺(tái)只是一個(gè)開始，相關(guān)單位都必須高度重視，尋找合適的應(yīng)對(duì)措施。這不僅是為了滿足規(guī)則、規(guī)范的要求，更為了我們賴以生存的地球。

［1］IMO.Second IMO GHG Study 2009［R］.London：April 2009.

［2］IMO.MEPC.1/Circ.681 Interim Guide lines on the Method of Calculation of the Energy Efficiency Design Index for New Ships［S］.London：August2009.

［3］IMO.Resolution MEPC.197（62）Amendments to MARPOL Annex VI on Regulations for the Prevention of Air Pollution from Ships by Inclusion of New Regulations on Energy Efficiency for Ships［S］.London：July 2011.

［4］DNV.Pathways to Low Carbon Shipping—Abatement Potential Towards 2030［R］.Norway：December 2009.

Development and countermeasures of ship GHG emission reduction

HE Xiao-lei
（CATIC Shanghai Company，Shanghai200041，China）

Greenhouse gas emission has been the hot spot all over the world.This paper introduces the progress of regulations about the GHG emission reduction from ships，and the promulgation and influence of the EEDI.It also discusses the measures of reducing the CO2emission from ships and emphasizes the effect of using gas fuel.

ship；GHG emission reduction；EEDI；measures

U692.5

A

1001-9855（2012）03-0015-07

2011-09-27；

2011-10-17

何皛磊（1985-），女，漢族，碩士，助理工程師，主要從事船舶與海洋工程設(shè)計(jì)制造工作。