船舶CO2 排放影響因素分析及優(yōu)化措施研究

伍賽特

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司， 上海 200438）

0 引言

溫室氣體是指具有讓太陽短波輻射自由通過， 同時(shí)能強(qiáng)烈吸收地面和空氣釋放的長(zhǎng)波（紅外線）輻射，從而造成地層增溫功能的氣體[1-2]。 CO2是影響最大的一類溫室氣體，隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究的日益深入，控制CO2排放、保護(hù)大氣環(huán)境問題已受到航運(yùn)界的普遍關(guān)注[3-6]。

1 船舶CO2 排放的影響因素

船舶溫室氣體尤其是CO2的排放影響因素較多[7]。通過相關(guān)研究， 發(fā)現(xiàn)影響船舶CO2排放量的因素主要有以下幾方面。

1.1 船舶設(shè)計(jì)水平

從新造船舶CO2指數(shù)計(jì)算公式的分析中可以發(fā)現(xiàn)，在船舶設(shè)計(jì)過程中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化、船型優(yōu)化、使用節(jié)能技術(shù)等方面而言[8]，比較容易實(shí)現(xiàn)和控制減排目標(biāo)，而且這是一種長(zhǎng)期有效的措施。但對(duì)其技術(shù)要求較高，船舶建造成本勢(shì)必增加， 并且容易對(duì)發(fā)展中國(guó)家船舶行業(yè)構(gòu)成技術(shù)壁壘， 所以在船舶設(shè)計(jì)水平和建造工業(yè)上應(yīng)積極準(zhǔn)備，接受挑戰(zhàn)，逐步提高其設(shè)計(jì)和建造水平，這是大勢(shì)所趨[9]。

1.2 船舶的滿載率

通常而言，載貨量越多，船舶CO2排放指數(shù)就越低，對(duì)環(huán)境損害越小。 而對(duì)于船舶企業(yè)來說，盡量滿載也是船舶公司實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化的方法之一。 但由于航運(yùn)市場(chǎng)的興衰是不斷變化的，而且受到全球經(jīng)濟(jì)額的影響。 某些船舶如油船，因?yàn)橐贺浀奶厥庑裕ǔ：茈y實(shí)現(xiàn)始終處于滿載航行的狀態(tài)[10]。

1.3 船舶燃料油的質(zhì)量

由于燃油類型不同、成分不同、質(zhì)量不同，因此不同品質(zhì)的燃料油燃燒后排放的CO2量也明顯不同。 由于船用柴油機(jī)技術(shù)的日益進(jìn)步及低質(zhì)重油的價(jià)格優(yōu)勢(shì)， 目前低質(zhì)重油被普遍使用在現(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶上， 其不完全燃燒和燃燒惡化會(huì)相應(yīng)引起的溫室氣體排放量的增加。 而且，重質(zhì)燃油產(chǎn)地不同，其實(shí)際燃燒效果也不盡然相同[11]。

1.4 船齡

船齡對(duì)CO2排放量影響較大。 隨著船舶使用年限的增加， 機(jī)器設(shè)備的老化， 尤其是鍋爐等設(shè)備換熱效率降低、主輔機(jī)的不完全燃燒加重，船舶污底的日益加重使得船舶航行阻力加大等都會(huì)使船舶油耗增加[12]。 當(dāng)然，良好的船況可以通過良好的維護(hù)保養(yǎng)維持， 但隨著船齡的增長(zhǎng)，船舶溫室氣體排放加劇的趨勢(shì)是一定的。

1.5 航線距離

對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)， 同一船舶航次越短船舶進(jìn)出港越頻繁，而在進(jìn)出港過程中，船舶單位油耗最高，特別是集裝箱船舶，表現(xiàn)尤為明顯[13]。

1.6 船速

航速的提高會(huì)導(dǎo)致油耗非線性的增加。 在實(shí)際船舶航運(yùn)經(jīng)營(yíng)中，航速受各種因素影響，如貨主對(duì)貨物周轉(zhuǎn)周期的要求、保險(xiǎn)費(fèi)用、船舶及設(shè)備的折舊費(fèi)用、船員及管理人員工資等， 所以很難一直保持船舶在最低油耗下運(yùn)行[14-15]。

1.7 海況

潮流和風(fēng)場(chǎng)是自然界客觀存在的現(xiàn)象， 也是船舶在海上航行的主要阻力。在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中，船舶的油耗在逆流與順流航行中差別是很大的， 導(dǎo)致CO2排放指數(shù)也有較大的差異。特別是我國(guó)內(nèi)河航行船舶，每航次油耗受此影響差異最為明顯[16]。

2 減少船舶CO2 排放的主要措施

通常而言，減少船舶CO2排放的措施總體如下。

2.1 提高燃油經(jīng)濟(jì)性

（1）改進(jìn)航線計(jì)劃，優(yōu)化航線。

（2）通過和港口的溝通，縮短碼頭時(shí)間。

（3）優(yōu)化航速。

（4）優(yōu)化主機(jī)功率。

2.2 提高船舶操作性

（1）優(yōu)化縱傾橫傾設(shè)計(jì)。

（2）優(yōu)化壓載工況設(shè)計(jì)。

（3）優(yōu)化螺旋槳設(shè)計(jì)[17]。

（4）優(yōu)化舵系設(shè)計(jì)。

（5）重視船殼保養(yǎng)。

2.3 提高推進(jìn)系統(tǒng)性能

（1）采用燃料電池[18-21]。

（2）采用電噴式主機(jī)。

（3）加強(qiáng)推進(jìn)系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)。

（4）使用燃油添加劑。

（5）加強(qiáng)機(jī)器的自動(dòng)檢測(cè)功能。

（6）采用廢熱回收技術(shù)[22]。

3 船舶改善CO2 排放措施的優(yōu)劣勢(shì)分析

根據(jù)CO2排放的定義， 可以通過以下幾種措施而實(shí)現(xiàn)，并對(duì)其優(yōu)勢(shì)及劣勢(shì)進(jìn)行了分析。

3.1 優(yōu)化主機(jī)特性

該方案可使主機(jī)在最高效率區(qū)運(yùn)行，改善燃油消耗特性。 該方案的優(yōu)勢(shì)為可以降低溫室氣體以及其他大氣污染物的排放。 該方案的劣勢(shì)使其實(shí)際效果往往受到限制。

3.2 使用代用燃料

使用類似天然氣、生物燃料等代用燃料，采用燃料電池等能夠有效減少船舶CO2排放， 在技術(shù)上應(yīng)用到船舶還需要時(shí)間。 該方案的優(yōu)勢(shì)使可以大幅降低船舶CO2排放， 如在大型船舶上直接使用在高溫燃料電池中的天然氣， 在小型船舶上使用燃料電池中的H2。 該方案的主要劣勢(shì)在于生物柴油的生產(chǎn)受到限制， 持續(xù)的生產(chǎn)會(huì)導(dǎo)致其他環(huán)境危害（如森林消亡和濕地破壞等）以及農(nóng)作物漲價(jià)等現(xiàn)象。

3.3 采用岸電

目前在世界范圍內(nèi)由部分港口實(shí)施， 發(fā)展具有良好性價(jià)比以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的高壓岸電。 該方案的優(yōu)勢(shì)在于能有效減少CO2以及其他空氣污染物的排放， 并對(duì)改善當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量大有裨益，CO2減排效果取決于發(fā)電電源。 該方案的劣勢(shì)在于，符合船舶試用岸電的標(biāo)準(zhǔn)需要時(shí)間，這可能使得港口當(dāng)局和船廠相關(guān)技術(shù)落后。此外，船舶靠港期間能源消耗很小，CO2減排總量受到限制。

3.4 使用風(fēng)能作為推進(jìn)動(dòng)力來源

商船采用風(fēng)帆和風(fēng)板，以風(fēng)能作為推進(jìn)動(dòng)力來源。該技術(shù)方案目前已經(jīng)在試用，而且技術(shù)不復(fù)雜。該方案的優(yōu)勢(shì)在于其具有良好的性價(jià)比、減排效果顯著。采用懸掛技術(shù)，對(duì)船舶只需進(jìn)行少量改動(dòng)。該方案的劣勢(shì)在于其使用與推廣仍有較高的技術(shù)含量， 同時(shí)會(huì)引發(fā)航運(yùn)界的內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)。 同時(shí)該項(xiàng)技術(shù)是否成熟，仍需要進(jìn)一步核準(zhǔn)，風(fēng)帆/風(fēng)板轉(zhuǎn)換成商用還缺乏一定的標(biāo)準(zhǔn)， 這些標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)際間實(shí)行還需要一定時(shí)間。

3.5 優(yōu)化船舶CO2 指數(shù)

船舶到港后要求CO2指數(shù)相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)輸入程序，每年向主管當(dāng)局報(bào)告。該措施可以同時(shí)伴隨引入“經(jīng)濟(jì)表（Econometer）”，計(jì)算反映船舶燃油消耗的最佳船速。該方案的優(yōu)勢(shì)在于掌握相關(guān)數(shù)據(jù)，及時(shí)制定政策限制排放，如制定更有效和更經(jīng)濟(jì)的燃油效率標(biāo)準(zhǔn)， 增加船舶的競(jìng)爭(zhēng)力。 該方案的劣勢(shì)在于報(bào)告CO2指數(shù)并不會(huì)直接導(dǎo)致減排，同時(shí)要落實(shí)切實(shí)有效的指數(shù)計(jì)算方法。

3.6 改進(jìn)交通控制、船舶管理、裝卸貨管理及能量效率

采取相關(guān)各項(xiàng)措施以在港口減少交通積壓和擁擠、優(yōu)化靠泊、錨泊等時(shí)間。該方案的優(yōu)勢(shì)在于其對(duì)節(jié)能和環(huán)保都有益處。該方案的劣勢(shì)在于，目前仍需要開展進(jìn)一步研究，因?yàn)槟壳霸摲矫婧芏嘁笾饕鲇谧栽?，難以強(qiáng)制執(zhí)行。

3.7 經(jīng)濟(jì)航速船舶航行速度

該方案對(duì)CO2的排放起著重要的作用，適當(dāng)?shù)販p速，采取經(jīng)濟(jì)航速可以有效地與其他幾項(xiàng)措施如氣候規(guī)劃及定線制等相結(jié)合， 以確保燃油消耗和船舶排放在每一航程均處于最小范圍。 該方案的優(yōu)勢(shì)在于可以有效減少CO2排放，改進(jìn)區(qū)域及全球空氣質(zhì)量（減速4%可以減排約13%）。該方案的劣勢(shì)在于船舶始終低速運(yùn)行可能導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)等方面的問題，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致船舶貨運(yùn)量減少，更多的船舶運(yùn)輸既定貨物會(huì)導(dǎo)致成本上升。

3.8 船舶設(shè)計(jì)方面的技術(shù)優(yōu)化

可通過優(yōu)化船體型線、選擇推進(jìn)裝置、提高動(dòng)力裝置效率、改進(jìn)動(dòng)力裝置（燃油噴射）以及減少船體阻力等，以減少CO2的排放，并長(zhǎng)期有效。該方案的優(yōu)勢(shì)在于可以減少新船約30%排放和舊船約20%排放。 該方案的劣勢(shì)在于其對(duì)現(xiàn)有船舶不經(jīng)濟(jì)也不易行。 需要良好的設(shè)計(jì)考慮和試驗(yàn)周期，動(dòng)力裝置方面的改進(jìn)對(duì)現(xiàn)有船舶不易實(shí)行，因?yàn)楹芏喱F(xiàn)有船舶已在燃油消耗和NOx排放方面進(jìn)行了良好的平衡。

4 結(jié)束語

溫室氣體對(duì)于賴以生存的地球氣候有著重要影響，CO2是溫室氣體中影響最顯著的一類。 船舶作為水路運(yùn)輸領(lǐng)域的重要載運(yùn)工具， 考慮到日漸嚴(yán)苛的環(huán)境保護(hù)法規(guī)要求，針對(duì)其而開展的CO2減排研究勢(shì)在必行。