基于綠色減排的集裝箱船替代燃料對(duì)比研究

鄭傳波,王 楠,周 旭

(南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司,江蘇 南通 226005)

0 引言

為減少溫室氣體排放對(duì)環(huán)境帶來(lái)的不利影響,國(guó)際海事組織(IMO)及各國(guó)政府對(duì)航運(yùn)業(yè)制定了去碳化的要求。IMO海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)(MEPC)提出了新造船的船舶能效指數(shù)(EEDI)概念,其中部分船型EEDI 第三階段已經(jīng)開(kāi)始適用。此外,針對(duì)船舶行業(yè)溫室氣體排放的現(xiàn)狀,IMO通過(guò)了初步的國(guó)際航運(yùn)溫室氣體戰(zhàn)略,并批準(zhǔn)了降低船舶碳排放的短期、中期和長(zhǎng)期措施,其中短期措施包括現(xiàn)有船能效指數(shù)(EEXI)和船舶營(yíng)運(yùn)的碳排放強(qiáng)度(CII)的計(jì)算和認(rèn)證。

為應(yīng)對(duì)當(dāng)前綠色減排的政策,各個(gè)船廠、設(shè)計(jì)單位及運(yùn)營(yíng)公司都在積極開(kāi)發(fā)新技術(shù)、新方法來(lái)提高船舶的設(shè)計(jì)及營(yíng)運(yùn)的能效指數(shù)。叢林[1]基于CFD方法對(duì)幾種船舶節(jié)能裝置的節(jié)能效果進(jìn)行了研究。李欣等[2]研究發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)風(fēng)筒裝置在特定的風(fēng)向條件下能提升船舶能效指數(shù)。吳浩等[3]對(duì)當(dāng)前船舶氣泡減阻技術(shù)進(jìn)行研究。然而,廣泛采用的節(jié)能技術(shù)很難滿足航運(yùn)業(yè)未來(lái)幾十年的減排要求。在替代燃料方面,學(xué)者們更側(cè)重于從燃料的特性及應(yīng)用前景等方面進(jìn)行研究[4-6]。為此,本文通過(guò)對(duì)推動(dòng)航運(yùn)業(yè)低碳化的政策法規(guī)的解讀,以大型集裝箱船為研究對(duì)象,確定了幾種未來(lái)可行的船用替代燃料,分析了不同燃料全生命周期溫室氣體的排放和節(jié)能效果,并且對(duì)比了由市場(chǎng)機(jī)制產(chǎn)生的額外成本。

1 替代燃料應(yīng)用背景

1.1 IMO降低碳排放措施

自2013年1月1日EEDI強(qiáng)制實(shí)施以來(lái),新造船的CO2排放量有望得到有效控制,但是目前全球船隊(duì)產(chǎn)生的CO2排放量中,有超過(guò)一半是由2013年1月1日以前簽訂建造合同的現(xiàn)有船產(chǎn)生的,因而為滿足IMO初步戰(zhàn)略要求,MEPC76會(huì)議通過(guò)了EEXI的要求,并于2023年1月1日以后正式實(shí)施。

EEXI從技術(shù)層面降低現(xiàn)有船的碳排放,不滿足EEXI要求的船舶將不能運(yùn)營(yíng)。在操作層面,通過(guò)計(jì)算CII值,對(duì)船舶進(jìn)行年度評(píng)級(jí),分為A～E級(jí)。對(duì)于連續(xù)三年被評(píng)為D級(jí)或者當(dāng)年度被評(píng)為E級(jí)的船舶,目前暫時(shí)不會(huì)直接導(dǎo)致懲罰性后果,但是需要制定改正計(jì)劃并納入船舶能效管理計(jì)劃(SEEMP)中。雖然CII表現(xiàn)不佳的船仍能營(yíng)運(yùn),但是勢(shì)必會(huì)影響船舶的租賃前景。

EEXI和CII是IMO提出降低碳排放的短期措施,更注重改善現(xiàn)有船隊(duì)的碳排放強(qiáng)度。因短期措施未對(duì)船舶實(shí)際營(yíng)運(yùn)時(shí)過(guò)高的碳排放進(jìn)行明確的懲罰,并且燃料的碳排放僅考慮船上燃燒的排放,短期措施的實(shí)施效果尚需確認(rèn)。為實(shí)現(xiàn)IMO溫室氣體戰(zhàn)略的目標(biāo),IMO制定了中長(zhǎng)期措施,包括全生命周期的溫室氣體排放、替代燃料的使用和采用市場(chǎng)機(jī)制措施的實(shí)施。

1.2 歐盟降低碳排放的綠色新政

為推動(dòng)歐盟實(shí)現(xiàn)到2030年碳排放相對(duì)1990年降低至55%的目標(biāo),歐盟委員會(huì)于2021年7月提出了“Fit for 55”草案。該草案對(duì)航運(yùn)業(yè)的影響主要體現(xiàn)在將航運(yùn)業(yè)納入歐盟碳交易系統(tǒng)(EU ETS)、FuelEU海事法規(guī)和修訂能源稅收指令等3個(gè)方面。鑒于最終的正式文件尚未發(fā)布,本文將基于2021年7月提出的“Fit for 55”草案內(nèi)容進(jìn)行分析。

1.2.1 航運(yùn)業(yè)納入現(xiàn)有的歐盟碳交易系統(tǒng)

2023年1月1日以后,針對(duì)總噸超過(guò)5 000的貨船或客船,在歐盟區(qū)航程所產(chǎn)生的CO2排放需要繳納碳稅。歐盟區(qū)航程是指歐盟港口與非歐盟港口間50%航程、歐盟港口與歐盟港口之間100%航程和歐盟港口停泊時(shí)產(chǎn)生的碳排放。船舶如果無(wú)法繳納所要求的碳稅,將有可能被拒絕進(jìn)入歐盟港口。為緩解航運(yùn)業(yè)前期碳稅的壓力,歐盟給出了4 a的緩沖期。在緩沖期內(nèi),船舶只需繳納在歐盟區(qū)航程內(nèi)碳排放的百分比即可。繳納碳稅的CO2占總CO2排放量的百分比具體如下:2023年20%,2024年45%,2025年70%,2026年及以后100%。

1.2.2 FuelEU海事要求

FuelEU是從船舶所消耗的燃料角度降低碳排放量,主要針對(duì)的是總噸超過(guò)5 000的商船,同樣在歐盟區(qū)航程內(nèi)對(duì)所消耗的燃料征收一定的罰金。FuelEU考慮了燃料全生命周期內(nèi)的溫室氣體強(qiáng)度,它表征了燃料從生產(chǎn)、轉(zhuǎn)化、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、船上燃燒等全生命周期內(nèi)的溫室氣體排放量。

FuelEU對(duì)燃料征收罰金的原則是相比于溫室氣體強(qiáng)度的年度基線值進(jìn)行核算。初始的年度基準(zhǔn)線是基于2020年的溫室氣體強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)值獲得的,且從2025年起,每隔5 a,年度基準(zhǔn)線將以表1中的百分比進(jìn)行折減。若當(dāng)年度所使用的燃料溫室氣體強(qiáng)度低于年度基線值,則不需要繳納罰金;當(dāng)燃料的溫室氣體強(qiáng)度高于年度基線值,則需要繳納罰金。

表1 FuelEU 年度基準(zhǔn)線折減系數(shù)

1.2.3 修訂能源稅收指令

對(duì)于在歐盟經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)出售的并且用于歐盟經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)航程的燃料和加到船上的電能,需要征收表2中的能源稅。

表2 不同燃料的能源稅 單位:歐元/GJ

歐盟“Fit for 55”草案更側(cè)重于以市場(chǎng)機(jī)制的手段來(lái)降低溫室氣體的排放,并且考慮了燃料全生命周期內(nèi)溫室氣體排放。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,采用低碳燃料或零碳燃料等替代燃料將會(huì)節(jié)省大部分的歐盟稅費(fèi),因此替代燃料將具有更大應(yīng)用前景。

2 船用替代燃料選取

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,今后船舶將會(huì)采用新的推進(jìn)系統(tǒng),包括燃燒替代燃料的內(nèi)燃機(jī)或者氫燃料電池。從短期來(lái)看,則希望基于現(xiàn)有船舶選擇可用的低碳燃料,這些燃料可直接用于大型船用柴油機(jī),或者是LNG雙燃料主機(jī),只需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料系統(tǒng)進(jìn)行最小的修改。為分析常規(guī)燃料及替代燃料碳排放,并考慮燃料全生命周期,本文選擇了化石燃油、生物燃油、LNG、綠色LNG、化石甲醇、綠甲醇、化石氨、綠氨等8種燃料進(jìn)行了對(duì)比?；剂蠟樽匀唤缣烊淮嬖诘?需要進(jìn)行開(kāi)采等操作獲取的燃料。生物燃料則是以廢物、殘?jiān)?、油脂、木質(zhì)纖維等為原料,通過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)化技術(shù)生成的燃料。相對(duì)于化石燃料,生物燃料在形成的過(guò)程中吸收了一部分CO2,因此其全生命周期的溫室氣體強(qiáng)度要小于化石燃料。綠色燃料則是在燃料生成、運(yùn)輸?shù)壬嫌芜^(guò)程中,均使用的可再生能源,如光伏,風(fēng)力等。

8種所選燃料的特性見(jiàn)表3。

表3 8種不同燃料的特性

3 大型集裝箱船不同燃料的應(yīng)用

為進(jìn)一步分析不同燃料對(duì)碳排放的影響,本文研究的某萬(wàn)箱級(jí)集裝箱船營(yíng)運(yùn)的航線為亞歐航線,主要?？康母劭诩昂匠桃?jiàn)表4。

表4 亞歐集裝箱航線主要港口(單程)

3.1 不同燃料的EEDI和EEXI及CII計(jì)算

EEDI、EEXI和CII是IMO通過(guò)技術(shù)和營(yíng)運(yùn)手段降低新造船和現(xiàn)有船的碳排放量的3個(gè)指數(shù),其船舶能效指數(shù)的計(jì)算公式為

EEDI和EEXI為船舶設(shè)計(jì)階段下的能效指數(shù),其主機(jī)排放為75%功率下的CO2理論排放量,輔機(jī)排放則為50%功率下的CO2理論排放量,裝貨量為EEDI吃水下的載重噸。CII計(jì)算中分子則是船舶在整個(gè)年度內(nèi)所有機(jī)器的CO2實(shí)際排放量,航行距離則是船舶在整年度內(nèi)所記錄的實(shí)際航行距離,裝貨量則是滿載吃水下的載重噸。

EEDI、EEXI和CII僅考慮燃料燃燒端的碳排放。本文所選的生物燃料和綠色燃料的計(jì)算結(jié)果目前與化石燃料是相同的,因此這里只對(duì)比了燃油、LNG和甲醇的結(jié)果,其中氨燃料屬于零碳燃料,其EEDI、EEXI和CII的結(jié)果為0。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。圖中表明,采用LNG的計(jì)算結(jié)果較燃油低約25%,采用甲醇的結(jié)果較燃油低約8%,說(shuō)明替代燃料可以有效地降低EEDI、EEXI的值。圖2給出了2023年CII基準(zhǔn)線下的結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明,LNG與甲醇燃料相比于燃油的差距與EEDI、EEXI的結(jié)果接近。3種燃料的差距主要由其產(chǎn)生的CO2排放量決定的,而產(chǎn)生的CO2排放量可近似表示為燃料的消耗量、熱值和碳轉(zhuǎn)化系數(shù)的乘積,因此如果僅考慮燃料燃燒時(shí)的碳排放量,選用LNG燃料具有較大的減排效果,甲醇的減排效果次之。另外,從圖2可以看出,航速對(duì)CII評(píng)級(jí)有較大的影響,因此降低航速是提高CII等級(jí)的有效措施。

圖1 不同燃料EEDI、EEXI結(jié)果

圖2 不同燃料CII計(jì)算結(jié)果(2023年)

3.2 不同燃料下歐盟“Fit for 55”碳費(fèi)計(jì)算

為對(duì)比不同燃料的碳費(fèi)的差別,本文以單位質(zhì)量的燃油產(chǎn)生的能量為計(jì)算基礎(chǔ),通過(guò)表3燃料的熱值轉(zhuǎn)化,得到其他燃料的消耗量,而船舶整年度的總碳費(fèi)只需乘以年度燃油消耗量便可以獲得。

碳交易系統(tǒng)中的碳稅計(jì)算是根據(jù)燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的CO2排放量和實(shí)時(shí)的碳價(jià)所決定的,因此不同燃料在同一時(shí)刻的碳稅差距主要取決于燃料燃燒時(shí)的碳轉(zhuǎn)化系數(shù)。對(duì)于LNG、甲醇和氨的雙燃料主機(jī)需要消耗一定量的點(diǎn)火油,但是點(diǎn)火油的實(shí)際消耗量與主機(jī)機(jī)型及主機(jī)的技術(shù)有很大的關(guān)系,而當(dāng)前尚無(wú)適用于大型箱船的甲醇雙燃料主機(jī)和氨雙燃料主機(jī),因此其點(diǎn)火油的實(shí)際消耗量很難把握。

本文假定LNG、甲醇和氨的點(diǎn)火油消耗量分別為主燃料的1.0%、3.5%和5.0%。圖3給出了不同燃料在同等能量下的碳費(fèi)對(duì)比,其中碳價(jià)假定為80歐元/t。

圖3 不同燃料的碳費(fèi)對(duì)比(單位質(zhì)量燃油產(chǎn)生的能量)

圖3中綠色燃料并未體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì),這是因?yàn)槟壳皻W盟碳費(fèi)僅考慮燃料在燃燒端的碳排放量,而綠色燃料則側(cè)重全生命周期內(nèi)的碳排放量。LNG具備一定的優(yōu)勢(shì),相比于燃油節(jié)省約25%的碳費(fèi),與上述EEDI/CII的分析結(jié)論一致;甲醇燃料的優(yōu)勢(shì)不明顯,相比于燃油僅節(jié)省約4%的碳費(fèi);氨燃料作為零碳燃料,其碳費(fèi)主要有點(diǎn)火油產(chǎn)生,因此碳費(fèi)繳納最少,相比于燃油節(jié)省了約90%的碳費(fèi)。

FuelEU的罰金考慮了燃料的全生命周期的碳排放影響,并且每隔5 a增加罰金的費(fèi)用。綠色LNG、綠甲醇和綠氨的溫室氣體強(qiáng)度值小于2050年要求的值,因此不需要繳納罰金。不同燃料在單位質(zhì)量燃油產(chǎn)生的能量下每年所需要繳納的FuelEU罰金見(jiàn)圖4(5 a內(nèi)每年的罰金是相同的)。

圖4 不同燃料每年的FuelEU罰金對(duì)比(單位質(zhì)量燃油產(chǎn)生的能量)

圖4的結(jié)果表明,FuelEU罰金將隨著年份的增加不斷的增加,并且明顯高于碳稅的費(fèi)用。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,FuelEU的罰金將是歐盟稅費(fèi)的主要組成部分。燃油在2040年以后FuelEU罰金將占整個(gè)歐盟稅費(fèi)的70%以上。化石燃料FuelEU罰金較高,化石甲醇和化石氨的罰金要明顯高于燃油,2025年—2029年比燃油要高3～7倍,顯然這2種燃料不具備優(yōu)勢(shì)。LNG燃料短期不需要繳納FuelEU罰金,但2040年以后,其FuelEU的罰金也會(huì)大幅增加。生物燃油因其原料的來(lái)源不同,其碳排放量也不同,但是因?yàn)樯锶加驮谛纬傻倪^(guò)程中吸收了一部分的CO2,其全生命周期內(nèi)的碳強(qiáng)度指數(shù)相對(duì)于燃油降低了約50%,使得其能夠滿足2045年FuelEU的要求。綠色燃料在FuelEU框架中體現(xiàn)了明顯的優(yōu)勢(shì),在目前的FuelEU框架下無(wú)需繳納罰金,因此采用綠色燃料可以明顯降低歐盟稅費(fèi)。

不同燃料的能源稅計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同燃料每年能源稅對(duì)比(單位質(zhì)量燃油產(chǎn)生的能量)

燃料的能源稅占比較小,僅占?xì)W盟稅費(fèi)的4%左右。從圖5中可以看出:前十年LNG的能源稅較燃油低約1/3,而從2033年及以后,兩者繳納的能源稅相同;生物燃油和綠色燃料有十年的豁免期,并且2033年以后相對(duì)于燃油和LNG要低約50%以上?；状己突弊鳛槿芷跍厥覛怏w強(qiáng)度比燃油還高的燃料,目前歐盟沒(méi)有特別規(guī)定這2種燃料的能源稅,因此未對(duì)比這2種燃料的能源稅。

假定本船在亞歐航線每年航行5個(gè)航次,平均航速為18 kn,以常規(guī)燃油為計(jì)算基礎(chǔ),分別對(duì)比了本船采用不同燃料運(yùn)營(yíng)25 a間歐盟繳納的費(fèi)用。由于碳價(jià)將會(huì)隨市場(chǎng)波動(dòng),無(wú)法精確預(yù)估,這里假定20 a內(nèi)的碳價(jià)保持80歐元不變,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 不同燃料年度碳費(fèi)累加值對(duì)比(以燃油為基礎(chǔ))

圖6表明:化石甲醇和化石氨的稅費(fèi)始終高于燃油的費(fèi)用,達(dá)到了1.2～1.7倍左右,因此不建議選擇;由于LNG在燃燒端的碳排放低于燃油和甲醇,因此,LNG燃料在短期的費(fèi)用要低于綠甲醇和生物燃油,但隨著時(shí)間的推移,LNG的FuelEU罰金將急劇增加,到2040年以后,其稅費(fèi)將高于綠甲醇與生物燃油;綠甲醇與生物燃油在2045年之前的歐盟費(fèi)用相當(dāng),但是2045年之后綠甲醇將節(jié)省更多的費(fèi)用;綠氨作為零碳的清潔能源,其歐盟繳納的費(fèi)用最少,相比于燃油可以降低90%以上的稅費(fèi)。從對(duì)比結(jié)果可以看出,綠色甲醇和綠色氨燃料在未來(lái)預(yù)計(jì)會(huì)成為長(zhǎng)期降低歐盟費(fèi)用的主要燃料選擇。

總之,“Fit for 55”采用強(qiáng)制的市場(chǎng)機(jī)制方式來(lái)降低航運(yùn)業(yè)的碳排放,將對(duì)航運(yùn)業(yè)產(chǎn)生重要的影響。前期碳稅占據(jù)主導(dǎo)地位,此時(shí)低碳燃料具備一定的優(yōu)勢(shì)。隨著時(shí)間的推移,FeulEU將在2040年呈現(xiàn)急劇增加的趨勢(shì),導(dǎo)致FuelEU罰金占到整個(gè)歐盟稅費(fèi)的70%以上,此時(shí)使用全生命周期內(nèi)溫室氣體強(qiáng)度低的綠色燃料將更有優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

(1)僅考慮燃料燃燒時(shí)的碳排放量,相比于燃油,LNG燃料具有較大的減排效果,甲醇的減排效果次之,氨燃料減排效果最明顯。

(2)歐盟碳費(fèi)考慮了燃料全生命周期內(nèi)的碳排放量,化石燃料的全生命周期碳強(qiáng)度較高,需要繳納高昂的歐盟費(fèi)用,不建議作為今后船用主要燃料。

(3)歐盟“Fit for 55”框架下,LNG燃料短期具有一定的優(yōu)勢(shì)。考慮其制備、儲(chǔ)運(yùn)等成本,結(jié)合長(zhǎng)期減排目標(biāo),綠甲醇更具有應(yīng)用前景。