我国绿色船舶发展展望

(中国船级社，北京 10007)

近年来，船舶所带来的能耗和环境污染问题越来越成为关注的焦点。国际海事组织针对船舶节能减排的新公约、新规范的出台，促使业界必须考虑如何更好地实现船舶的绿色发展。绿色船舶的内涵是通过采用先进技术，把传统的使用功能和性能要求与新世纪的节约资源与保护环境的要求紧密结合，在船舶设计、制造、使用与拆解的全周期中，节省资源和能源，减少或消除环境污染，保障生产和使用者健康安全、友好舒适的新技术船舶。绿色船舶目标包括环境保护、船舶能效和工作环境。环境保护目标为减少船舶对海洋、陆地、大气环境造成污染或破坏；船舶能效目标为提高船舶能效水平，减少船舶营运所产生的CO2排放量；工作环境目标为改善船员工作和居住条件、降低船员劳动强度[1]。绿色船舶是绿色环保、技术先进、安全适居、经济最优的新型现代船舶。

1 IMO相关公约的“绿色”趋势

1.1 国际防污染公约产生的背景及沿革

国际海事组织制定了一份关于防止船舶污染问题的全面的文件即《国际防止船舶造成污染公约》(《73防污公约》)，国际社会意识到《73防污公约》存在缺陷，导致国际海事组织在1978年通过了该公约的议定书，经1978年议定书修订的1973年防污公约(现通常称为《73/78防污公约》或MARPOL公约)奠定了船舶防污染的基础。

最初防污的主要目标是船舶的油污染，国际海事组织(IMO)陆续制定相关的附则，逐步增加了防止船舶生活水污染、垃圾污染等相关要求。IMO于1997年出台了针对船舶空气污染的MARPOL公约附则VI,在该附则2005年进行了修订,并于2008年10月正式通过。该附则主要致力于控制和减少船舶造成的空气污染,伴随着该附则的出现和不断修订，国际海事组织已从单纯地防止海洋污染转变为水空一体化的防治，从被动的、事故催发的公约制定向主动防控的方式转变，并逐步形成IMO现有的、涉及环保的公约整体架构和完整体系。

1.2 国际公约的现状和发展趋势

伴随着国际社会环保理念的不断提升，国际海事组织适应国际社会的关注，海事组织及其环境保护委员会不断制定和修订与环境保护相关的国际公约。目前，已经制定和正在制定的相关公约总体情况如下。

1)MARPOL公约前面的相关附则近几年没有太大变化，但是附则VI防止空气污染的相关要求不断修订，成为国际海事组织特别是环保委员会的最热点议题，在2016年第70届海上环境保护委员会强力推出了降低氮排放和硫排放的相关强制性标准，其中涉及硫排放控制的强制标准通过，但如何实施引起广泛争议，特别是低硫油的可达性、安全标准以及采取后处理装置的方式和有效性等成为行业的焦点。同时适应降低碳排放的要求，2011年7月，国际海事组织(IMO)第62届海上环境保护委员会(MEPC)通过了《在MARPOL附则VI中纳入船舶能效新规则》(MEPC.203(62)决议)，从设计和营运两方面提出了船舶的能效要求，目前船舶能效设计指数(EEDI)的第三阶段将要实施，业界与此实施目标还有相当差距，特别是在散货船和油轮的设计方面。2016年10月，通过对MARPOL附则VI的修正案(MEPC.278(70)决议)，规定了船舶燃油消耗数据收集系统的相关要求。2018年4月13日，通过《国际海运温室气体减排初步战略》(MEPC.304(72)决议)，明确了未来海运业的绿色发展方向。温室气体减排的初步战略核心内容：对海运行业应对气候变化的行动做出总体安排，主要包括愿景、减排力度、指导原则、不同阶段的减排措施和影响等方面。根据减排战略设定的目标，2030年全球海运单位运输活动的平均CO2排放与2008年相比至少应降低40%；到2050年，努力争取降低70%。减排战略分短、中、长期3个阶段规划减排措施。短期候选措施主要包括完善现有能效要求框架、研发能效技术、制订能效指标、制订海运减排国家计划、优化航速、减少港口排放、研发低碳或零碳替代燃料等；中期候选措施主要包括实施替代低碳或零碳燃料项目、实施高能效技术或措施、引入市场机制等其他创新减排机制、开展技术合作和能力建设等;长期候选措施主要包括开发和使用零碳燃料，以便海运业对在本世纪下半叶实现去碳化的可行性进行评估。

2)针对压载水对水体生态系统产生危害，以及对公众健康构成的威胁，IMO于2004年通过了《压载水公约》，但是由于公约通过后有关技术成熟度和有效性、设备的验证试验以及实施后的港口国检查的手段和标准等一直争议不断，该公约直到2017年9月8日才生效。

3)2009年通过了关于安全和无害环境的《香港公约》，涵盖了船舶的设计、建造、运营和维护，以及船舶拆船的准备工作，以促进安全和无害环境的拆船，同时不影响船舶安全和运营效率。《香港公约》主要包括减少有害物质使用、有害物质清单审查、拆船厂选择、拆船计划编制、拆船信息递交等方面的规定，使绿色理念贯穿船舶的全生命周期。

4)对环境要求的提升主要表现在：船上人员工作环境和水下环境。IMO海上安全委员会(MSC)第90次会议批准了《船上噪声级规则》修正案，要求减少船上噪声水平，也要求采取对人员噪声保护措施。IMO还通过《减少商船水下辐射噪声导则》要求，考虑水下噪声对海洋生物的影响。为满足要求，要优化设计、提高造船工艺水平，选择低振动噪声机器设备、隔离噪声源、以及采取减振降噪措施。

从目前涉及环保领域的公约出台和实施中，应注意到相关国际公约制定和实施的变化趋势并高度关注。

(1)国际公约已经从被动、事后制定的初级阶段转变为主动预防，由以前单纯关注海洋污染向水、空、生物保护全方位的污染防治的方向发展，从空气污染的防治向低碳、减少温室气体排放的方向发展，由原来的终端污染防治向整个全生命周期全过程的系统防控转变，实现从防污染到“绿色”的转变。

(2)国际公约正在按照目标型标准进行重新架构，国际公约不仅体现在目前实施的强制性要求，同时设定未来的减排目标，以引导技术创新和行业发展，正在转变为目标导向的公约框架，这将是公约的重大变化，需要业界尽快适应，提前布局。

(3)与环保相关的国际公约推进力度在不断加大，相关公约的推出在加速，公约制定时更关注国际社会的关切，行业的可实现性关切不够，政策层面的考量多于技术的可达性和成熟度，因此公约实施中所带来的技术上、经济上的不可预见性和不确定性在增加，各方实施难度加大。

(4)公约制定的是限制性的标准，并不关注具体的实现路径，也不可能对何种技术或措施合规做出强制规定，但允许使用经认可的任何等效合规的措施，存在实施路径的多样性。因此，更需要在实施准备时多了解公约的背景和可能采取的路径，提前做好综合研判。

(5)防污染公约与海上人命安全公约不同，考虑到不同水域的环境敏感度，防污染公约从出台就有对特殊水域的特殊要求，目前这种趋势还在逐渐增强。同时由于各区域组织和各国政府不断出台相关的环保政策法规，因此船舶在实施环保要求时，既要关注国际公约以及国际公约中不同水域的特殊要求，同时也要关注船舶可能航行的水域相关地区和国家政策和法规。

2 绿色船舶技术应用关注点

1)由于EEDI第三阶段实施日期的逐渐临近，依靠现有的成熟技术无法达到EEDI第三阶段气体排放控制的要求。因此，如何实现这一要求成为国内外相关的技术研究和技术实施的重点。

(1)继续现有的减排技术研发和应用挖潜，主要技术路线仍为优化船舶设计，采用低阻船体主尺度与线型优化设计、船体上层建筑空气减阻优化设计，船舶航行减阻技术和船舶高效推进技术；船舶优化设计减轻船舶的自重，在满足安全性和使用性的前提下，通过船体结构优化，减少结构的用量以及设计优化，降低系统设备重量，采用轻质复合材料替代传统的钢材。目前这些较为成熟的技术应用在减少排放、提高能效方面有积极作用，但对实现EEDI第三阶段目标要求贡献有限，仅依靠这些技术无法达到EEDI第三阶段的目标[2]。

(2)在现有动力的基础上，利用风能和太阳能作为辅助动力系统，达到节能减排的目的。目前利用风力助推系统已经开始应用尝试，如大连船舶重工集团有限公司牵头的风帆-主机混合动力推进系统，完成了风帆在超大型油船上的示范应用，马士基油轮与相关方在其LR2成品油船上安装的Flettner Rotor风帆试应用。但相关技术的成熟度、风力的不稳定性以及整体的经济性和EEDI贡献度的评价等因素还有待进一步探讨，船舶风能利用尚在起步阶段[3]。太阳能电池的光伏转换效率以及船舶可安装光伏电池组的有限甲板面积等问题仍是制约其在船舶推广的重要因素。因此，目前利用风能和太阳能可以实现船舶节能减排，但仍然不是实现EEDI第三阶段的主要手段，即使与上述(1)所述的设计优化技术组合应用，仍然无法达到目标要求[4-5]。

(3)在目前成熟的技术尚不能达到EEDI第三阶段减排目标的前提下，需要探索采用新型高性能降阻涂料、气膜减阻或微气泡减阻等技术。上述技术可以在实现EEDI第三阶段方面有较大的贡献度，但是技术的成熟度、工程应用、船型的适用性以及技术实施的经济性等方面还有相当的不确定性，目前仍处在探索阶段，急需开展工程实践应用和验证研究[6]。

(4)LNG动力经过十余年的发展和应用，技术已经日渐成熟，工程应用越来越多， 目前已建立起涵盖LNG运输、储存、加注和利用各环节的LNG水上应用规范标准体系。国内外相应的LNG加注船、LNG岸基加注站等正在规划实施中，正在形成较为完整的LNG动力服务体系。以LNG为燃料不仅可以完全满足硫排放的要求，同时可以实现减排，相对而言在实现EEDI第三阶段方面贡献度较大。分析认为，可以通过与(1)的设计优化相结合，可基本达到在实现EEDI第三阶段的减排目标。因此，预计未来天然气在船舶领域的应用将迎来快速增长期。

2)绿色智能技术的应用。伴随着智能技术在船舶的快速应用，借助智能技术助力船舶的绿色发展是智能船舶应用的主要方向之一。目前绿色智能技术的应用主要包括智能航行和智能能效。通过对船舶航行状态、耗能状况在线监测、评估，并基于风险分析、大数据分析、数值分析及优化，为船舶提供航速优化、航行姿态优化、最佳配载、航线优化等辅助决策建议。还包括智能技术在航运产业链的整体应用，通过大数据、物联网、人工智能等技术与航运业的深度融合，通过物流组织及航运的资源优化配置等，实现行业和企业组织整体的绿色减排目标[7]。

3)减振降噪方面的技术应用，一方面是提高船上工作人员舒适性，减少噪声等污染，通过声振控制、设备隔振、舱室舒适性设计、结构声学设计、螺旋桨噪声控制等技术实现船舶降噪。另一方面是减少水下噪声对海洋生物的影响，通过改进设计、改进建造工艺等技术应用，减少船舶噪声对水下环境的影响。目前，相比船舶的噪声控制，减少水下噪声的控制、试验和验证方法等相关技术尚不成熟。

4)《香港公约》的实施重点不在于拆船，在于中国的船舶设备的设计和建造需要全方位地满足《香港公约》的相关要求，特别是一些非船用设备和备品备件需要满足公约的要求。对于航运公司，应重点关注日常的船用设备维护以及备品备件的供应如何确保符合公约的要求。

5)船舶操作方面，新船EEDI能效指标仅是阶段性目标，后续碳排放衡量方法是综合性的，涉及船舶营运能效。船舶应按照能效管理手册SEEMP，从计划、执行、监测、评估与改进以及船舶运营能效最佳操作实践等实现节能减排。需要提升营运船舶污染物和碳排放的检测、评价的技术能力，需要建立集设计能效指数、船舶运营能效、船舶燃油消耗、排放等数据的收集、整理、计算、分析、评估、监测与管理于一体的管理系统。同时还要加强能效和排放数据分析和应用能力。船队管理、船上能源综合利用、物流及航运的资源配置、运力的合理组织是航运绿色发展的重点。

3 未来绿色船舶的主要发展方向

3.1 清洁能源应用

广义清洁能源的含义，既包括不产生或极少产生污染物的可再生能源，如太阳能、风能、生物能、水能、地热能、氢能、海洋能等，也包括使用低排放的化石能源(如天然气等)和核能等。

探讨清洁能源的船舶利用，既要考虑到清洁能源的技术成熟度，更要考虑船舶利用该清洁能源的可行性和环境适应性。因此，一些清洁能源可能无法成为未来船舶应用的主要能源形式；核能从技术成熟度和能量密度都适合成为船舶的主要能源，但是考虑到安全和船舶抵达港民众的接受程度以及海上环境的恶劣性，因此核能也不应作为未来的船舶主要能源。其他相关可利用的潜在清洁能源分析如下。

1)LNG燃料。LNG应当成为近期清洁能源的主要方向，应当可以看作是实现船舶零排放的终极能源的“桥梁”。

2)氢能。氢是自然界存在最普遍的元素，存在于是地球上最广泛的物质中。氢能发热值高、燃烧性能好、燃烧速度快，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用，几乎是零污染，可以完全满足国际海事组织制定的船舶零排放要求，应是目前可见的终端能源方式。

目前以氢为燃料的燃料电池的主要问题在于输出功率较小，目前成熟的燃料电池的功率范围只约350 kW，达不到船舶广泛推广应用；同时由于氢的燃烧特性和气体爆炸极限，在储氢、运输和加注等安全性的解决方案还有相当的差距，需要大力推进相关技术研发和实验验证[8]。

3)生物燃料。生物燃料是由光合作用的可再生物质转化成的燃料。从减排的角度而言，生物燃料对减少大气中的二氧化碳含量及降低温室效应极为有利，值得重点关注。但是生物生产对水资源和土地资源的需求，与粮食争地的矛盾突出。

4)风能和太阳能。风能和太阳能作为船舶的辅助动力是可行的方向。

5)海洋能。海洋能是以潮汐、波浪、温度差、海流等形式存在于海洋之中，从船舶处于海洋环境中，有效地利用海洋能应是方向，但是目前这方面的研究不够，更没有实际应用。

3.2 新型动力应用

1)气体燃料发动机。气体燃料发动机是天然气的一个有效利用途径，与同排量的柴油机相比，气体燃料发动机动力性相当，环保优势明显；同时，气体机相对技术比较成熟，船舶采用气体机的推进方式与柴油机没有大的区别，因此气体燃料发动机的市场份额将不断提高[9]。

2)混合动力。混合动力船舶是指配备了两种或两种以上动力源的船舶。为了适应多能源(如柴油机、锂电池、风能、太阳能)以及多工况的运行特点，混合动力船舶得到广泛关注，同时为了达到降噪的需要，以直流电推进为代表的混合动力船舶正在得到越来越多的应用， 特别是在海工作业船、科考船、客渡船、大型游轮等应有较多。目前相关的研究关注水位、水流速变化较大的内河船采用混合动力的经济性，如果经济性适合，同时又具有减排的优势，将会得到广泛的应用[10]。

3)电池动力装置。随着高能蓄电池、超级电容等新型储能装置的迅猛发展，以蓄电池或超级电容等为供电来源的纯电动船舶已进入短航程的水上运输领域。电池动力可实现与电动汽车同样的性能，同时可避免柴油机产生的温室气体和噪声对生态环境造成的污染和船员健康造成的伤害。但是，纯电池动力在水运领域的应用和推广存在诸如提升续航能力、增大推进动力以及延长储能装置使用寿命等技术难题，高能蓄电池的安全性成为关注点，需要进一步解决。氢燃料电池动力装置作为未来的终端能源的动力装置具有非常好的应有前景，但目前仍存在着船舶应有中的技术成熟度、电池单元的功率、氢存储、运输、加注等风险控制难点，需要进一步攻克，未来将成为理想的船舶动力装置，特别是对于自主航行的船舶。