基于MRV规则的船舶碳排放统计优化研究

杨志林，郑海林，陈玉傲，曹博文，刁航

（浙江海洋大学港航与交通运输工程学院，浙江 舟山316022)

0 引 言

温室气体是影响全球气候变暖的重要因素，二氧化碳被认为是人为温室气体最大排放来源。在全球碳排放量中，船舶的碳排放所占的比例最大，伴随着船舶碳排放的增加，船舶对环境的污染问题也引起了社会的广泛关注。船舶碳排放监测方法研究主要涉及港口、船东及其他航运相关部门等利益主体在经济、健康和环保上的具体利益，在减少大气污染对人体、环境产生的不良影响等方面具有积极意义，也关系到营运船舶减排目标的实现。因此，本文针对目前的船舶碳排放监测方法及碳排放源进行研究并提出相应优化措施。

1 船舶碳排放监测方法

船舶在海上航行，其碳排放主要来源于主机、辅机、锅炉、燃气涡轮和惰性气体发生器。各碳排放源使用燃油种类不一，故碳排放因子各不相同。船舶燃油一般分为两类，即残渣型（重油）和馏分型（轻油），前者用于船舶海上正常航行，后者用于船舶机动航行。另外，很多船舶还会采用货物作为燃料，如LNG船舶。

对于远航货轮而言，主机类型一般为低速柴油机（二冲程），使用重油，对应碳排放因子为3.114或3.151，具体参考表1。

1.1 燃料供应单（BDN）跟踪和燃料舱定期盘点

BDN由燃料供应商提供，内容如下：1）接收燃料供应船船名及其IMO编号；2）燃料供应港口；3）燃料供应开始时间；4）燃料供应商名称、地址和电话；5）燃料名称；6）燃料数量（t）；7）燃料15 ℃下密度（kg/m3）；8）燃料含硫量质量分数（%）；9）一份由供应商代表签署和证明的声明（证明所供燃料符合MARPOL公约附则6第14.1或4（a）款和第18款的规定）。

表1 船舶各碳排放源特征

单位时间内，船舶燃料消耗数量计算方法如下：

燃料消耗量=期初存量+BDN数量-期末存量-期间燃料驳出量。

该类方法精度差，使用范围有限，不能分别对船舶各类碳排放源进行逐个分析，只能粗略计算出碳排放源的燃料总消耗量，而且必须与燃料舱舱液位监测方法结合使用。

1.2 燃料舱液位监测

该类方法简易，成本相对较低，也无法分别对船舶各类碳排放源进行监测。监测频率一般为2 次/d，加装燃料时为1次/15 min。液位监测通过测深设备，读出燃料舱液位高度，经测深表转换为燃料体积，再根据燃料密度（可通过BDN获得）换算成燃料质量。

单位时间或固定航次内，船舶燃料消耗数量计算方法如下：

燃料消耗量（海上航行）=驶离当前挂靠港时舱内液位+航次期间加装燃料时液位差-抵达下一相邻挂靠港时舱内液位-航次期间驳出燃料时液位差；

燃料消耗量（停港）=抵达当前挂靠港时舱内液位+停港期间加装燃料时液位差-驶离当前挂靠港时舱内液位-停港期间驳出燃料时液位差。

1.3 针对燃料燃烧过程的流量计监测

电子流量计主要测量累计流量的体积来进行船舶主机碳排放源监测。容积式流量计主要适用于中高速柴油机驱动的辅机、锅炉等碳排放源，精度高达0.1%～0.2%。

流量计类型及特点如表2所示。

表2 船舶燃料监测流量计种类及特点

单位时间或固定航次内，船舶燃料消耗数量计算方法如下：

燃料消耗量（海上航行）=航次期间各碳排放源处流量计之和；

燃料消耗量（停港）=停港期间各碳排放源处流量计之和。

1.4 直接碳排放测量

使用废气流量计，通过主机、辅机、锅炉烟囱等处所直接测量船舶碳排放，精确度高，成本高，且对于各类碳排放源均适用。

单位时间或固定航次内，船舶燃料消耗数量计算方法如下：

燃料消耗量（海上航行）=航次期间废气总量×二氧化碳浓度/碳排放因子；

燃料消耗量（停港）=停港期间废气总量×二氧化碳浓度/碳排放因子。

2 船舶碳排放计算方法

2.1 基于IMO排放因子的碳排放计算方法

为不断提高营运船舶能效，IMO正在逐步推进发展EEOI的要求，EEOI为船舶能效营运指数[1-2]，在数值上等于燃油实际消耗量和二氧化碳排放因子的乘积与单位货物周转量（船舶载货量乘以运输距离）的比值。根据相关国际海洋公约规定，EEOI数学计算表达式为

式中：FCj为j类燃料油的实际消耗量；CFj为使用燃料油对应的二氧化碳排放因子；mcargo为所载货物运输总量；D为所载货物货物运输距离。

2.2 流量计监测耗油量计算方法

船舶的燃油消耗量主要来自于船舶主机正常运转的耗油量、船舶发电机的消耗、辅机锅炉的消耗量。船舶排水量一定时，燃油消耗量正比于船速的3次方；当船速一定时，燃油消耗量正比于排水量的2/3次方。结合式（1），单个航次的碳排放量可用公式（2）计算：

式中：ECX为一个航次船舶碳排放总量；EFCX为燃油时耗；i为出发港口；j为到达港口；MFK为主机每天燃油消耗量；S1k为实时航速；S0k为额定航速；AFK为辅机每天燃油消耗量；dij为两港口之间的距离。

2.3 直接碳排放测量计算方法

单位时间或固定航次内，使用废气流量计监测计算船舶燃料消耗数量需要计算二氧化碳的浓度，测点烟道处气体的总体积，航次间各类废气体（包括二氧化碳、一氧化碳、水蒸气等）的体积分数、测点压力等数值。根据克拉伯龙方程[2]，二氧化碳排放率计算表达式为

式中：MCO2为二氧化碳排放率，t/s；P为测点绝对压力，Pa；V总为测点烟道总体积，m3；R为标准气体摩尔体积；T为热力学温度，K；VCO2和VCO为测点二氧化碳、一氧化碳体积分数，%。

表3 碳排放监测方法对比

式中：F为设备监测平均负荷，t/h；Gm为设备平时平均负荷，t/h。

3 水运船舶碳排放统计存在问题分析

3.1 监测方法对统计结果存在较大误差

燃料供应单（BDN）跟踪和燃料舱定期盘点不适用以货物为燃料的船舶或BDN无法获取的船舶，而且必须与燃料舱液位监测方法结合使用。忽略了燃料管系内存留的燃料，计算出的船舶燃料消耗比实际偏大；燃料舱液位监测，其精度与船体形状和船舶内部结构有密切关系[3],可以采取人工测量或者机器测量的手段，计算结果没有包括燃料关系内存留的燃料，使其计算结果偏大；使用流量计对燃料设备中燃料燃烧过程进行监测，计算结果较接近船舶实际消耗的燃料，且易于区分船舶在欧盟区域内、外的碳排放，便于碳排放报告的编制，但监测设备成本较高；废气流量计测量方法具有高精确度的特点，但是需要大数据的支持，再加上船东没有系统的使用方法，缺乏相对的一些经验，二氧化碳排放量监测系统在航运领域上仍可望不可及。

3.2 船舶碳排放计算方法适用性分析

3.2.1 IMO因子计算值存在差异

根据EEOI计算公式可知，船舶能效营运指数主要受燃料油的实际消耗量和二氧化碳排放因子的影响，二氧化碳排放因子与燃料种类有关，燃油的消耗量主要受到柴油机类型、船舶航速、载货量等因素的影响。所以EEOI值与各影响因子不是简单的线性相关关系。

3.2.2 流量计监测计算使统计结果接近实际值

流量计监测法在监测各类碳排放源的同时，能够考虑到燃料管系内残存的燃料，所以可较为全面地计算出船舶燃料消耗量。但是在实际应用过程中，液体燃料的黏度、密度的差异性对速度传感式、压差式、容积式等流量计的测量精确度存在一定的影响。考虑到经济效应，水运船舶主要以密度大、黏度高、分子量大的重油作为燃料油，所以在使用流量计监测统计时会使精确度降低。综合以上因素，流量计监测计算使统计结果更接近实际值。

3.2.3 现场废气流量计监测使统计结果精确度较高

现场使用废弃流量计进行直接监测燃料燃烧碳排放的情况，统计结果精确度较高。质量比法主要受到燃料消耗量和时间的影响，对燃料消耗量的准确度具有较高的要求，且监测时间与记录时间存在误差，一般不采用此种方法。时间比法在保持锅炉燃烧的状况与监测时间段一致的情况下有良好的计量效果，具有较高的实用价值。负荷比法结果较时间比法、质量比法更为精确可靠，因为其考虑了辅机、锅炉等影响因素。

4 船舶碳排放统计优化措施

4.1 优化监测方法，探索新的减排视角

在改善船舶营运能效和适应未来政策的潜力方面，供应单跟踪、液位测量仅提供燃料消耗总量，直接碳排放测量仅提供碳排放总量，而流量计监测能够实时反馈船舶各个航行区间所有废气的排放数量；在减排推动作用方面，供应单跟踪、液位测量监测已广泛使用，不能提供新的减排视角，而流量计监测和直接碳排放测量方法未广泛采用，减排潜力较大，因此要充分发挥数字模式下的监测方法。

4.2 分析影响因子的关联度，提高碳排放量化精度

不同的量化方法受不同因素的影响。分析EEOI油耗量、载货量和航行里程3个主要影响因子，保持其中两个因素不变的条件下，船舶能效营运指数与油耗量、载货量和航行里程分别呈线性正相关、线性负相关、非线性负相关。因此，要通过实船数据分析各个影响因子的关联度，提高碳排放统计的精确度。

5 结 论

虽然MRV规则允许适用船舶可采用上述4类碳排放监测方法中任何一种，但当前船载二氧化碳气体监测设备并未广泛使用，未来碳排放计算主要基于燃料消耗监测，即燃料供应单跟踪、燃料舱液位监测和流量计监测方法。针对船舶碳排放的量化方法，发现水运船舶碳排放统计过程中受各种因素的影响程度不同而呈现非简单的线性关系。