船舶CO2 排放影响因素分析及优化措施研究

2021-04-02伍赛特

机电产品开发与创新 2021年3期

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司，上海 200438）

0 引言

温室气体是指具有让太阳短波辐射自由通过，同时能强烈吸收地面和空气释放的长波（红外线）辐射，从而造成地层增温功能的气体[1-2]。 CO2是影响最大的一类温室气体，随着对环境保护科学研究的日益深入，控制CO2排放、保护大气环境问题已受到航运界的普遍关注[3-6]。

1 船舶CO2 排放的影响因素

船舶温室气体尤其是CO2的排放影响因素较多[7]。通过相关研究，发现影响船舶CO2排放量的因素主要有以下几方面。

1.1 船舶设计水平

从新造船舶CO2指数计算公式的分析中可以发现，在船舶设计过程中，对发动机优化、船型优化、使用节能技术等方面而言[8]，比较容易实现和控制减排目标，而且这是一种长期有效的措施。但对其技术要求较高，船舶建造成本势必增加，并且容易对发展中国家船舶行业构成技术壁垒，所以在船舶设计水平和建造工业上应积极准备，接受挑战，逐步提高其设计和建造水平，这是大势所趋[9]。

1.2 船舶的满载率

通常而言，载货量越多，船舶CO2排放指数就越低，对环境损害越小。而对于船舶企业来说，尽量满载也是船舶公司实现利润最大化的方法之一。但由于航运市场的兴衰是不断变化的，而且受到全球经济额的影响。某些船舶如油船，因为液货的特殊性，通常很难实现始终处于满载航行的状态[10]。

1.3 船舶燃料油的质量

由于燃油类型不同、成分不同、质量不同，因此不同品质的燃料油燃烧后排放的CO2量也明显不同。由于船用柴油机技术的日益进步及低质重油的价格优势，目前低质重油被普遍使用在现代远洋船舶上，其不完全燃烧和燃烧恶化会相应引起的温室气体排放量的增加。而且，重质燃油产地不同，其实际燃烧效果也不尽然相同[11]。

1.4 船龄

船龄对CO2排放量影响较大。随着船舶使用年限的增加，机器设备的老化，尤其是锅炉等设备换热效率降低、主辅机的不完全燃烧加重，船舶污底的日益加重使得船舶航行阻力加大等都会使船舶油耗增加[12]。当然，良好的船况可以通过良好的维护保养维持，但随着船龄的增长，船舶温室气体排放加剧的趋势是一定的。

1.5 航线距离

对实测数据分析发现，同一船舶航次越短船舶进出港越频繁，而在进出港过程中，船舶单位油耗最高，特别是集装箱船舶，表现尤为明显[13]。

1.6 船速

航速的提高会导致油耗非线性的增加。在实际船舶航运经营中，航速受各种因素影响，如货主对货物周转周期的要求、保险费用、船舶及设备的折旧费用、船员及管理人员工资等，所以很难一直保持船舶在最低油耗下运行[14-15]。

1.7 海况

潮流和风场是自然界客观存在的现象，也是船舶在海上航行的主要阻力。在实测数据中，船舶的油耗在逆流与顺流航行中差别是很大的，导致CO2排放指数也有较大的差异。特别是我国内河航行船舶，每航次油耗受此影响差异最为明显[16]。

2 减少船舶CO2 排放的主要措施

通常而言，减少船舶CO2排放的措施总体如下。

2.1 提高燃油经济性

（1）改进航线计划，优化航线。

（2）通过和港口的沟通，缩短码头时间。

（3）优化航速。

（4）优化主机功率。

2.2 提高船舶操作性

（1）优化纵倾横倾设计。

（2）优化压载工况设计。

（3）优化螺旋桨设计[17]。

（4）优化舵系设计。

（5）重视船壳保养。

2.3 提高推进系统性能

（1）采用燃料电池[18-21]。

（2）采用电喷式主机。

（3）加强推进系统的维护保养。

（4）使用燃油添加剂。

（5）加强机器的自动检测功能。

（6）采用废热回收技术[22]。

3 船舶改善CO2 排放措施的优劣势分析

根据CO2排放的定义，可以通过以下几种措施而实现，并对其优势及劣势进行了分析。

3.1 优化主机特性

该方案可使主机在最高效率区运行，改善燃油消耗特性。该方案的优势为可以降低温室气体以及其他大气污染物的排放。该方案的劣势使其实际效果往往受到限制。

3.2 使用代用燃料

使用类似天然气、生物燃料等代用燃料，采用燃料电池等能够有效减少船舶CO2排放，在技术上应用到船舶还需要时间。该方案的优势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温燃料电池中的天然气，在小型船舶上使用燃料电池中的H2。该方案的主要劣势在于生物柴油的生产受到限制，持续的生产会导致其他环境危害（如森林消亡和湿地破坏等）以及农作物涨价等现象。

3.3 采用岸电

目前在世界范围内由部分港口实施，发展具有良好性价比以及技术标准的高压岸电。该方案的优势在于能有效减少CO2以及其他空气污染物的排放，并对改善当地空气质量大有裨益，CO2减排效果取决于发电电源。该方案的劣势在于，符合船舶试用岸电的标准需要时间，这可能使得港口当局和船厂相关技术落后。此外，船舶靠港期间能源消耗很小，CO2减排总量受到限制。

3.4 使用风能作为推进动力来源

商船采用风帆和风板，以风能作为推进动力来源。该技术方案目前已经在试用，而且技术不复杂。该方案的优势在于其具有良好的性价比、减排效果显著。采用悬挂技术，对船舶只需进行少量改动。该方案的劣势在于其使用与推广仍有较高的技术含量，同时会引发航运界的内部竞争。同时该项技术是否成熟，仍需要进一步核准，风帆/风板转换成商用还缺乏一定的标准，这些标准在国际间实行还需要一定时间。

3.5 优化船舶CO2 指数

船舶到港后要求CO2指数相关计算数据输入程序，每年向主管当局报告。该措施可以同时伴随引入“经济表（Econometer）”，计算反映船舶燃油消耗的最佳船速。该方案的优势在于掌握相关数据，及时制定政策限制排放，如制定更有效和更经济的燃油效率标准，增加船舶的竞争力。该方案的劣势在于报告CO2指数并不会直接导致减排，同时要落实切实有效的指数计算方法。

3.6 改进交通控制、船舶管理、装卸货管理及能量效率

采取相关各项措施以在港口减少交通积压和拥挤、优化靠泊、锚泊等时间。该方案的优势在于其对节能和环保都有益处。该方案的劣势在于，目前仍需要开展进一步研究，因为目前该方面很多要求主要出于自愿，难以强制执行。

3.7 经济航速船舶航行速度

该方案对CO2的排放起着重要的作用，适当地减速，采取经济航速可以有效地与其他几项措施如气候规划及定线制等相结合，以确保燃油消耗和船舶排放在每一航程均处于最小范围。该方案的优势在于可以有效减少CO2排放，改进区域及全球空气质量（减速4%可以减排约13%）。该方案的劣势在于船舶始终低速运行可能导致运营等方面的问题，同时会导致船舶货运量减少，更多的船舶运输既定货物会导致成本上升。

3.8 船舶设计方面的技术优化

可通过优化船体型线、选择推进装置、提高动力装置效率、改进动力装置（燃油喷射）以及减少船体阻力等，以减少CO2的排放，并长期有效。该方案的优势在于可以减少新船约30%排放和旧船约20%排放。该方案的劣势在于其对现有船舶不经济也不易行。需要良好的设计考虑和试验周期，动力装置方面的改进对现有船舶不易实行，因为很多现有船舶已在燃油消耗和NOx排放方面进行了良好的平衡。