中国渔船执行EEXI的适用性研究

李胜勇，郑建丽，曹建军

(中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)

十九届五中全会确定了中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的目标。“碳达峰”“碳中和”对中国的二氧化碳的排放提出了总体要求。中国渔船数量众多，2020年年末渔船总数为56.33万艘、总吨位为1 005.93万t[1]。渔船耗油量每年约消耗800万t柴油，海洋捕捞渔船的能耗占渔业总能耗的66%，二氧化碳排放量约为247万t[2-3]。中国渔船能耗水平长期居高不下，存在推进效率不高、设备技术落后、船员环保意识不强等问题。国际海事组织(International Maritime Organization，IMO)制定的船舶能效指数适用范围不包含渔船，为充分了解中国渔船能效现状，亟需摸排渔船能效水平，制定能有效降低渔船温室气体排放、提高渔船能源利用率的措施，以期尽早应对全球减排策略，提出中国渔船能效指数计算和评价方案。

1 研究背景与意义

《联合国气候变化框架公约》《京都议定书》以及《巴黎协定》为全球应对气候变化提供了法律基石和行动指南。航运领域应对气候变化的具体行动由IMO按照《联合国气候变化框架公约》及相关协定开展谈判和制定。1997年，IMO启动了国际海运温室气体减排议题讨论，随后陆续出台了相应的控制措施和技术标准。在2018年的国际海事组织海上环境保护委员会(Maritime Environment Protection Committee，MEPC)第72届会议通过了船舶温室气体减排初步战略，战略目标为2030年实现全球海运每单位运输活动的平均二氧化碳(CO2)排放与2008年相比至少降低40%，并争取2050年降低70%。

为反映船舶的社会效益，2008年IMO提出新造船二氧化碳设计指数这一新概念，该指数采用节能、减排和效益之比，进一步强调了国际船舶的节能减排增效目标。2020年举行的MEPC 75次会议上，IMO批准了国际防止船舶造成污染公约(Maritime Agreement Regarding Oil Pollution，MARPOL)中附则VI的修正案，引入了现有商船能效指数(Energy Efficiency Existing ship Index，EEXI)，该指数适用于400总吨以上的国际航行船舶，将于2023年1月生效实施[4-5]。该决议的目的在于通过采取与新建商船能效指数(Energy Efficiency Design Index，EEDI)类似的机制促进现有船队进行技术更新，提高现有营运船舶能效，达到有效减排效果。

目前，国内海洋商船和内河商船都已开展能效指数的研究，并制定了相应的绿色船舶规范，该规范为非强制性，将“绿色船舶”作为一项附加标志，引导国内船舶慢慢向绿色航运转型，为航运业的碳达峰、碳中和打下良好基础。

2 船舶能效指数的含义

2.1 商船能效指数计算模型

船舶能效指数的计算对新建船舶的设计建造有非常重要的意义，而现有船舶能效指数的计算和控制则决定了是否能顺利实现国家“碳达峰”的目标。现有船的能效指数是参照新船能效指数的计算模型，根据船舶固有技术参数并考虑主机限定功率后进行评估得到的能效指数。船舶能效指数通过把船舶在运输过程中消耗的能量和船舶有效的载运能力换算成运输单位货物运输单位距离所产生的CO2排放量的指数，EEDI越高，能源效率越低。该指数考虑了船舶的吃水状态、航速、柴油机的功率、节能技术的应用等。由于能源效率与二氧化碳联系的紧密性，EEDI的设立是为船舶建立一个最低能源效率的标准，IMO对不同船舶的EEDI也有明确的要求。

2.1.1 新建商船的能效设计指数EEDI

EEDI为船舶每吨装载量、航行每海里所排放的CO2的克数，是表征船舶设计时船舶运输每单位货运量(所创造的社会效益)而产生的环境成本(CO2排放量)[6-7]，是衡量船舶CO2效能的重要指标。然而，IMO的能效规则适用的船型不包含渔业船舶[6-8]。EEDI要求2013年以后建造的船舶设计按照以下公式计算[9-11]：

式(1)

式中：

CF为碳转化系数，是将燃油消耗量基于燃油含碳量转换成CO2排放量的无量纲系数，不同燃油的碳转化系数不同，反应了燃油品质的好坏对二氧化碳排放量的影响。

SFC为柴油机燃油消耗率，指船舶柴油机(包括主机及辅机)经核定的单位燃油消耗量，反应了柴油机效率对CO2排放量的影响。

P为柴油机功率，是指船舶在航运时柴油机(包括主机及辅机)所消耗的功率，其反应了柴油机功率大小对CO2排放量的影响。

Vref为航速，指船舶在以上定义的载运能力下在深水中的航速，间接地反应了船舶在一定航程内航运所需的时间。

Capcity为载运能力，货船及运输船等通常用载重吨，反应了船舶的装载及运输能力。

Peff为创新节能，是指在主机额定功率75%负荷状态下的创新型能效技术用于推进的输出功率和当船舶在主机额定功率75%负荷状态下，由于采用了创新型电力能效技术而减少的辅机功率的总和。

2.1.2 现有商船能效指数EEXI

EEXI是EEDI的演进版本，EEXI适用于所有400 t以上且属于MARPOL附则VI的船舶，是对现有船舶的能效以及每吨货物每海里排放CO2排放量的要求[12-13]。MARPOL公约附则Ⅵ第25条新增内容如下：

RequiredEEXI=(1-X/100)×EEDIReferenceLine

式(2)

式中：

式中，RequiredEEXI为按船型吨位分类要求的EEXI(按MARPOL VI 规则23 MEPC333(76)要求)。X为折减系数；EEDIReferenceLine为EEDI基线值，并对各种船型给出了相应计算公式。

MARPOL公约附则对各种船型的折减系数有着不同的规定，以下列举了几种典型运输船舶的折减系数，见表1：

MARPOL公约要求现有船舶实际营运达到的EEXI(AttainedEEXI)小于或等于RequiredEEXI。要得到某种船型的RequiredEEXI值，先要求得其EEDI基线值，然后查找X对EEDI基线值折减[14]。

2.2 商船、渔船能效指数计算模型分析

从EEDI和EEXI制定的理念可以看出，商船社会效益的体现是以载运能力和航速作为相关变量，反映的是运输类船舶载运货物的能力。渔船创造的社会效益最直接地体现就是一段时间内获取的渔获物的能力，以及能确保其品质的能力。如果参照货船采用载重吨数或是参照客船采用总吨位来体现渔船的载运能力显然不合适，因此应选用更为合适的因素来反应渔船所创造的社会效益，比如捕捞能力、渔船舱容大小、制冷量等。

表1 典型商船舶能效折减系数Tab.1 Reduction coefficient of energy efficiency of typical Merchant ships

3 渔船执行EEXI的合理性分析

关于渔船的能效计算方法，目前还没有出台相应的技术法规或标准。商船、渔船在航行、作业中主要有以下三点不同：一是商船为定点航行的单一工况，渔船有航行和捕捞两种工况，一个航次10 d左右，其中约2 d处于航行工况，其余时间都处于捕捞工况。航行工况时，渔船与商船主机、发电机的运行状态类似，而捕捞工况下，主机、发电机的运行状态根据实际捕捞需要随时变化；二是尽管渔船的主、辅机与商船类似，大多采用柴油机，但渔船通常为中高速柴油机，使用的燃料为柴油，商船多为大型低速柴油机，低速柴油机所使用的燃油多为重质燃油，柴油与重质燃油的热值、碳含量不同，因此燃油碳转化系数也不同；三是渔船创新能效技术降低CO2排放量的措施基本为零，渔船空间狭小，柴油机常用的尾气后处理设备和再循环系统无法在渔船机舱内安装。商船的主尺度较大，机舱容积更大，更容易实现尾气后处理设备和再循环系统的配套和安装。因此EEDI不宜直接适用于渔船，为全面考核渔船的能效水平，需要对于航行和捕捞工况综合研究分析。

4 渔船EEXI评价体系及折减系数

4.1 根据渔船特点制定适合渔船的评价体系

国内渔船能效研究方面，杨蕖等[15]对拖网渔船提出了EEDI的计算公式，并提出渔船评价指标体系及其指标计算；张祝利等[2]对中国渔船能耗和CO2排放总量进行了估算，分析总结了影响中国渔船高能耗及高污染排放的主要因素，提出渔船节能减排建议；刘龙等[16]对渔船现状、船用节能产品技术现状进行了分析，制定了渔船的节能方案，根据中国渔船的节能方式，建立了渔船节能产品评价体系；蔡计强等[17]对金枪鱼延绳钓船EEDI进行探讨，建立了国内金枪鱼延绳钓船EEDI考核方法。刘飞等[18]基于IMO提出的EEDI公式，对拖网渔船EEDI进行了研究，得出拖网渔船EEDI计算及参考线回归结果，并提出渔船出航、返航可以按照常规商船的EEDI计算，在拖网工况的计算模型中，其社会效益值采用总吨位加上拖力的修正值。

国内已有渔船EEDI的研究大都是关于渔船的航行工况开展，对捕捞工况的EEDI研究较少，针对渔船航行工况、捕捞作业工况的EEXI研究几乎是空白。鉴于渔船航行作业过程与商船的差异性，可参考商船的EEDI计算模型和EEDI的评级体系，在对商船EEXI和渔船自身特点深入分析的基础上，研究渔船社会效益的数值化，构建适用于渔船EEXI的计算模型，以期指导渔船提高燃料的使用效率，减少CO2排放，进而促进渔业行业节能减排的技术升级。

渔船航行工况下的浮态、主、辅机转速、负荷状态等与货船的营运基本相同，因此渔船航行工况下的EEXI评价方法可以参考普通货船执行。渔船捕捞工况下的EEXI评价办法应考虑具体捕捞方式具体情况。中国渔船通常有拖网、围网、延绳钓、帆张网、钓具等多种捕捞方式，每种捕捞方式的作业特点有所不同。因此制定适用于各种捕捞方式的渔船能效评定方法，需研究各种渔船渔获量与主机推进功率、拖网功率、围网功率、网具重量、固定压载等各种与捕捞能力相关的参数变化趋势，确定对渔船渔获量影响最密切的参数，得出渔船社会效益的数值表达，进而获得不同捕捞方式的渔船在作业时的能效评价方法。

4.2 结合中国渔船能效实际情况设定折减系数

4.2.1 中国现有渔船的种类及捕捞方式

截至2021年底，中国拥有捕捞渔船25.1万余艘，主机总功率约1 482万kW，按照捕捞方式，中国现有渔船主要有：拖网渔船2.6万艘，总功率583 万kW、围网渔船约5 700艘，总功率约130万kW、张网渔船约1万艘，总功率56万kW、钓具渔船约1万艘，总功率约157万kW、流刺网渔船7.6万艘，总功率约360万kW，其他渔船9 000艘，约56万kW[1]。各种捕捞渔船的数量和总功率对比情况如图1所示：

图1 中国捕捞渔船数量与总功率分布情况Fig.1 Distribution of the number and total power of fishing vessels in China

拖网渔船是一种利用拖拽袋形网具来捕捞海洋底层及中下层鱼群的渔船。拖网渔船拖力一般为3～5 t，大型拖网船可达30 t以上。底拖网的拖速3.5海里/h左右，中层拖网的拖速在5海里/h左右，拖网渔船的自由航速为10～14海里/h[19]。由于拖网渔船具有较大拖力和航向稳定性要求，相较于同尺度的船舶，其主机功率更大，具有较大设计艉倾。作业甲板宽敞，一般都设有制冷装置和冷藏鱼舱。

围网渔船主要围捕中上层鱼类，主要靠渔船的快速回转航行使网具在水中垂直展开呈圆形围璧包围鱼群进行捕捞，其航速在12海里/h左右，最高达15～16海里/h。围网船的回转性能好，发现鱼群需要迅速回转放网，需有较小的回转半径。与其他渔船相比，围网船具有更小的长宽比，多数围网渔船设置了首尾侧推装置[20]。一般围网渔船会配有探鱼声纳设备，有些围网渔船还在船舷配备诱鱼灯具，诱鱼灯具的电源功率一般为20～30 kW。

张网渔船按作业渔场和作业类型分为近海流动性帆式张网渔船和作业地点相对固定的沿岸定置张网渔船。定置张网渔船一般利用小型木质机动渔船从事季节性生产。流动性帆式张网渔船需要大型钢质渔船从事全年生产，通常帆式张网网口两侧装有水动力帆布，在潮力作用下使网口水平扩张，网口上纲配以浮子，网口下纲配以沉子，使网口垂直扩张，整顶网在海中随潮流旋转，借助水流冲力，迫使渔获物入网[19]，在收、放网的时候，渔船基本处于停航状态。

流刺网渔船，将长带形的网列敷设于水域中，使鱼刺入网目或被网衣缠络后加以捕捞的作业方式。网列由若干矩形网具连接而成，其长度可根据水域条件、渔船大小等因素确定，短则几十米，最长可达数千米[20]。一般白天作业，清晨放网，傍晚起网，起网时船舶微速航行。

延绳钓渔船一般分为远洋渔船和国内渔船，通常的捕捞对象是金枪鱼(Thunnin)。此类延绳钓渔船设有2 500～3 000把鱼钩，金枪鱼延绳钓渔船的型深较小，小型深对应小的干舷方便起绳与收鱼。这种船型的干舷一般为0.3～0.4 m，通常型深不大于4 m。金枪鱼延绳钓渔船的宽度吃水比较大，据统计在2.55～2.70 m[21]。捕获的金枪鱼通常用深冷方法冻结储存，冷冻温度低至-55～-60 ℃，所以其制冷装置功率一般较大。延绳钓作业会达到一两个月，所以此类船自持力较大，可以自行制备淡水。金枪鱼延绳钓作业期间，每天自由航行时间平均为2～4 h。投绳作业时航速9～11 kn，大约需5～6 h。起绳作业航速3～6 kn，大约需10～14 h[22]。

4.2.2 渔船捕捞工况下EEXI的计算与折减硬性因素分析

通过以上分析可以看出，主动性捕捞方式主要有拖网和围网渔船，被动式捕捞主要有张网渔船、延绳钓渔船和流刺网船。被动式捕捞方式的渔船通常处于微速航行，因此船舶本身消耗的能量较小。捕捞渔船作业状态下EEXI须综合考虑社会效益值、渔获量与其配备的网具规格、重量、收放网装置的功率、捕捞作业过程中诱鱼灯的使用、制冷装置的工作状态和捕捞时间等多种元素之间的变量关系。主动性捕捞方式渔船除了上述因素以外，还须考虑船舶作业航速、船舶浮态和主机、发电进组负荷，拖网渔船需要考虑拖网功率，围网渔船还需要考虑首尾侧推的功率负荷等。参考海上环境保护委员会现有船舶EEXI计算方法，提出适用于中国渔船EEXI的数学模型。

渔船EEXI折减和渔船营运碳强度指标机制的制定，需用相关数据进行计算和验证。可考虑对实船碳排放进行监测获取一手资料进行验证，选取不同捕捞方式典型渔船，分别对航行工况和作业工况时的重要参数进行动态测量，比如：航速、推进功率、发电机功率、网具起放功率、制冷功率等。结合CO2和燃油的在线监测系统测量CO2排量和各柴油机的油耗，则可以核算EEXI折减设置的合理性，分析渔船营运碳强度指标机制如何在实践中运作，并对该渔船EEXI折减机制提出优化建议。

5 渔船的碳捕捉与碳排放配额制度

5.1 渔船的碳捕捉

从废气中捕捉CO2在技术上已经实现，有化学法、物理法、物理吸附及膜处理技术[23]等。但在船舶的有限空间内如何实现碳捕捉还是空白。渔船的主机和发电机组都是体积较小的高速机，但排气管一般尺寸较大，烟囱空间狭小，现有吸收装置的尺寸较大，烟囱无法放置吸收装置，因此还需要研究如何在狭小的空间能够将渔船柴油机排放的CO2回收。另外，在发动机的排气管后设置碳捕捉器，发动机排气管的背压将会增加。通常，背压增大会导致发动机燃料燃烧效率下降，燃烧不充分，同时动力性下降，排放也变差。当前现有型号的柴油机的生产设计都未考虑排气管后的碳捕捉。所以，现代的发动机还要针对排气背压的增加调整柴油机本身的技术参数。捕捉之后的CO2如何保存在船上，如何运输以及如何封存，都是将要面临的课题。

5.2 渔船的碳排放配额

欧盟、美国已建成碳交易市场，近期，欧洲海洋排放报告员、欧洲议会议员Jutta Paulus等已经提出草案，呼吁欧盟从2021年1月开始对使用欧盟港口的船舶实施碳排放配额相关规定[24]。这项法规将迫使船舶在碳排放限制和交易体系下运营，引起了欧盟航运业的强烈反对。

中国还处于探索阶段，可以预见的是，未来渔船将会在渔业碳排放配额的分配之下运作，如果渔船超出了配额，可能面临强制停运或者付费购买配额。排放配额分配的合适与否，不仅直接影响企业的经营成本和参与碳市场的积极性，更关系整个碳交易市场是否能够顺利运行。

6 降低渔船碳排放的建议

中国渔船能效的研究还处于初步阶段，渔船能效的提高受到多方因素制约。提高渔船能效水平，降低碳排放强度，建议从以下途径开展研究：

关于渔船管理，在可以保证渔船基本航行安全和生产需求的前提下，降低渔船最大航速，限制主机最大功率。捕捞渔船的航行工况是从港口到渔场的往返过程，这个过程中适当限制主机的最大推进功率对船舶的基本安全没有影响，降低航速和功率是目前最有效降低碳排放的手段之一。

关于渔船维护，国内渔民对渔船能效环保了解不深。有关部门可大力宣贯和督促渔民在休渔期做好渔船保养，定期清理渔船污底和螺旋桨，保持渔船船壳底部和螺旋桨的清洁，可有效提高渔船能效，降低碳排放。

关于发动机技术发展，一方面提高现有发动机机型的燃烧效率降低碳排放，另一方面要开展新能源发动机在渔船上使用的研究工作。目前国外已有将氨燃料发动机、氢燃料发动机使用在船舶上的先例[25-26]。液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)发动机在商船上的使用已经比较成熟，近几年国内也开展了LNG发动机在渔船上的使用以及蓄电池为小型渔船提供动力的研究[27-28]，目前已取得阶段性成果。建议有关部门大力推动LNG、氨燃料、氢燃料渔船发动机的研发，避免国外发动机公司率先研制成功出现“卡脖子”现象。

船舶能效的控制不单是减阻、减重或是流线优化的过程，而是综合不同功能性船舶运营的特点，不断提高船舶能耗比，最终达到的一种船舶社会效益与能源消耗的平衡状态。为顺利实现渔船的“碳达峰”“碳中和”，政府须加大政策和资金的扶持力度，推进现有渔船进行营运功率优化，做好维护保养，完善新能源动力产业链，实现捕捞行业的产业升级，同时淘汰没有改造价值的老旧渔船，逐步实现“绿色捕捞”。