基于双燃料LNG船的CII指标改进措施分析

杨春华,李 岩

(沪东中华造船(集团)有限公司,上海 200129)

0 引言

国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)针对全球温室气体减排先后提出并制定了阶段性战略目标[1],即:第一阶段目标,在2008年统计数据基础上,航运碳排放强度指数在2030年要减少40%;第二阶段目标,在2050年实现航运碳排放总量减少50%,航运碳排放强度指数减少70%;第三阶段目标,本世纪内,实现航运业二氧化碳的净零排放。

为实现上述战略减排目标,2020年IMO在第75届会议上审议通过了对于新造船的能效设计指数(Energy Efficiency Design Index,EEDI)修正案,将部分液货船、集装箱船、干货船等主要船型的EEDI满足第三阶段目标起始日期从2025年提前至2022年执行。2021年IMO在第76届会议上审议通过了对于现有船舶能效指数(Energy Efficiency Existing Ship Index,EEXI)和营运碳强度指标(Carbon Intensity Indicator,CII)评级的要求,并且确定了2023年1月1日为实施日期。

本文通过对2026年到2050年CII指标3种典型发展路径的假设,重点分析某在建17.4万m3双燃料LNG船CII评级的情况,界定需要采取改进措施的年限,研究改进措施对CII指标评级和LNG船营运的影响。

1 营运碳强度指数评级及计算方法

1.1 营运碳强度指数评级

IMO以其制定的CII指标为基础,将实船营运碳强度指标的评级划分为A、B、C、D、E 5个等级,并且发布并明确了12种船型各自对应的评级划分间隔。等级说明见图1。

A、B、C、D、E—营运碳强度从高到低的5个等级;d1、d2、d3、d4—各个评级跟CII参考值的偏离量。

各评级边界的计算方法参考文献[3]。

从2024年开始,航运公司应该向主管机关提交上一年度达到的年度营运CII。若CII连续3 a评级为D的船或1次评级为E的船,将被强制纳入改进措施计划,需要具体描述通过何种改进措施改善营运碳强度等级。

针对LNG船型,根据载重量的不同,具体细分为2种评级划分,内容见表1。

表1 LNG船评级划分表

1.2 IMO规定的营运碳强度指数计算方法

根据IMO MEPC.338(76)号决议,CII指标用以下公式描述:

CII=(1-Z/100)·CIIR

式中:CII为要求的营运碳强度指数;Z为年度折减因子;CIIR为2019年的基准值。

IMO已明确制定的年度折减因子是到2026年,2027年—2030年折减因子的制定将根据2026年前的执行情况再做制定,具体见表2。

表2 折减因子情况表

CIIR是船型对应的参考基线值,是以2019年船舶营运碳强度性能为基准,对于给定船型,基于相应的载运能力得出的CII基线[4],是根据船型种类和载重量确定的,其计算公式为

CIIR=a·Capacity-c

式中:Capacity为船舶在夏季吃水时的载重量;a、c为与船舶类型和载重量相关联的参数,可以查表确认;对LNG船型来说,a、c参数取值根据LNG船载重量分为3种情况,具体见表3。

表3 LNG船CII参考基线计算参数表

1.3 实船年度营运碳强度指数计算方法

实船年度营运碳强度指数是指船舶营运一年所排放的二氧化碳(CO2)与总运量(载重量×航行里程)的比率,具体计算公式如下:

AttainedCII=M/W

式中:M为一个年度CO2总的排放量;W为一个年度总运量(载重量×航行里程)。

M=FCj·CFj

式中:FCj为一个年度总的燃油消耗;CFj为一个年度消耗燃油对应的CO2转化系数。

W=C·Dt

式中:C为夏季载重水线下的载重量;Dt为一个年度总的运输距离,n mile。

2 3种典型CII发展路径模型分析

本文以一型在建的17.4万m3双燃料LNG船作为研究对象,通过理论营运模型和CII指标发展路径建立CII指标3种发展路径数据模型,评估CII对双燃料LNG船的影响。

2.1 研究对象介绍

该目标船型载重量小于10万t,具体主尺度参数如下:船长299.0 m,船宽46.4 m,吃水12.5 m,货舱舱容17.4万 m3。

2.2 CII发展路径预测

IMO已明确2050年碳排放强度要减少70%,已明确2023年到2026年CII年度折减因子为2%,但2027年之后的发展需要根据2026年前CII执行情况再制定。本文将重点结合2026年到2050年3种典型CII发展路径分析大型LNG船营运策略和改进措施。

IMO出台的CII指标考核限制体现在“CII指标评级连续三年评级为D的船或1次评级为E的船,该船将被强制纳入改进措施计划”。因此,本文将基于CII评级划分D级限制线建立3种CII发展路径,具体如下:

路径1:CII评级D限制线匀速下降;路径2:CII评级D限制线先急后缓下降;路径3:CII评级D限制线先缓后急下降,见图2。

A、B—营运碳强度等级。

3 基于CII不同预测路径的计算评估

LNG燃料对CII评级结果的影响分析见参考文献[5]。本文结合上述3种典型CII发展路径模型,考虑LNG船常规营运航速区间15.0～19.5 kn,对CII指标进行计算,具体情况见表4、表5。

表4 目标船型CII指标计算结果

目标船型在15.0～19.5 kn营运航速段CII计算结果如下:

(1)路径1的计算结果见图3。以15.0 kn航速营运,可允许的营运年限到2045年;以19.5 kn航速营运,可允许的营运年限到2039年。

(2)路径2的计算结果见图4。以15.0 kn航速营运,可允许的营运年限到2043年;以19.5 kn航速营运,可允许的营运年限到2036年。

A、B、C、D—营运碳强度等级。

(3)路径3的计算结果见图5。以15.0 kn航速营运,可允许的营运年限到2046年;以19.5 kn航速营运,可允许的营运年限到2041年。

A、B、C、D—营运碳强度等级。

4 CII改进措施分析

4.1 限制主机功率和降速营运

从不同航速CII计算评估结果看,采用降速航行,可延缓CII触碰红线评级D。对于目标船型,每降速1 kn航行,平均可增加1～2 a营运年限。

4.2 加装节能装置

从目前各种船用推进节能装置效果看,大部分节能效果为1%～5%。以5%的节能效果为基础计算CII值, 加装5%节能效果的节能装置,可以延长平均约1 a的营运年限,见表6及图6。

表6 节能装置对CII指标影响对比表

图6 安装节能装置(5%节能效果)对不同航速CII指标的影响

4.3 加装碳捕捉系统

从CII计算评估结果来看,基于路径1,目标船型只能营运到2045年;2045年以后,该型船营运非常困难,采用限功率降速或增加节能装置已不能实现到2050年的碳减排目标。除了直接支付碳税,还可采用配置碳捕捉系统等措施[6]达到大幅降低碳排放的目的。考虑要实现2050年碳排放强度减少70%的目标,基于不同航速估算碳捕捉系统容量结果见表7。

表7 目标船型碳捕捉系统CO2减排率分析

碳捕捉系统容量的选择取决于设计航速的选择。以目标船型平均航速17.5 kn为例,配置的碳捕捉系统CO2减排率需达到45%,才能保证以平均航速营运的年限可延长到2050年。

碳捕捉技术正在研发起步阶段,实船应用较少且应用时间也各不相同。对于双燃料LNG船型,碳捕捉系统的应用不会太快,主要原因如下:

(1)由于其本身EEDI/EEXI指标已较高,CII的限制将集中出现在2043年以后,因此,对于新造船,在当前增加该系统的步伐不会太快。

(2)船舶在航行过程中回收的二氧化碳需要在码头及时卸载,因此船用碳捕捉系统的大面积应用将会受到码头配套的回收液态二氧化碳的设施的发展制约。

4.4 船舶大型化

船舶的大型化可有效提升运输效率,降低船舶总数,从而减少总碳排放量。根据IMO发布的LNG船型参考基线表,当载重量超过10万t时,对碳排放的要求显著降低。因此,对载重量超过10万t的大型化船型开展CII指标计算分析,基于路径1评估船舶大型化产生的影响,计算结果见表8。

表8 目标船型与大型化船型的CII评级对比分析

从对比计算结果看,对于相同航速,大型化船型与目标船型相比,船舶的大型化(货舱舱容增大15%),可增加3～5 a营运年限,延缓CII触碰红线评级D,但并不能满足2050年碳减排目标。

5 结论

(1)对于双燃料LNG船来说,以19.5 kn的航速航行,2036年前是可以满足CII指标评级需求的,2036年之后,需要考虑CII改进措施,以延长其满足CII指标评级的营运年限;当以15.0 kn航速航行,可将满足CII指标评级延长至2043年。

(2)“限制主机功率”“加装节能装置”“船舶大型化”单个改进措施对CII指标改进效果均有限。对于新造船,可以考虑将3种改进措施组合实施,即在船舶大型化的基础上,通过加装节能装置并在临近2050年时采用限制主机功率的措施以满足2050年碳减排目标。

(3)加装碳捕捉系统可以延长LNG船CII指标评级的营运年限到2050年。

(4)虽然本文改进措施仅针对LNG船型的具体分析,但分析中所形成的CII指标各种改进措施对船舶营运趋势的影响,是可以为其他类型船舶的CII指标改进决策作直接参考的。