船舶能效提升技术与标准化发展

王立志 冯书桓 郭娅

摘 要：近年来，对船舶温室气体减排的要求不断提高，面对海事法规和产业界的双重需求，提高船舶能效被认为是行之 有效的途径之一。在此背景下，通过国际标准的研制以满足日益严格的国际海事法规和国家地区法规要求，可以促进船舶 生命周期各阶段的能效技术的固化与应用。本文从能效技术及其研究方法出发，指出当前主要的船舶能效提升技术，通过 跟踪国际标准化组织对口渠道的工作进展，说明了短期与中长期能效技术的国际标准发展需求与方向，为国际标准的研制 提供参考。

关键词：船舶能效，国际标准，替代燃料，海洋环境保护

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.03.006

0 引 言

交通运输在温室气体排放中占据相当比例。 根据2016年的数据[1]，在世界范围内，交通运输所 排放的温室气体占温室气体排放总额的16%，如图 1所示。其中海运的排放量约占交通运输排放量的 11%。对于某些工业化程度较高的地区，如西欧[2]和 中国上海市[3]，交通运输所占的温室气体排放比例 接近四分之一。国际海事组织（IMO）于2018年通过 了海运减排协议要求，并于2023年进一步修订增强，需要在2050年左右（即接近2050年）实现温室 气体净零排放。欧盟根据Fit for 55一揽子计划修订 其有关气候、能源和交通的立法，提出在欧盟区域 内部实行可持续燃料强制要求，把航运排放纳入 欧盟碳排放交易体系（ETS）等几项涉及航运业的 新措施[4]。在此背景下，通过能效提升技术打造高 能源效率的海洋运输的需求不断上升，在此过程中 国际标准可以在技术话语权、市场表现的维度提 供有益输入。本文主要阐述近年来船舶能效技术 的发展现状，并试图分析和预测相关产业与国际标 准化的发展趋势，为后续国际标准研制提供可能有 益的框架。

1 船舶能效技术及其研究方法

目前，在船舶设计、建造、运营和报废的整个 生命周期的各个环节中，都有船舶能效提升技术涌 现，如图2所示。本节主要介绍几种近年来热门的绿 色船舶相关能效技术及其在学术研究上和工程应 用上的研发方法。

1.1 节能的船型设计

船舶的阻力性能和耐波性是船舶的重要性能， 其中，船舶阻力是船舶能源消耗的主要根源，而耐 波性影响船舶航行的航速和安全。近年来，许多研 究着眼于优化船型[5]或开发减阻[6]、减摇[7]装置。

在船型设计上，目前在学术研究和生产实践上 以多目标优化为主流，即以设计航速、静水阻力、波 浪载荷等多个参数为目标进行协同优化[8]。主要的 研究方向有建立基于计算流体力学（CFD）的水动 力模型，如借助CFD技术对某油轮船体进行了数值 优化[9]，并进行了实验验证；以及开发高效的优化算 法，如通过将多目标直接型算法与有效的无导数局 部算法相结合，开发了一种混合算法。

就减阻装置而言，时下气膜减阻技术[10]较为热 门。这项技术把空气通入船底，在船底表面形成流 体密度较低的气－水混合两相流，通过改变边界层 内流场实现降低阻力的效果。在减摇装置方面，舭 龙骨和减摇鳍[11]的相关研究相对较多。舭龙骨和减 摇鳍都是安装在船舶舭部的装置，以增加附体质量 或提供额外回复力的方法减轻船舶横摇。

总体来说，船型优化的相关研究已开展数十 年，如今大型货运船舶的船型设计已相当成熟，优 化空间较小。现阶段与船型优化相关的研究主要着 眼于开发新的方法以提高船舶性能预报的准确度 并减少数值计算的计算量。相对而言，许多减阻和 减摇装置的开发尚处于起步阶段，还有大量问题有 待解决，距离大规模工程应用还有较大距离，有更 为广阔的前景。

1.2 环保技术的能效提升

面向IMO在海上安全和海洋环境保护领域的法 规要求，目前海船普遍装备有必要的环保设备，相 关设备的能效表现同样对于绿色船舶的节能效果 产生重要影响。以下着重介绍三种相关技术：防污 涂料、余热回收系统和压载水处理系统。

防污涂料常用于保护船体免受污垢生物的侵 害，即人们所熟知的“污底”。这些污垢生物会使船 舶水下部分的表面变得粗糙，从而产生额外的阻 力。现有防污涂料（自抛光型、氧化橡胶、沥青系） 中效果保存时间通常不超过2.5年，海虹老人、佐 敦、国际油漆等国际进口品牌占据市场主导地位。 国内研究工作主要围绕环保涂料开发、涂料损耗分 析、制备与工艺等内容展开。

目前，商用货轮主要由柴油发动机驱动，柴油 发动机会向环境排放大量热量，尤其是废气中的热 量约占总热量的30%～45%[12]。余热回收系统旨在 回收大部分热能和摩擦能损失。这将使燃油效率提 高，船舶辅助发动机的使用量减少，降低二氧化碳 排放。目前系统能效提升的主要手段包括：高效工 质优化、装置设计优化和热电转换组件安装。

压载水处理系统可以满足《国际船舶压载水和 沉淀物控制与管理国际条约》和国家地區船舶压载 水排放规定的要求。目前主要的处理技术包括物理 技术和化学技术（含强氧化剂和羟基自由基），其中 电解法是该设备能效优化的主要方向，以处理100 立方压载水到满足BWMS规范MEPC.300（72）中 测试标准下耗电量为能效指标，目前市场上的主要 厂商包括青岛双瑞、Techcross、海德薇、Hyundai、 Erma first等。

1.3 清洁能源在船舶推进上的应用

为有效应对全球气候变化的影响，在传统低速 柴油机的能效优化空间不断降低的同时，将新型清 洁/低碳能源应用于船舶推进可能会成为达到航运 减排目标的关键方案。相关技术主要包括替代燃料 应用、风力助推船舶、电动船舶以及光伏和氢能在 船舶上的应用。

船舶替代燃料的应用是当前船海领域的研究 热点，主要包括甲醇、绿氨、液氢、生物燃料等燃料 选择。燃料的选择主要取决于发动机技术、质量体 积能量密度、舱容占比、硫化物氮氧化物二氧化碳 排放降低效能、产业链供给等因素。目前绿氢和绿 氨在有害物排放角度下具有90%以上的优化效果， 甲醇则在硫氮氧化物、舱容、产业链供应、技术成 熟度上表现较好。以上技术的能效提升需要在燃料 全生命周期的框架下进行。

风力辅助推进技术具有悠久的历史，现代船 舶业主要采用风筝、转子风帆、固定翼风帆等技术 方案，且以上方案均通过MEPC.1/Circ.896通函作为 “创新技术”纳入EEDI框架[13]。研究的主要方向有 风帆控制、船舶结构设计、高效翼形、航线优化等， 商业上目前只有AeroFoil帆和flettner转子进入商业 应用阶段。

2 船舶能效提升技术国际标准化发展

2.1 国际标准发展需求与方向

支撑海事领域立法以及行业利益相关方共同 获益是船舶国际标准化发展的重要动力。以国际标 准化组织船舶与海洋技术委员会（ISO/TC 8）为主 的国际标准化组织覆盖了绿色船舶能效提升技术 应用的多个领域，目前已开发符合联合国可持续发 展目标国际标准52项。此外，以上技术的实船应用 与推广，在相关国际组织的标准提案研制的背景下 将会得到加速，其中与绿色船舶能效提升技术相关 的国际标准化渠道如表1所示。

船舶能效提升技术的国际标准化需求主要来自 于IMO海事法规和产业界利益诉求，其中部分设计 与制造商关于提升船舶设备能效的目标与降低整船 能耗目标的关系尚不明晰。结合前文关于热点能效 技术的分析，总体上看能效技术的国际标准化需求 如表2所示。值得一提的是关于采用CFD技术对船体 船型进行数值优化缺乏标准化路径，且所用算法差 异性较强，标准化需求暂不分析。同时国际海事组织 对于甲醇、氨和液氢等替代燃料的全生命周期评价 未形成统一结论，目前已在ISO/TC 207/SC 7中形成了 碳足迹的量化、报告的原则、要求、指南标准，船舶 领域具体燃料的评价标准暂时缺少研制基础。

在MEPC 80次会议上正式通过的《2023年船 舶温室气体减排战略》，对减排雄心、零/近零排放 技术、指示性校核点提出更新要求，预计将会加 速能效领域的国际标准研制工作。同时，近期以及 未来1～2年内，《控制和管理船舶生物污垢以减少 入侵水生物种转移的导则》、美国《船舶通用许可 证》替代方案、MARPOL公约附则VI燃油记录修 订等事项都将进一步加速该进程。预计ISO下一步 将与MEPC会议热点议题紧密结合，在船舶风力助 推、船舶水下清理、替代燃料、防污涂料等领域的能效测量方法、效能评价、燃料加注供应及关键设 备、操作规程的角度开展标准研制工作。

中国船舶领域科研机构、配套商、制造商在开 发能效技术领域国际标准上具备较好的经验和基 础。在压载水设备、风力助推技术、碳捕集技术等领 域具有市场和产业优势。结合行业优势和国际标准 研制需求，首先在开发气膜减阻技术、风力助推技 术的能效评估、操作流程和安全性测试方法相关标 准领域具有较高的可行性。其次在燃料电池领域， 船用燃料电池存放、使用的安全风险控制和标准化 操作指南同样具有较好的可操作性。此外可进一步 拓展防污漆性能测定、压载水处理系统的标准化布 局，将企业与行业的技术指标提高至国际层面。

2.2 国际标准化动态跟踪

2023年，与绿色船舶能效密切相关的ISO/TC 8全会与TC 8/SC 2全会相继于9月与11月在欧洲举 行，本节着重介绍近期能效技术相关的国际标准动 态。在船舶水下清洗领域，挪威与美国分别主导立 项了ISO 6319《主动船体清洗的性能和文件编制方 法》和ISO 20679《船舶生物污垢水下清洗系统测 试指南》，同时美国提出了《采用水箱设施的生物 污垢捕集系统性能评价方法》潜在提案。总体上， 生物污垢清理技术、测试、性能评价、效能控制的 标准化工作已成为热点。在风力助推船舶领域，韩 国提出《转子风帆 船舶推进辅助系统》的新项目 提案，计划提供转子风帆全尺度平衡性测试的规 范性程序，以支撑船舶能效提升和利益攸关方工 程需求。在防污涂料领域，日本专家立项并研制了 ISO 21716《防污漆筛选生物试验方法》系列标准， 中国专家则于SC 2全会上提出了《船舶防污涂层磨 蚀率实验室测定方法》潜在提案。在压载水系统领 域，ISO 3725： 2023《压载水排放合规监测装置性 能的评估方法》正式发布，中国专家提出的ISO/AWI 23817《压载水管理系统（BWMS）使用电解法对压 载水管理系统进行调试测试程序》于11月成功立 项，计划提供对船上电解法壓载水管理系统进行调 试测试的指南。在替代燃料领域，于ISO/TC 8/WG 8下开发的ISO/AWI 22120《甲醇燃料船舶加注规 范》8月成功立项，计划对用于加注甲醇燃料船舶的 甲醇加注转运系统和设备提出规定和要求。

另一个值得关注的能效领域国际标准是2021 年由丹麦标准化协会发起，丹麦西西延森、斯文堡 国家海洋学院、代斯米，瑞典阿法拉伐积极参与的 ISO 8933系列国际标准。目前ISO/DIS 8933-1《能效 第1部分：海上单个组件的能效》、ISO/DIS 8933-2 《能效 第2部分：海上单个功能单元的能效》均已 进入DIS阶段，预计将于2024年下半年正式发布。 该系列标准的研制范围涵盖五种类型功能系统： 压力与流体、照明、加热与冷却、机械功能以及创 新能效技术的推进系统。尽管技术委员会专家关于 前四个系统对于整船能效提升的作用仍有争论，但 项目推进速度仍旧较快。创新能效技术的推进系统 对于船舶整船能效提升的作用得到了技术委员会 专家的普遍认同。标准的相关章节中涵盖了太阳能 光伏、风力助推、燃料电池、余热回收系统能效计 算中的输入输出、边界、计算方法的规定。

总体来看，由于能效提升技术与当前IMO关于 温室气体减排、防污公约联系紧密，近年来国际标 准研制热度较高。考虑到技术成熟度与市场应用， 短期内的主要热点领域包括：船舶防污底装置、船 舶水下清洗（人工/机器人）、船舶能效指标相关数 据、风力助推技术、气膜减阻技术等。

3 结 语

按发展模式来分，船舶能效提升技术可以分为 两类：传统技术的再发展（如船型优化、风力辅助 推进、船速和航线优化等）和新发展的技术（如替 代燃料、电动船舶、氢能在船舶推进上的应用等）。 这些技术的发展路径普遍以传统技术为灵感，通过 现代的研究方法（如数值方法、优化设计、高精度 控制等）对传统技术进行优化。尽管这些技术并不能从根本上解决船舶依赖化石能源的问题，但作为 达成船舶温室气体减排目标的过渡方案，这些技术 成熟度较高、船东易于接受，反而成为了国际标准 研制的热点。本文认为，近期来看集合中国船舶行 业内部的优势力量，在“传统技术”领域提出国际 标准方案是必要且及时的。积累旨在完全摆脱化石 能源，并从根本上实现绿色船舶构想的新技术，则 是中长期推动国际标准发展的基础，目前可以更多 考虑新技术在管理、流程、风险、安全和界面等层 面的国际标准新项目开发。

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作者简介

王立志，通信作者，硕士研究生，助理工程师，研究方向为 船舶与海洋工程标准化。

冯书桓，硕士研究生，工程师，研究方向为国际海事法规。

郭娅，硕士研究生，高级工程师，研究方向为船舶与海洋工 程标准化。

（責任编辑：张佩玉）