楊志林，鄭海林，陳玉傲，曹博文，刁航

（浙江海洋大學(xué)港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江 舟山316022)

0 引 言

溫室氣體是影響全球氣候變暖的重要因素，二氧化碳被認(rèn)為是人為溫室氣體最大排放來(lái)源。在全球碳排放量中，船舶的碳排放所占的比例最大，伴隨著船舶碳排放的增加，船舶對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題也引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。船舶碳排放監(jiān)測(cè)方法研究主要涉及港口、船東及其他航運(yùn)相關(guān)部門等利益主體在經(jīng)濟(jì)、健康和環(huán)保上的具體利益，在減少大氣污染對(duì)人體、環(huán)境產(chǎn)生的不良影響等方面具有積極意義，也關(guān)系到營(yíng)運(yùn)船舶減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此，本文針對(duì)目前的船舶碳排放監(jiān)測(cè)方法及碳排放源進(jìn)行研究并提出相應(yīng)優(yōu)化措施。

1 船舶碳排放監(jiān)測(cè)方法

船舶在海上航行，其碳排放主要來(lái)源于主機(jī)、輔機(jī)、鍋爐、燃?xì)鉁u輪和惰性氣體發(fā)生器。各碳排放源使用燃油種類不一，故碳排放因子各不相同。船舶燃油一般分為兩類，即殘?jiān)停ㄖ赜停┖宛s分型（輕油），前者用于船舶海上正常航行，后者用于船舶機(jī)動(dòng)航行。另外，很多船舶還會(huì)采用貨物作為燃料，如LNG船舶。

對(duì)于遠(yuǎn)航貨輪而言，主機(jī)類型一般為低速柴油機(jī)（二沖程），使用重油，對(duì)應(yīng)碳排放因子為3.114或3.151，具體參考表1。

1.1 燃料供應(yīng)單（BDN）跟蹤和燃料艙定期盤點(diǎn)

BDN由燃料供應(yīng)商提供，內(nèi)容如下：1）接收燃料供應(yīng)船船名及其IMO編號(hào)；2）燃料供應(yīng)港口；3）燃料供應(yīng)開(kāi)始時(shí)間；4）燃料供應(yīng)商名稱、地址和電話；5）燃料名稱；6）燃料數(shù)量（t）；7）燃料15 ℃下密度（kg/m3）；8）燃料含硫量質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；9）一份由供應(yīng)商代表簽署和證明的聲明（證明所供燃料符合MARPOL公約附則6第14.1或4（a）款和第18款的規(guī)定）。

表1 船舶各碳排放源特征

單位時(shí)間內(nèi)，船舶燃料消耗數(shù)量計(jì)算方法如下：

燃料消耗量=期初存量+BDN數(shù)量-期末存量-期間燃料駁出量。

該類方法精度差，使用范圍有限，不能分別對(duì)船舶各類碳排放源進(jìn)行逐個(gè)分析，只能粗略計(jì)算出碳排放源的燃料總消耗量，而且必須與燃料艙艙液位監(jiān)測(cè)方法結(jié)合使用。

1.2 燃料艙液位監(jiān)測(cè)

該類方法簡(jiǎn)易，成本相對(duì)較低，也無(wú)法分別對(duì)船舶各類碳排放源進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)頻率一般為2 次/d，加裝燃料時(shí)為1次/15 min。液位監(jiān)測(cè)通過(guò)測(cè)深設(shè)備，讀出燃料艙液位高度，經(jīng)測(cè)深表轉(zhuǎn)換為燃料體積，再根據(jù)燃料密度（可通過(guò)BDN獲得）換算成燃料質(zhì)量。

單位時(shí)間或固定航次內(nèi)，船舶燃料消耗數(shù)量計(jì)算方法如下：

燃料消耗量（海上航行）=駛離當(dāng)前掛靠港時(shí)艙內(nèi)液位+航次期間加裝燃料時(shí)液位差-抵達(dá)下一相鄰掛靠港時(shí)艙內(nèi)液位-航次期間駁出燃料時(shí)液位差；

燃料消耗量（停港）=抵達(dá)當(dāng)前掛靠港時(shí)艙內(nèi)液位+停港期間加裝燃料時(shí)液位差-駛離當(dāng)前掛靠港時(shí)艙內(nèi)液位-停港期間駁出燃料時(shí)液位差。

1.3 針對(duì)燃料燃燒過(guò)程的流量計(jì)監(jiān)測(cè)

電子流量計(jì)主要測(cè)量累計(jì)流量的體積來(lái)進(jìn)行船舶主機(jī)碳排放源監(jiān)測(cè)。容積式流量計(jì)主要適用于中高速柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的輔機(jī)、鍋爐等碳排放源，精度高達(dá)0.1%～0.2%。

流量計(jì)類型及特點(diǎn)如表2所示。

表2 船舶燃料監(jiān)測(cè)流量計(jì)種類及特點(diǎn)

單位時(shí)間或固定航次內(nèi)，船舶燃料消耗數(shù)量計(jì)算方法如下：

燃料消耗量（海上航行）=航次期間各碳排放源處流量計(jì)之和；

燃料消耗量（停港）=停港期間各碳排放源處流量計(jì)之和。

1.4 直接碳排放測(cè)量

使用廢氣流量計(jì)，通過(guò)主機(jī)、輔機(jī)、鍋爐煙囪等處所直接測(cè)量船舶碳排放，精確度高，成本高，且對(duì)于各類碳排放源均適用。

單位時(shí)間或固定航次內(nèi)，船舶燃料消耗數(shù)量計(jì)算方法如下：

燃料消耗量（海上航行）=航次期間廢氣總量×二氧化碳濃度/碳排放因子；

燃料消耗量（停港）=停港期間廢氣總量×二氧化碳濃度/碳排放因子。

2 船舶碳排放計(jì)算方法

2.1 基于IMO排放因子的碳排放計(jì)算方法

為不斷提高營(yíng)運(yùn)船舶能效，IMO正在逐步推進(jìn)發(fā)展EEOI的要求，EEOI為船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)[1-2]，在數(shù)值上等于燃油實(shí)際消耗量和二氧化碳排放因子的乘積與單位貨物周轉(zhuǎn)量（船舶載貨量乘以運(yùn)輸距離）的比值。根據(jù)相關(guān)國(guó)際海洋公約規(guī)定，EEOI數(shù)學(xué)計(jì)算表達(dá)式為

式中：FCj為j類燃料油的實(shí)際消耗量；CFj為使用燃料油對(duì)應(yīng)的二氧化碳排放因子；mcargo為所載貨物運(yùn)輸總量；D為所載貨物貨物運(yùn)輸距離。

2.2 流量計(jì)監(jiān)測(cè)耗油量計(jì)算方法

船舶的燃油消耗量主要來(lái)自于船舶主機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的耗油量、船舶發(fā)電機(jī)的消耗、輔機(jī)鍋爐的消耗量。船舶排水量一定時(shí)，燃油消耗量正比于船速的3次方；當(dāng)船速一定時(shí)，燃油消耗量正比于排水量的2/3次方。結(jié)合式（1），單個(gè)航次的碳排放量可用公式（2）計(jì)算：

式中：ECX為一個(gè)航次船舶碳排放總量；EFCX為燃油時(shí)耗；i為出發(fā)港口；j為到達(dá)港口；MFK為主機(jī)每天燃油消耗量；S1k為實(shí)時(shí)航速；S0k為額定航速；AFK為輔機(jī)每天燃油消耗量；dij為兩港口之間的距離。

2.3 直接碳排放測(cè)量計(jì)算方法

單位時(shí)間或固定航次內(nèi)，使用廢氣流量計(jì)監(jiān)測(cè)計(jì)算船舶燃料消耗數(shù)量需要計(jì)算二氧化碳的濃度，測(cè)點(diǎn)煙道處氣體的總體積，航次間各類廢氣體（包括二氧化碳、一氧化碳、水蒸氣等）的體積分?jǐn)?shù)、測(cè)點(diǎn)壓力等數(shù)值。根據(jù)克拉伯龍方程[2]，二氧化碳排放率計(jì)算表達(dá)式為

式中：MCO2為二氧化碳排放率，t/s；P為測(cè)點(diǎn)絕對(duì)壓力，Pa；V總為測(cè)點(diǎn)煙道總體積，m3；R為標(biāo)準(zhǔn)氣體摩爾體積；T為熱力學(xué)溫度，K；VCO2和VCO為測(cè)點(diǎn)二氧化碳、一氧化碳體積分?jǐn)?shù)，%。

表3 碳排放監(jiān)測(cè)方法對(duì)比

式中：F為設(shè)備監(jiān)測(cè)平均負(fù)荷，t/h；Gm為設(shè)備平時(shí)平均負(fù)荷，t/h。

3 水運(yùn)船舶碳排放統(tǒng)計(jì)存在問(wèn)題分析

3.1 監(jiān)測(cè)方法對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果存在較大誤差

燃料供應(yīng)單（BDN）跟蹤和燃料艙定期盤點(diǎn)不適用以貨物為燃料的船舶或BDN無(wú)法獲取的船舶，而且必須與燃料艙液位監(jiān)測(cè)方法結(jié)合使用。忽略了燃料管系內(nèi)存留的燃料，計(jì)算出的船舶燃料消耗比實(shí)際偏大；燃料艙液位監(jiān)測(cè)，其精度與船體形狀和船舶內(nèi)部結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系[3],可以采取人工測(cè)量或者機(jī)器測(cè)量的手段，計(jì)算結(jié)果沒(méi)有包括燃料關(guān)系內(nèi)存留的燃料，使其計(jì)算結(jié)果偏大；使用流量計(jì)對(duì)燃料設(shè)備中燃料燃燒過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，計(jì)算結(jié)果較接近船舶實(shí)際消耗的燃料，且易于區(qū)分船舶在歐盟區(qū)域內(nèi)、外的碳排放，便于碳排放報(bào)告的編制，但監(jiān)測(cè)設(shè)備成本較高；廢氣流量計(jì)測(cè)量方法具有高精確度的特點(diǎn)，但是需要大數(shù)據(jù)的支持，再加上船東沒(méi)有系統(tǒng)的使用方法，缺乏相對(duì)的一些經(jīng)驗(yàn)，二氧化碳排放量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在航運(yùn)領(lǐng)域上仍可望不可及。

3.2 船舶碳排放計(jì)算方法適用性分析

3.2.1 IMO因子計(jì)算值存在差異

根據(jù)EEOI計(jì)算公式可知，船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)主要受燃料油的實(shí)際消耗量和二氧化碳排放因子的影響，二氧化碳排放因子與燃料種類有關(guān)，燃油的消耗量主要受到柴油機(jī)類型、船舶航速、載貨量等因素的影響。所以EEOI值與各影響因子不是簡(jiǎn)單的線性相關(guān)關(guān)系。

3.2.2 流量計(jì)監(jiān)測(cè)計(jì)算使統(tǒng)計(jì)結(jié)果接近實(shí)際值

流量計(jì)監(jiān)測(cè)法在監(jiān)測(cè)各類碳排放源的同時(shí)，能夠考慮到燃料管系內(nèi)殘存的燃料，所以可較為全面地計(jì)算出船舶燃料消耗量。但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，液體燃料的黏度、密度的差異性對(duì)速度傳感式、壓差式、容積式等流量計(jì)的測(cè)量精確度存在一定的影響。考慮到經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，水運(yùn)船舶主要以密度大、黏度高、分子量大的重油作為燃料油，所以在使用流量計(jì)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)時(shí)會(huì)使精確度降低。綜合以上因素，流量計(jì)監(jiān)測(cè)計(jì)算使統(tǒng)計(jì)結(jié)果更接近實(shí)際值。

3.2.3 現(xiàn)場(chǎng)廢氣流量計(jì)監(jiān)測(cè)使統(tǒng)計(jì)結(jié)果精確度較高

現(xiàn)場(chǎng)使用廢棄流量計(jì)進(jìn)行直接監(jiān)測(cè)燃料燃燒碳排放的情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果精確度較高。質(zhì)量比法主要受到燃料消耗量和時(shí)間的影響，對(duì)燃料消耗量的準(zhǔn)確度具有較高的要求，且監(jiān)測(cè)時(shí)間與記錄時(shí)間存在誤差，一般不采用此種方法。時(shí)間比法在保持鍋爐燃燒的狀況與監(jiān)測(cè)時(shí)間段一致的情況下有良好的計(jì)量效果，具有較高的實(shí)用價(jià)值。負(fù)荷比法結(jié)果較時(shí)間比法、質(zhì)量比法更為精確可靠，因?yàn)槠淇紤]了輔機(jī)、鍋爐等影響因素。

4 船舶碳排放統(tǒng)計(jì)優(yōu)化措施

4.1 優(yōu)化監(jiān)測(cè)方法，探索新的減排視角

在改善船舶營(yíng)運(yùn)能效和適應(yīng)未來(lái)政策的潛力方面，供應(yīng)單跟蹤、液位測(cè)量?jī)H提供燃料消耗總量，直接碳排放測(cè)量?jī)H提供碳排放總量，而流量計(jì)監(jiān)測(cè)能夠?qū)崟r(shí)反饋船舶各個(gè)航行區(qū)間所有廢氣的排放數(shù)量；在減排推動(dòng)作用方面，供應(yīng)單跟蹤、液位測(cè)量監(jiān)測(cè)已廣泛使用，不能提供新的減排視角，而流量計(jì)監(jiān)測(cè)和直接碳排放測(cè)量方法未廣泛采用，減排潛力較大，因此要充分發(fā)揮數(shù)字模式下的監(jiān)測(cè)方法。

4.2 分析影響因子的關(guān)聯(lián)度，提高碳排放量化精度

不同的量化方法受不同因素的影響。分析EEOI油耗量、載貨量和航行里程3個(gè)主要影響因子，保持其中兩個(gè)因素不變的條件下，船舶能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)與油耗量、載貨量和航行里程分別呈線性正相關(guān)、線性負(fù)相關(guān)、非線性負(fù)相關(guān)。因此，要通過(guò)實(shí)船數(shù)據(jù)分析各個(gè)影響因子的關(guān)聯(lián)度，提高碳排放統(tǒng)計(jì)的精確度。

5 結(jié) 論

雖然MRV規(guī)則允許適用船舶可采用上述4類碳排放監(jiān)測(cè)方法中任何一種，但當(dāng)前船載二氧化碳?xì)怏w監(jiān)測(cè)設(shè)備并未廣泛使用，未來(lái)碳排放計(jì)算主要基于燃料消耗監(jiān)測(cè)，即燃料供應(yīng)單跟蹤、燃料艙液位監(jiān)測(cè)和流量計(jì)監(jiān)測(cè)方法。針對(duì)船舶碳排放的量化方法，發(fā)現(xiàn)水運(yùn)船舶碳排放統(tǒng)計(jì)過(guò)程中受各種因素的影響程度不同而呈現(xiàn)非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。