李 新 初建樹(shù)

（中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司 上海 200135）

0 引 言

近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，人類(lèi)大量使用化石燃料（如煤、石油和天然氣等），大量排放出以CO為主的溫室氣體，形成嚴(yán)重的溫室效應(yīng)，導(dǎo)致全球變暖，引發(fā)自然災(zāi)害，致使生物鏈斷裂，威脅人類(lèi)生存的各個(gè)方面。為了人類(lèi)的共同利益，必須在全球范圍內(nèi)管控碳排放。航運(yùn)是迄今為止最具成本效益、碳排放最低的貨物運(yùn)輸方式，國(guó)際貿(mào)易的90%通過(guò)航運(yùn)完成。盡管航運(yùn)的整體環(huán)保性能優(yōu)勢(shì)明顯，但世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、國(guó)際貿(mào)易量不斷擴(kuò)大、對(duì)航運(yùn)的需求逐步增加，船舶的數(shù)量也相應(yīng)不斷增加，導(dǎo)致航運(yùn)業(yè)的能源消耗不斷增大，并可能成為全球碳排放增長(zhǎng)最快的行業(yè)之一。上述現(xiàn)象已引起國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。

2018 年，國(guó)際航運(yùn)排放CO達(dá)10 億t，占全球CO排放量的2.89%，而2014 年時(shí)，這一占比數(shù)據(jù)還只是2.2%。國(guó)際海事組織（IMO）預(yù)測(cè)：由于國(guó)際貿(mào)易需求的增長(zhǎng)，若不采取有效措施，國(guó)際航運(yùn)2050 年的CO排放量將比2018 年增加5 倍，上述占比將有可能達(dá)到15%，如圖1 所示。

圖1 國(guó)際海事組織減少船舶溫室氣體排放的遠(yuǎn)期計(jì)劃

為扼制全球變暖趨勢(shì)、全面控制碳排放，聯(lián)合國(guó)于1992年制訂《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》、1997年達(dá)成《京都議定書(shū)》、 2016年簽署《巴黎協(xié)定》。這是人類(lèi)歷史上應(yīng)對(duì)氣候變化的3個(gè)里程碑式的國(guó)際法律文本，是全人類(lèi)邁向碳中和的堅(jiān)實(shí)腳步。我國(guó)在2020年時(shí)承諾：力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。但我國(guó)所承諾的碳達(dá)峰并非自然實(shí)現(xiàn)，且從碳達(dá)峰到碳中和的時(shí)間只有30年，遠(yuǎn)低于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家普遍的40~50年及以上。我國(guó)在2019年時(shí)的碳排放量已占全球總排放量的27%，居全球第1，遠(yuǎn)高于排名第2位的美國(guó)（美國(guó)的碳排放量占比為11%）?？梢?jiàn)我國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)難度很大，給碳減排相關(guān)政策的制定帶來(lái)重大影響。

IMO為推動(dòng)航運(yùn)業(yè)盡快實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)，不斷制定出臺(tái)節(jié)能減排的強(qiáng)制性規(guī)定。IMO于 2011年通過(guò)了船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（Energy Efficiency Design Index，EEDI）；2018 年通過(guò)了《減少船舶溫室氣體排放的初步戰(zhàn)略》。這是全球航運(yùn)業(yè)首次為應(yīng)對(duì)氣候變化制定的溫室氣體減排戰(zhàn)略，也是IMO在碳減排談判進(jìn)程中的重要里程碑，這些國(guó)際規(guī)則的制定將決定船舶和航運(yùn)業(yè)的發(fā)展方向。

英國(guó)、日本、挪威和韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家及其部分先進(jìn)企業(yè)紛紛制定國(guó)家級(jí)船舶發(fā)展規(guī)劃和措施，并投入巨資以加快新能源、新技術(shù)和新材料的研究和推廣，以期支持本國(guó)船舶建造和航運(yùn)業(yè)盡快滿(mǎn)足國(guó)際法律規(guī)定，贏得新一輪船舶及航運(yùn)市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。英、日兩國(guó)都將2030年作為引入超低或零碳排放船舶的目標(biāo)時(shí)間點(diǎn)，韓國(guó)三大造船廠則加緊開(kāi)發(fā)氨動(dòng)力船舶。

先進(jìn)航運(yùn)公司依據(jù)IMO的規(guī)范正在積極采取行動(dòng)。2019年在紐約舉行的聯(lián)合國(guó)氣候行動(dòng)峰會(huì)上，馬士基、殼牌等航運(yùn)、能源領(lǐng)軍企業(yè)組建零碳排放聯(lián)盟，致力于推動(dòng)國(guó)際航運(yùn)業(yè)的脫碳行動(dòng)。零碳排放聯(lián)盟的目標(biāo)與IMO的《減少船舶溫室氣體排放的初步戰(zhàn)略》緊密關(guān)聯(lián)，這將促使航運(yùn)業(yè)的碳排放與《巴黎協(xié)定》保持一致。零碳排放聯(lián)盟致力于到2030年，擁有能夠遠(yuǎn)洋航行并具備商用條件的綠色零碳船舶。隨后，韓國(guó)現(xiàn)代商船也加入了零碳排放聯(lián)盟。2022年1月12日，馬士基宣布計(jì)劃到2040年實(shí)現(xiàn)凈零碳排放的目標(biāo)，這一計(jì)劃比之前的2050年目標(biāo)提前了10年。

1 碳減排對(duì)于船舶產(chǎn)品的要求

碳減排是大勢(shì)所趨，及早提供符合IMO各階段排放標(biāo)準(zhǔn)的低能耗、低碳甚至零碳排放的船舶產(chǎn)品，這是船舶建造企業(yè)在產(chǎn)業(yè)鏈上的價(jià)值所在。對(duì)船舶產(chǎn)品的要求，主要來(lái)自?xún)煞矫妫阂皇菄?guó)家的雙碳目標(biāo)，二是IMO的法律規(guī)范。

1.1 雙碳目標(biāo)的廣義碳減排要求

雙碳指的是碳達(dá)峰和碳中和。碳達(dá)峰是量變，碳中和是質(zhì)變，關(guān)鍵還是在于碳中和。碳中和將對(duì)下一步產(chǎn)業(yè)鏈的重構(gòu)、重組和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的更新產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。比如：某件產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)碳中和，首先負(fù)責(zé)組裝生產(chǎn)該產(chǎn)品的企業(yè)自身要實(shí)現(xiàn)碳中和，同時(shí)為其提供零部件和原材料的上游企業(yè)生產(chǎn)流程、環(huán)節(jié)也要實(shí)現(xiàn)碳中和，以此類(lèi)推，即該產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈上的所有環(huán)節(jié)都要實(shí)現(xiàn)碳中和。

雙碳目標(biāo)對(duì)于船舶產(chǎn)品的直接要求主要來(lái)自于航運(yùn)業(yè)碳排放管控的需求。對(duì)于船舶產(chǎn)品來(lái)講，一方面產(chǎn)品自身要實(shí)現(xiàn)碳中和，向航運(yùn)業(yè)交付達(dá)標(biāo)的船舶產(chǎn)品，另一方面還要船舶建造企業(yè)生產(chǎn)船舶產(chǎn)品過(guò)程達(dá)到碳中和，并且對(duì)其產(chǎn)業(yè)鏈上游也需選擇碳中和的企業(yè)供應(yīng)設(shè)備、材料等。當(dāng)然，船舶建造企業(yè)自身的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)也同樣受雙碳目標(biāo)的要求影響。

故雙碳目標(biāo)對(duì)船舶產(chǎn)品并進(jìn)而對(duì)船舶建造企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)都有碳減排的要求，涵蓋內(nèi)涵廣泛，可稱(chēng)之為廣義碳減排要求。

1.2 IMO法規(guī)的狹義碳減排要求

IMO的法律規(guī)范更著重船舶產(chǎn)品本身的碳減排。EEDI通過(guò)發(fā)證的方式對(duì)新造船舶進(jìn)行審核管控，將其作為控制船舶碳排放的主要手段，以期監(jiān)管航運(yùn)業(yè)碳排放的初始設(shè)計(jì)水平。隨著EEDI的逐步實(shí)施，如果新造船舶沒(méi)有取得 EEDI認(rèn)證，某些國(guó)家或港口將不準(zhǔn)駛?cè)?，?duì)于航運(yùn)企業(yè)而言，這將影響其全球運(yùn)營(yíng)能力。因此，航運(yùn)企業(yè)把EEDI作為新造船的硬性指標(biāo)，在商務(wù)談判階段就要求船舶建造企業(yè)提供EEDI計(jì)算值，并將該指數(shù)納入技術(shù)規(guī)格書(shū)。這就要求船舶建造企業(yè)不僅要按照EEDI實(shí)施階段要求提前完成設(shè)計(jì)計(jì)算，交付指標(biāo)合格的船舶，還要取得相應(yīng)證書(shū)。這對(duì)船舶建造企業(yè)的船舶設(shè)計(jì)、新能源應(yīng)用、節(jié)能減排配套設(shè)備應(yīng)用和輔助動(dòng)力研究應(yīng)用等提出了更高要求，迫使船舶建造企業(yè)采用各種方法來(lái)降低新造船的 EEDI值，以使自己的船舶有資格進(jìn)入市場(chǎng)。而從另一個(gè)角度看，EEDI促進(jìn)了船舶行業(yè)新技術(shù)研發(fā)應(yīng)用、船型升級(jí)換代，將對(duì)新造船市場(chǎng)復(fù)蘇方面起到非常關(guān)鍵的推動(dòng)作用。

《減少船舶溫室氣體排放的初步戰(zhàn)略》對(duì)航運(yùn)業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化的行動(dòng)作出總體安排，確定了碳減排的量化目標(biāo)及階段性減排措施：第1階段，將2008年CO排放量作為基數(shù)，國(guó)際航運(yùn)每單位運(yùn)輸活動(dòng)的平均排放量到2030年至少降低 40%；第2階段，與 2008 年相比，到 2050 年國(guó)際航運(yùn)的年度CO總排放量至少降低 50%，國(guó)際航運(yùn)每單位運(yùn)輸活動(dòng)的平均排放量到2050年 至少降低 70%。

同時(shí)，為盡快消除國(guó)際航運(yùn)產(chǎn)生的CO排放，又制定了3個(gè)措施：一是短期措施（2018—2023年），改善新船和現(xiàn)有船舶的技術(shù)和運(yùn)行能效，發(fā)起研究開(kāi)發(fā)替代性燃料等新技術(shù)的行動(dòng)；二是中期措施（2023—2030年），引入替代性低碳和零碳燃料，加強(qiáng)技術(shù)合作與能力建設(shè)等；三是長(zhǎng)期措施（2030年以后），引入零碳燃料，鼓勵(lì)廣泛采用可能的新型減排機(jī)制。

IMO關(guān)于船舶碳減排的初步戰(zhàn)略將于2023年正式轉(zhuǎn)為最終戰(zhàn)略，相關(guān)國(guó)際規(guī)則的變化將決定船舶、航運(yùn)業(yè)的發(fā)展方向。這2份法規(guī)目標(biāo)一致，相互支撐。IMO的法律規(guī)范要求對(duì)于船舶建造企業(yè)而言主要是對(duì)船舶產(chǎn)品提出的，具有較強(qiáng)的針對(duì)性，可稱(chēng)之為狹義碳減排要求。

1.3 國(guó)際同業(yè)競(jìng)爭(zhēng)引發(fā)船舶產(chǎn)品碳減排的緊迫性要求

廣義碳減排要求和狹義碳減排要求對(duì)船舶產(chǎn)品有其結(jié)果的一致性，但在實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)上由于國(guó)際航運(yùn)業(yè)和船舶建造企業(yè)同業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，時(shí)間節(jié)點(diǎn)更加緊迫；廣義碳減排要求（即國(guó)家雙碳目標(biāo)）是在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。狹義碳減排要求規(guī)劃到21世紀(jì)末前實(shí)現(xiàn)船舶零碳排放，但國(guó)際航運(yùn)業(yè)、船舶建造業(yè)先進(jìn)公司推進(jìn)步伐明顯更快。如引言所述，預(yù)計(jì)2030年將有零碳排放的船舶投入商用，馬士基計(jì)劃于2040年實(shí)現(xiàn)凈零碳排放。

我國(guó)是目前世界第1的船舶建造大國(guó)，接單量、交付量連續(xù)多年位居世界前列；但我國(guó)還不是造船強(qiáng)國(guó)，相較于日韓等先進(jìn)船舶建造企業(yè)在綠色船舶技術(shù)研發(fā)及關(guān)鍵船舶配套設(shè)備方面，我國(guó)依然較落后。盡管當(dāng)前在碳減排等環(huán)保方面基本滿(mǎn)足IMO現(xiàn)階段法律規(guī)范要求，但在面向下一階段的碳減排要求以及對(duì)于前瞻性技術(shù)儲(chǔ)備的研發(fā)方面，仍與歐盟、日韓等國(guó)有較大差距，特別是在對(duì)后續(xù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)更新將產(chǎn)生重大影響的碳減排技術(shù)研發(fā)方面相對(duì)滯后，我國(guó)船舶建造及航運(yùn)業(yè)還未提出零碳排放船舶的交付運(yùn)營(yíng)計(jì)劃。

可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)船舶建造企業(yè)作為船舶產(chǎn)品的上游提供方，盡管來(lái)自國(guó)家的雙碳目標(biāo)和IMO法律規(guī)范的壓力已十分巨大，但來(lái)自國(guó)際同業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的影響更大、更為緊迫。我國(guó)船舶建造及配套企業(yè)唯有抓住機(jī)遇、加緊研發(fā)、迎頭趕上，否則就將被新的技術(shù)壁壘隔離在后，陷入大而不強(qiáng)受制于人的不利局面。

本文針對(duì)當(dāng)前船舶產(chǎn)品狹義碳減排的較緊迫要求，圍繞如何有效降低EEDI，調(diào)研了多方面的相關(guān)研究文獻(xiàn)，對(duì)各項(xiàng)主要碳減排舉措進(jìn)行綜合分析。

2 IMO EEDI 基本解析

2.1 EEDI的歷史由來(lái)

船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）是對(duì)船舶建造企業(yè)及船舶產(chǎn)品有深遠(yuǎn)影響的。2008年MEPC58次會(huì)議上，溫室氣體減排問(wèn)題被擺在顯著位置，尤其是CO排放問(wèn)題。IMO認(rèn)為MEPC57大會(huì)上提出的“新造船CO設(shè)計(jì)指數(shù)”過(guò)于強(qiáng)調(diào)減排，而從提高船舶能效角度對(duì)新造船的設(shè)計(jì)和建造提出標(biāo)準(zhǔn)才更符合發(fā)展趨勢(shì)，因而將新造船CO設(shè)計(jì)指數(shù)修改為能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI），形成了“新造船EEDI計(jì)算方法臨時(shí)導(dǎo)則草案”，且在2009年3月對(duì)EEDI計(jì)算方法進(jìn)行了調(diào)整，并已于2013年1月1日開(kāi)始實(shí)施。

2.2 EEDI的計(jì)算公式

EEDI用船舶消耗的能量換算成CO排放量與船舶運(yùn)載能力的比值作為衡量船舶能效水平的指標(biāo)。CO排放量的計(jì)算是通過(guò)船舶在設(shè)計(jì)載貨狀態(tài)下，以一定航速航行時(shí)，所需主推進(jìn)動(dòng)力和相關(guān)輔助功率消耗的燃油計(jì)算得出，計(jì)算公式如下：

上述公式分為分子和分母兩部分。其中分子部分表示船舶航行過(guò)程中消耗的燃油轉(zhuǎn)化成的CO排放量，由4部分組成：（1）：為船舶主機(jī)保證一定航速運(yùn)輸該裝載量所需的主推進(jìn)功率與所消耗燃油之乘積，g；（2）：為保證主機(jī)在所述的狀態(tài)下工作所需的副機(jī)功率與所消耗燃油之乘積，g；（3）：為當(dāng)船舶有軸帶電機(jī)與廢熱回收系統(tǒng)時(shí)對(duì)軸功率的貢獻(xiàn)與副機(jī)燃油消耗之乘積，g；（4）：為采用新的節(jié)能技術(shù)減少燃油消耗所帶來(lái)的船舶能效的提高，g。分母部分f為裝載量修正系數(shù)，補(bǔ)償因規(guī)定要求或技術(shù)而限制了船舶的裝載能力；是載重量，t；是該載重量下的航速，kn；f 為耐波性系數(shù)，包含因浪高、波浪頻率和風(fēng)速導(dǎo)致船舶減速的因素。

上述公式較為復(fù)雜，究其本意可簡(jiǎn)化為：

式中：CO排放量包括所有主輔機(jī)、鍋爐等消耗燃料設(shè)備所釋放的CO排放總量，g；當(dāng)船舶上采用新能源技術(shù)時(shí)，所產(chǎn)生的能量從CO排放量中扣減。

2.3 EEDI的實(shí)施階段

EEDI對(duì)于新造船而言，要求EEDI計(jì)算值小于基線值。EEDI要求值的折減可分為3個(gè)階段：初始階段從2013—2014年，保持現(xiàn)在的基線值；第1階段折減從2015—2019年，較基線值下降10%；第2階段從2020—2024年，較基線值下降20%；第3階段從2025—2030年，較基線值下降30%。其中集裝箱船等部分船型的折減率進(jìn)一步提高，并將生效時(shí)間提前至2022年。

2.4 EEDI的達(dá)標(biāo)認(rèn)證

某艘新造船所得到的EEDI稱(chēng)為A ，將其所需的EEDI稱(chēng)為R，若A≤R則符合規(guī)范，辦理認(rèn)證；若A＞R，則表示不符合，表明該新造船不能被認(rèn)可。

通過(guò)降低EEDI值來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排是當(dāng)前和未來(lái)一個(gè)時(shí)期內(nèi)船舶設(shè)計(jì)中最重要的要求之一。低EEDI值船舶產(chǎn)品是高水平船舶建造企業(yè)的重要標(biāo)志，故本文以EEDI及其計(jì)算公式作為船舶建造企業(yè)應(yīng)對(duì)CO減排舉措研究的切入點(diǎn)。

3 船舶產(chǎn)品碳減排舉措——降低EEDI 值

EEDI作為當(dāng)前IMO控制船舶溫室氣體排放的主要手段，其數(shù)值越低代表船舶碳排放越低。因此，如何降低碳排放，便轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾谓档虴EDI值。依據(jù)EEDI計(jì)算公式，若要減小EEDI，即需增大分母或者減小分子。改變的關(guān)鍵因素是載重量、相應(yīng)航速及所需能源排放的CO量，采用新型節(jié)能科學(xué)技術(shù)和設(shè)備是重要補(bǔ)充（圖2）。此計(jì)算公式中的系數(shù)是用以修正各種船型、不同噸位，以及主機(jī)不同工況、不同海況的，對(duì)某一具體船舶而言，由于其相應(yīng)航行狀態(tài)和各項(xiàng)系數(shù)為常數(shù)，故其對(duì)EEDI的影響可以不作考量。下面分別從增大分母和減小分子兩方面分析降低EEDI值以及船舶碳減排的舉措。

圖2 EEDI改善技術(shù)途徑示意圖

3.1 降低EEDI值的舉措——增大分母

增大分母，指基于一定能源消耗的碳排放量下著力提升載貨量和航速。當(dāng)前主攻研究方向包括減輕空船質(zhì)量、提升推進(jìn)效率和降低船舶阻力等。

3.1.1 減輕船舶空船質(zhì)量以提升載貨量

減輕船舶空船質(zhì)量最有效的辦法是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)用有限元計(jì)算等方式，使船舶強(qiáng)度得到優(yōu)化，減輕鋼材使用質(zhì)量；其次是應(yīng)用高強(qiáng)度鋼材代替普通鋼材，降低鋼材厚度，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量；再者，得益于新材料、3D打印以及合金激光焊接等先進(jìn)材料及加工技術(shù)的飛速發(fā)展，碳纖維、高強(qiáng)度鋁鎂合金等新型材料因其強(qiáng)度高、質(zhì)量輕，在船舶產(chǎn)品中代替鋼材的范圍逐步擴(kuò)大，特別是在郵輪、游艇等項(xiàng)目上，可有效減輕船舶空船質(zhì)量?？傊?，通過(guò)想方設(shè)法減輕空船質(zhì)量以提升載貨量。

3.1.2 提升推進(jìn)效率以提升航速

提升推進(jìn)效率意味著在同樣功率下提高航速。螺旋槳將主機(jī)通過(guò)軸傳遞的動(dòng)力轉(zhuǎn)化為船舶推力，總推進(jìn)效率可表示為船體效率、螺旋槳敞水效率、相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率和軸效率的乘積。通常情況下，只有約三分之二的主機(jī)動(dòng)力被轉(zhuǎn)化為推進(jìn)動(dòng)力來(lái)推進(jìn)船體。提升推進(jìn)效率的主要空間在于提升船體效率（通常為1.1~1.4）、螺旋槳敞水效率（通常為0.35~0.75）和相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率（通常為1.0~1.07），這與應(yīng)用高效螺旋槳、利用推力鰭、整流鰭和各種導(dǎo)流裝置改善尾流分布及螺旋槳的設(shè)計(jì)建造質(zhì)量相關(guān)。優(yōu)化舵系設(shè)計(jì)來(lái)提升推進(jìn)效率也是研究方向之一。

3.1.3 降低船舶阻力以提升航速

降低船舶阻力同樣可以達(dá)到同等功率即同樣碳排放下增加航速。船舶以一定的速度移動(dòng)，需要消耗能量以克服阻力，在輸出的船舶推力不變的情況下，船舶阻力降低，意味著可以取得更高的航速；而在已取得設(shè)計(jì)航速的情況下，船舶阻力降低，可以降低所需的功率，從而減少燃料消耗和CO排放。船舶阻力在很大程度上受到航行速度、排水量以及船體型線的影響。在設(shè)計(jì)航行速度和排水量確定后，船體型線就是船舶阻力決定因素。船舶總阻力R由許多阻力源組成，主要可以分為R摩擦阻力、R波浪阻力、R黏壓阻力和R空氣阻力，見(jiàn)圖 3。

圖3 船舶阻力構(gòu)成

R、R、R取決于水下部分的船體，而R則取決于水上部分的船體。R對(duì)低速船（散貨船和液貨船）占據(jù)船舶總阻力的70%~90%，而對(duì)高速船（游輪和客船）而言，其占比相對(duì)較低。R是船舶航行時(shí)興起波浪而造成的能量損失、R是指船體造成水流分離在船尾形成的黏壓阻力，通常這兩項(xiàng)阻力要占低速船舶總阻力的8%~25%，高速船舶則達(dá)到40%~60%。R通常占船體總阻力的2%左右，而對(duì)集裝箱船而言，頂風(fēng)航行時(shí)可達(dá)到總阻力的10%。

從上述分析可以看出，水下部分的船舶型線對(duì)船舶阻力有著重要的影響，故船舶的型線優(yōu)化對(duì)降低船舶阻力有著重要的意義，這也是船舶設(shè)計(jì)一直以來(lái)的重點(diǎn)。經(jīng)過(guò)不斷的研究創(chuàng)新，船舶型線優(yōu)化對(duì)于降低船舶阻力已取得了非常巨大的成效。隨著人工智能及大數(shù)據(jù)的飛速發(fā)展，船型多維度參數(shù)大范圍優(yōu)化成為可能。美、日、韓、歐等著手開(kāi)展船型數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建、數(shù)據(jù)挖掘、專(zhuān)家系統(tǒng)構(gòu)建和三維型線設(shè)計(jì)等技術(shù)研究，并在此基礎(chǔ)上初步開(kāi)展了人工智能在船型設(shè)計(jì)方面的探索研究。

除了船舶型線的優(yōu)化外，氣泡潤(rùn)滑技術(shù)是降低水下部分阻力的有效方式。顧名思義，氣泡潤(rùn)滑就是將空氣從船底外殼上的小孔中快速泵出。這時(shí)蜂巢狀的氣泡會(huì)迅速聯(lián)合起來(lái)，在船體外形成1~2 cm厚的空氣層，起到潤(rùn)滑作用并干擾漩渦的產(chǎn)生，延遲高度耗散型紊流，從而降低船舶摩擦阻力并達(dá)到船舶節(jié)省燃料的目的。氣泡潤(rùn)滑技術(shù)最多可節(jié)省10%的燃料，目前已有應(yīng)用該技術(shù)的實(shí)船投入運(yùn)營(yíng)。

其他降低摩擦阻力的途徑還有諸如：提升結(jié)構(gòu)建造質(zhì)量從而實(shí)現(xiàn)外板光順，避免凸凹不平的“瘦馬型”外板；應(yīng)用環(huán)保且光潔度更高的涂料，減少乃至避免外板附著海生物等。

對(duì)于大型集裝箱船而言，空氣阻力占比較大，因此對(duì)其空氣阻力的優(yōu)化對(duì)降低EEDI值具有相當(dāng)重要的意義。當(dāng)前的研究主要是應(yīng)用風(fēng)壓減阻技術(shù)在駕駛臺(tái)側(cè)翼部和支柱部的前方，安裝呈楔形的箱型結(jié)構(gòu)，在船舶航行時(shí)降低生活區(qū)風(fēng)壓阻力。通過(guò)對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，測(cè)試出該技術(shù)可以降低約10%的風(fēng)壓阻力。

3.2 降低EEDI值的舉措——減小分子

減小分子，指基于一定載貨量和航速下推動(dòng)船舶實(shí)現(xiàn)更少的碳排放。其途徑包括：應(yīng)用低碳或零碳燃料提供動(dòng)力，及應(yīng)用各項(xiàng)新設(shè)計(jì)提供輔助動(dòng)力，減少燃料消耗以降低碳排放，應(yīng)用碳捕捉技術(shù)直接減少碳排放，研發(fā)應(yīng)用創(chuàng)新節(jié)能船舶配套設(shè)備以減少能源消耗等。

3.2.1 應(yīng)用LNG作為船舶燃料

在過(guò)去的10年里，雙燃料船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)被開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于普通商船，包括使用LNG、液化石油氣和甲醇和等作為燃料，主要是為了滿(mǎn)足IMO NOIII級(jí)法規(guī)要求。目前雙燃料主輔機(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟，正逐步應(yīng)用于新船建造中。從供應(yīng)端來(lái)看，未來(lái)一個(gè)時(shí)期內(nèi)具備應(yīng)用基礎(chǔ)的低碳燃料主要以LNG為主。使用LNG作為船舶燃料，幾乎可以100%減排SO，并能減少85%～90%NO和15%～20%的CO排放，能在大幅減少氮和硫排放的同時(shí)，有效降低碳排放。該技術(shù)已相當(dāng)成熟，同時(shí)LNG價(jià)格較低、經(jīng)濟(jì)性好，是目前應(yīng)對(duì)EEDI第3階段要求最為有效的舉措。

就具體船型而言，集裝箱船、小型油船和散貨船使用LNG作為燃料并輔以其他減排措施，能夠達(dá)到EEDI降低50%的目標(biāo)；但對(duì)于大型船舶（尤其是VLCC及好望角型散貨船）來(lái)講，滿(mǎn)足EEDI降低50%的目標(biāo)還有一定難度。此外，LNG會(huì)有少量燃燒不充分而直接排放到大氣中，由于其主要成分甲烷是一種強(qiáng)效溫室氣體，這將減少其降低CO排放所獲得的收益。不過(guò)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)船舶零碳排放的最終目標(biāo)，在尋找確定其他零碳排放的燃料前，LNG是一個(gè)很好的過(guò)渡產(chǎn)品。

3.2.2 應(yīng)用氫和氨等零碳新型燃料

氫能是一種二次清潔能源，也是一種零碳排放燃料，擁有“清潔、高效、安全、可持續(xù)”這四大特點(diǎn)，被譽(yù)為未來(lái)世界能源架構(gòu)的核心。從碳排放角度來(lái)看，氫可以由多種可再生能源生產(chǎn)，并且氫燃燒而產(chǎn)生的碳、硫等排放接近零，因此，可再生氫被認(rèn)為是化石燃料的理想替代品。

氫氣按照生產(chǎn)來(lái)源分為“灰氫”、“藍(lán)氫”和“綠氫”?！盎覛洹笔侵?6%的氫氣來(lái)自化石燃料，制氫成本較低但碳強(qiáng)度最高；“藍(lán)氫”是“灰氫”的“升級(jí)版”，配合了碳捕捉和存儲(chǔ)技術(shù)，碳強(qiáng)度相對(duì)較低但成本較高；“綠氫”是利用可再生能源電解，零碳排放，當(dāng)前成本較高。此外，由于氫是一個(gè)全新的燃料，其儲(chǔ)存和分銷(xiāo)需要新建基礎(chǔ)設(shè)施，這就意味著巨額投資，同時(shí)安全管控方面還需要建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

以氫作為替代燃料盡管有很多優(yōu)勢(shì)，也還有很多挑戰(zhàn)要克服，重點(diǎn)是要降低制造、運(yùn)輸、存儲(chǔ)成本及制定相關(guān)安全、操作標(biāo)準(zhǔn)。不過(guò)，隨著相關(guān)領(lǐng)域難點(diǎn)的逐步攻克，其前景可期。

此外，氨也是一種零碳排放燃料。與氫類(lèi)似，氨可以從化石燃料、生物質(zhì)或其他可再生資源中獲得。與氫相比，氨的體積能量密度更高、沸點(diǎn)較高，相對(duì)于LNG和氫，氨易于液化儲(chǔ)存，更容易生產(chǎn)、處理和分銷(xiāo)，現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施完善。這些優(yōu)勢(shì)使氨成為一種非常有吸引力的船舶燃料替代品，具有較好的商業(yè)可行性。瓦錫蘭（W?rtsil?）和曼恩能源解決方案公司（MAN Energy Solutions）都計(jì)劃在2021年開(kāi)始測(cè)試氨燃料主機(jī)，后續(xù)進(jìn)度方面，瓦錫蘭希望在2023年將其發(fā)動(dòng)機(jī)安裝到船上，而曼恩表示到2024年將其原型機(jī)投放市場(chǎng)。

3.2.3 采用燃料電池作為輔助動(dòng)力降低燃油消耗

燃料電池是一種把燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)部件、沒(méi)有噪聲污染、排放出的有害氣體也極少。當(dāng)前投入使用的各種燃料電池總體轉(zhuǎn)換效率較高（達(dá)40%~60%），這使燃料電池成為一種很有發(fā)展前景的動(dòng)力裝置。燃料電池的CO排放主要取決于其燃料。氫燃料在當(dāng)前的生產(chǎn)、存儲(chǔ)技術(shù)和成本等問(wèn)題有效得到解決后，將是燃料電池的最佳選擇，可以實(shí)現(xiàn)零碳排放。燃料電池在效率、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、成本和壽命等方面還需要進(jìn)一步的技術(shù)發(fā)展和性能改進(jìn)。混合動(dòng)力電站的設(shè)計(jì)、能源管理策略的制定和整體系統(tǒng)的優(yōu)化也是研究重點(diǎn)。燃料電池在船舶上應(yīng)用可以作為很好的輔助動(dòng)力源。

3.2.4 應(yīng)用軸帶發(fā)電機(jī)

一般船舶主機(jī)的功率都有＞10%的裕量，而船舶上所安裝的發(fā)電機(jī)功率基本都小于此數(shù)值，并且主機(jī)油耗比發(fā)電機(jī)油耗更低，因此軸帶發(fā)電機(jī)的應(yīng)用可以有效節(jié)約燃油消耗。船舶燃油費(fèi)用大約占船舶營(yíng)運(yùn)費(fèi)的53%左右,節(jié)約燃油可立竿見(jiàn)影地提升經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)可有效降低CO的排放量。然而，應(yīng)用軸帶發(fā)電機(jī)的不足是前期一次性投資較大，航運(yùn)企業(yè)需進(jìn)行運(yùn)營(yíng)測(cè)算。

3.2.5 應(yīng)用廢熱回收系統(tǒng)

在熱機(jī)中，船用柴油機(jī)的熱效率最高，約為50%~55%，目前進(jìn)一步提高效率的可能性不大。然而，由于25%~30%的能量通過(guò)高溫廢氣排放損失，10%~15%的能量通過(guò)冷卻水損失，因此應(yīng)用廢熱回收系統(tǒng)回收廢氣和冷卻水中的余熱可以顯著提高總熱效率。除了傳統(tǒng)的廢氣渦輪增壓和廢氣鍋爐外，將廢熱回收系統(tǒng)應(yīng)用于船舶也具有巨大的潛力。

3.2.6 利用可再生的風(fēng)能和太陽(yáng)能提供輔助動(dòng)力

風(fēng)能利用裝置主要包括風(fēng)帆、風(fēng)筒和天帆等，其能為船舶航行提供推力，以降低主機(jī)燃料消耗減少碳排放。風(fēng)力在航運(yùn)歷史上一直是主要的船舶動(dòng)力，直到被蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)取代。如今，為了實(shí)現(xiàn)碳減排及降低燃料成本，風(fēng)能輔助動(dòng)力被重新研究。風(fēng)帆、風(fēng)筒通常安裝于船甲板，產(chǎn)生額外的空氣推進(jìn)動(dòng)力；天帆系統(tǒng)則利用一個(gè)大風(fēng)箏將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為船舶推力。風(fēng)能利用裝置已有實(shí)船建造應(yīng)用案例。

此外，太陽(yáng)能也是提供船舶輔助動(dòng)力選擇之一。船舶的大部分上層甲板和上層建筑表面都暴露在陽(yáng)光下，具備安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的條件，可用以提供電能，減少燃料消耗且降低CO排放量。美中不足的是光伏板布設(shè)面積有限，發(fā)電量較小。

總體來(lái)看，風(fēng)能和太陽(yáng)能盡管易受天氣狀況及船舶條件的限制，但仍可作為船舶可再生能源利用的重點(diǎn)發(fā)展方向，為船舶提供輔助動(dòng)力。

3.2.7 研究應(yīng)用碳捕捉技術(shù)

類(lèi)似于控制NO和SO的排放，船舶采用了選擇性催化還原和廢氣清潔系統(tǒng)（Exhaust Gas Cleaning Systems，EGCS）等尾氣后處理技術(shù)，CO排放后處理是一個(gè)新的重要技術(shù)研究方向。碳捕捉技術(shù)（Carbon Capture and Storage，CCS）直接捕獲排放的CO，然后將其轉(zhuǎn)運(yùn)并儲(chǔ)存于特定處所。總體上，當(dāng)前有4種主要的CO捕獲技術(shù)：燃燒前捕獲系統(tǒng)、氧燃料燃燒捕獲系統(tǒng)、燃燒后捕獲系統(tǒng)和工業(yè)過(guò)程捕獲系統(tǒng)。捕獲的CO主要通過(guò)管道或船舶儲(chǔ)罐運(yùn)輸，而后存儲(chǔ)在陸地或海上存儲(chǔ)場(chǎng)所。在船舶上應(yīng)用CCS也被研究作為減少CO排放的有效途徑。目前CCS技術(shù)設(shè)備在船舶上應(yīng)用遇到了一定限制，主要是布設(shè)CCS系統(tǒng)需要更多占用船舶空間，運(yùn)行CCS需增加一定燃料消耗。當(dāng)前新型的化學(xué)吸收和膜分離技術(shù)正在研發(fā)之中，有望改進(jìn)CCS功能并減小其體積，成為降低船舶CO排放的新方法。據(jù)估算，CCS技術(shù)的潛在CO減排幅度超過(guò)70%。

3.2.8 提升船舶智能化水平，應(yīng)用低耗能設(shè)備船舶智能化能夠有效降低能耗；應(yīng)用各種變頻風(fēng)機(jī)、泵等低能耗設(shè)備，改進(jìn)各種冷卻器、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)等也能有效降低能源消耗，減少CO排放。這主要依賴(lài)于船舶設(shè)備供應(yīng)商的努力，船舶建造企業(yè)作為采購(gòu)方，應(yīng)積極促進(jìn)新技術(shù)的應(yīng)用。

4 結(jié) 語(yǔ)

人類(lèi)歷史上幾次經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和社會(huì)關(guān)系大變革都是由于科學(xué)技術(shù)及管理的變革而發(fā)生，并深刻影響了人類(lèi)賴(lài)以生存的自然環(huán)境。而此次碳減排則是自然環(huán)境反過(guò)來(lái)要求人類(lèi)維護(hù)自然環(huán)境的適宜狀態(tài)，問(wèn)題的解決也只能通過(guò)科學(xué)技術(shù)及管理的創(chuàng)新來(lái)實(shí)現(xiàn)，也很可能引發(fā)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和社會(huì)關(guān)系的大變革。

當(dāng)前溫室效應(yīng)的影響已令各項(xiàng)減排舉措勢(shì)在必行且迫在眉睫，國(guó)際和國(guó)內(nèi)碳排放管控不斷加強(qiáng)，新的政策、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)不斷具體細(xì)化，船舶建造企業(yè)作為船舶航運(yùn)產(chǎn)業(yè)鏈上的重要一環(huán)，面臨著越來(lái)越嚴(yán)峻的生存危機(jī)。在做好自身企業(yè)運(yùn)營(yíng)、達(dá)成國(guó)內(nèi)雙碳目標(biāo)的同時(shí)，還要面臨IMO和相關(guān)先進(jìn)國(guó)家及港口對(duì)于航運(yùn)船舶的碳排放達(dá)標(biāo)管控要求。按當(dāng)前歐盟、日、韓等及一些先進(jìn)企業(yè)的船舶碳減排規(guī)劃及進(jìn)展，面對(duì)韓日等國(guó)家船舶建造企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，這方面的壓力會(huì)更大、更快。

船舶碳減排是一個(gè)系統(tǒng)工程，船舶建造企業(yè)既要立足于自身的生產(chǎn)建造過(guò)程達(dá)到碳中和，也亟需上游的材料（特別是船舶配套設(shè)備）企業(yè)技術(shù)研發(fā)上的突破，并加強(qiáng)對(duì)于上游供應(yīng)鏈的考察選擇，而自身的設(shè)計(jì)整合及建造能力無(wú)疑是核心關(guān)鍵所在。目前圍繞降低EEDI值的技術(shù)研發(fā)在不斷深入，有些已比較成熟，有些仍處于探索嘗試階段。船舶建造企業(yè)唯有緊扣法規(guī)要求、加大研發(fā)力度、加強(qiáng)與上下游產(chǎn)業(yè)的縱向聯(lián)系，在上述各個(gè)方面不斷實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新突破，方能逐步系統(tǒng)地解決碳排放問(wèn)題，切實(shí)及早實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，交付符合要求的低碳、零碳排放船舶。