基于雙燃料LNG船的CII指標(biāo)改進(jìn)措施分析

楊春華,李 巖

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司,上海 200129)

0 引言

國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)針對全球溫室氣體減排先后提出并制定了階段性戰(zhàn)略目標(biāo)[1],即:第一階段目標(biāo),在2008年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,航運(yùn)碳排放強(qiáng)度指數(shù)在2030年要減少40%;第二階段目標(biāo),在2050年實(shí)現(xiàn)航運(yùn)碳排放總量減少50%,航運(yùn)碳排放強(qiáng)度指數(shù)減少70%;第三階段目標(biāo),本世紀(jì)內(nèi),實(shí)現(xiàn)航運(yùn)業(yè)二氧化碳的凈零排放。

為實(shí)現(xiàn)上述戰(zhàn)略減排目標(biāo),2020年IMO在第75屆會議上審議通過了對于新造船的能效設(shè)計(jì)指數(shù)(Energy Efficiency Design Index,EEDI)修正案,將部分液貨船、集裝箱船、干貨船等主要船型的EEDI滿足第三階段目標(biāo)起始日期從2025年提前至2022年執(zhí)行。2021年IMO在第76屆會議上審議通過了對于現(xiàn)有船舶能效指數(shù)(Energy Efficiency Existing Ship Index,EEXI)和營運(yùn)碳強(qiáng)度指標(biāo)(Carbon Intensity Indicator,CII)評級的要求,并且確定了2023年1月1日為實(shí)施日期。

本文通過對2026年到2050年CII指標(biāo)3種典型發(fā)展路徑的假設(shè),重點(diǎn)分析某在建17.4萬m3雙燃料LNG船CII評級的情況,界定需要采取改進(jìn)措施的年限,研究改進(jìn)措施對CII指標(biāo)評級和LNG船營運(yùn)的影響。

1 營運(yùn)碳強(qiáng)度指數(shù)評級及計(jì)算方法

1.1 營運(yùn)碳強(qiáng)度指數(shù)評級

IMO以其制定的CII指標(biāo)為基礎(chǔ),將實(shí)船營運(yùn)碳強(qiáng)度指標(biāo)的評級劃分為A、B、C、D、E 5個(gè)等級,并且發(fā)布并明確了12種船型各自對應(yīng)的評級劃分間隔。等級說明見圖1。

A、B、C、D、E—營運(yùn)碳強(qiáng)度從高到低的5個(gè)等級;d1、d2、d3、d4—各個(gè)評級跟CII參考值的偏離量。

各評級邊界的計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[3]。

從2024年開始,航運(yùn)公司應(yīng)該向主管機(jī)關(guān)提交上一年度達(dá)到的年度營運(yùn)CII。若CII連續(xù)3 a評級為D的船或1次評級為E的船,將被強(qiáng)制納入改進(jìn)措施計(jì)劃,需要具體描述通過何種改進(jìn)措施改善營運(yùn)碳強(qiáng)度等級。

針對LNG船型,根據(jù)載重量的不同,具體細(xì)分為2種評級劃分,內(nèi)容見表1。

表1 LNG船評級劃分表

1.2 IMO規(guī)定的營運(yùn)碳強(qiáng)度指數(shù)計(jì)算方法

根據(jù)IMO MEPC.338(76)號決議,CII指標(biāo)用以下公式描述:

CII=(1-Z/100)·CIIR

式中:CII為要求的營運(yùn)碳強(qiáng)度指數(shù);Z為年度折減因子;CIIR為2019年的基準(zhǔn)值。

IMO已明確制定的年度折減因子是到2026年,2027年—2030年折減因子的制定將根據(jù)2026年前的執(zhí)行情況再做制定,具體見表2。

表2 折減因子情況表

CIIR是船型對應(yīng)的參考基線值,是以2019年船舶營運(yùn)碳強(qiáng)度性能為基準(zhǔn),對于給定船型,基于相應(yīng)的載運(yùn)能力得出的CII基線[4],是根據(jù)船型種類和載重量確定的,其計(jì)算公式為

CIIR=a·Capacity-c

式中:Capacity為船舶在夏季吃水時(shí)的載重量;a、c為與船舶類型和載重量相關(guān)聯(lián)的參數(shù),可以查表確認(rèn);對LNG船型來說,a、c參數(shù)取值根據(jù)LNG船載重量分為3種情況,具體見表3。

表3 LNG船CII參考基線計(jì)算參數(shù)表

1.3 實(shí)船年度營運(yùn)碳強(qiáng)度指數(shù)計(jì)算方法

實(shí)船年度營運(yùn)碳強(qiáng)度指數(shù)是指船舶營運(yùn)一年所排放的二氧化碳(CO2)與總運(yùn)量(載重量×航行里程)的比率,具體計(jì)算公式如下:

AttainedCII=M/W

式中:M為一個(gè)年度CO2總的排放量;W為一個(gè)年度總運(yùn)量(載重量×航行里程)。

M=FCj·CFj

式中:FCj為一個(gè)年度總的燃油消耗;CFj為一個(gè)年度消耗燃油對應(yīng)的CO2轉(zhuǎn)化系數(shù)。

W=C·Dt

式中:C為夏季載重水線下的載重量;Dt為一個(gè)年度總的運(yùn)輸距離,n mile。

2 3種典型CII發(fā)展路徑模型分析

本文以一型在建的17.4萬m3雙燃料LNG船作為研究對象,通過理論營運(yùn)模型和CII指標(biāo)發(fā)展路徑建立CII指標(biāo)3種發(fā)展路徑數(shù)據(jù)模型,評估CII對雙燃料LNG船的影響。

2.1 研究對象介紹

該目標(biāo)船型載重量小于10萬t,具體主尺度參數(shù)如下:船長299.0 m,船寬46.4 m,吃水12.5 m,貨艙艙容17.4萬 m3。

2.2 CII發(fā)展路徑預(yù)測

IMO已明確2050年碳排放強(qiáng)度要減少70%,已明確2023年到2026年CII年度折減因子為2%,但2027年之后的發(fā)展需要根據(jù)2026年前CII執(zhí)行情況再制定。本文將重點(diǎn)結(jié)合2026年到2050年3種典型CII發(fā)展路徑分析大型LNG船營運(yùn)策略和改進(jìn)措施。

IMO出臺的CII指標(biāo)考核限制體現(xiàn)在“CII指標(biāo)評級連續(xù)三年評級為D的船或1次評級為E的船,該船將被強(qiáng)制納入改進(jìn)措施計(jì)劃”。因此,本文將基于CII評級劃分D級限制線建立3種CII發(fā)展路徑,具體如下:

路徑1:CII評級D限制線勻速下降;路徑2:CII評級D限制線先急后緩下降;路徑3:CII評級D限制線先緩后急下降,見圖2。

A、B—營運(yùn)碳強(qiáng)度等級。

3 基于CII不同預(yù)測路徑的計(jì)算評估

LNG燃料對CII評級結(jié)果的影響分析見參考文獻(xiàn)[5]。本文結(jié)合上述3種典型CII發(fā)展路徑模型,考慮LNG船常規(guī)營運(yùn)航速區(qū)間15.0～19.5 kn,對CII指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算,具體情況見表4、表5。

表4 目標(biāo)船型CII指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

目標(biāo)船型在15.0～19.5 kn營運(yùn)航速段CII計(jì)算結(jié)果如下:

(1)路徑1的計(jì)算結(jié)果見圖3。以15.0 kn航速營運(yùn),可允許的營運(yùn)年限到2045年;以19.5 kn航速營運(yùn),可允許的營運(yùn)年限到2039年。

(2)路徑2的計(jì)算結(jié)果見圖4。以15.0 kn航速營運(yùn),可允許的營運(yùn)年限到2043年;以19.5 kn航速營運(yùn),可允許的營運(yùn)年限到2036年。

A、B、C、D—營運(yùn)碳強(qiáng)度等級。

(3)路徑3的計(jì)算結(jié)果見圖5。以15.0 kn航速營運(yùn),可允許的營運(yùn)年限到2046年;以19.5 kn航速營運(yùn),可允許的營運(yùn)年限到2041年。

A、B、C、D—營運(yùn)碳強(qiáng)度等級。

4 CII改進(jìn)措施分析

4.1 限制主機(jī)功率和降速營運(yùn)

從不同航速CII計(jì)算評估結(jié)果看,采用降速航行,可延緩CII觸碰紅線評級D。對于目標(biāo)船型,每降速1 kn航行,平均可增加1～2 a營運(yùn)年限。

4.2 加裝節(jié)能裝置

從目前各種船用推進(jìn)節(jié)能裝置效果看,大部分節(jié)能效果為1%～5%。以5%的節(jié)能效果為基礎(chǔ)計(jì)算CII值, 加裝5%節(jié)能效果的節(jié)能裝置,可以延長平均約1 a的營運(yùn)年限,見表6及圖6。

表6 節(jié)能裝置對CII指標(biāo)影響對比表

圖6 安裝節(jié)能裝置(5%節(jié)能效果)對不同航速CII指標(biāo)的影響

4.3 加裝碳捕捉系統(tǒng)

從CII計(jì)算評估結(jié)果來看,基于路徑1,目標(biāo)船型只能營運(yùn)到2045年;2045年以后,該型船營運(yùn)非常困難,采用限功率降速或增加節(jié)能裝置已不能實(shí)現(xiàn)到2050年的碳減排目標(biāo)。除了直接支付碳稅,還可采用配置碳捕捉系統(tǒng)等措施[6]達(dá)到大幅降低碳排放的目的。考慮要實(shí)現(xiàn)2050年碳排放強(qiáng)度減少70%的目標(biāo),基于不同航速估算碳捕捉系統(tǒng)容量結(jié)果見表7。

表7 目標(biāo)船型碳捕捉系統(tǒng)CO2減排率分析

碳捕捉系統(tǒng)容量的選擇取決于設(shè)計(jì)航速的選擇。以目標(biāo)船型平均航速17.5 kn為例,配置的碳捕捉系統(tǒng)CO2減排率需達(dá)到45%,才能保證以平均航速營運(yùn)的年限可延長到2050年。

碳捕捉技術(shù)正在研發(fā)起步階段,實(shí)船應(yīng)用較少且應(yīng)用時(shí)間也各不相同。對于雙燃料LNG船型,碳捕捉系統(tǒng)的應(yīng)用不會太快,主要原因如下:

(1)由于其本身EEDI/EEXI指標(biāo)已較高,CII的限制將集中出現(xiàn)在2043年以后,因此,對于新造船,在當(dāng)前增加該系統(tǒng)的步伐不會太快。

(2)船舶在航行過程中回收的二氧化碳需要在碼頭及時(shí)卸載,因此船用碳捕捉系統(tǒng)的大面積應(yīng)用將會受到碼頭配套的回收液態(tài)二氧化碳的設(shè)施的發(fā)展制約。

4.4 船舶大型化

船舶的大型化可有效提升運(yùn)輸效率,降低船舶總數(shù),從而減少總碳排放量。根據(jù)IMO發(fā)布的LNG船型參考基線表,當(dāng)載重量超過10萬t時(shí),對碳排放的要求顯著降低。因此,對載重量超過10萬t的大型化船型開展CII指標(biāo)計(jì)算分析,基于路徑1評估船舶大型化產(chǎn)生的影響,計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 目標(biāo)船型與大型化船型的CII評級對比分析

從對比計(jì)算結(jié)果看,對于相同航速,大型化船型與目標(biāo)船型相比,船舶的大型化(貨艙艙容增大15%),可增加3～5 a營運(yùn)年限,延緩CII觸碰紅線評級D,但并不能滿足2050年碳減排目標(biāo)。

5 結(jié)論

(1)對于雙燃料LNG船來說,以19.5 kn的航速航行,2036年前是可以滿足CII指標(biāo)評級需求的,2036年之后,需要考慮CII改進(jìn)措施,以延長其滿足CII指標(biāo)評級的營運(yùn)年限;當(dāng)以15.0 kn航速航行,可將滿足CII指標(biāo)評級延長至2043年。

(2)“限制主機(jī)功率”“加裝節(jié)能裝置”“船舶大型化”單個(gè)改進(jìn)措施對CII指標(biāo)改進(jìn)效果均有限。對于新造船,可以考慮將3種改進(jìn)措施組合實(shí)施,即在船舶大型化的基礎(chǔ)上,通過加裝節(jié)能裝置并在臨近2050年時(shí)采用限制主機(jī)功率的措施以滿足2050年碳減排目標(biāo)。

(3)加裝碳捕捉系統(tǒng)可以延長LNG船CII指標(biāo)評級的營運(yùn)年限到2050年。

(4)雖然本文改進(jìn)措施僅針對LNG船型的具體分析,但分析中所形成的CII指標(biāo)各種改進(jìn)措施對船舶營運(yùn)趨勢的影響,是可以為其他類型船舶的CII指標(biāo)改進(jìn)決策作直接參考的。