LNG船能效指数和碳强度指标计算

信德海事网

2021-12-31 11:01:37

摘要：针对即将生效的MARPOL公约附则VI修正案新增的营运船能效指数 ( EEXI ) 和碳强度指标 ( CII ) 要求，分析其概念、计算和评级方法，以大型LNG船为研究对象，以实船设计参数和典型航线营运数据为实例，进行LNG船能效指数和碳强度指标模拟计算和评级，得到有效结果，提出新规则生效背景下LNG船东的应对策略。

关键词：LNG船；能效指数；碳强度指标

        2021年6月中旬，国际海事组织海洋环境保护委员会第76届会议 ( MEPC 76 ) 以视频的方式召开，通过了MARPOL公约附则Ⅵ修正案 ( MEPC.328 ( 76 ))。该修正案引入了两个新的强制性要求：船舶能效指数 ( EEXI ) 和碳强度指标 ( CII ) 评级，并决定自2023年1月起对包括LNG船在内的国际航行船舶温室气体排放进行技术和营运双重监控。本文就船舶能效指数和碳强度指标的概念和规则进行介绍，通过典型船测算分析其对LNG船技术和营运的影响，最后提出相关建议。

        一、船舶能效指数

      船舶能效指数的英文名称是Energy Effici-ency Existing Ship Index ( EEXI )，表示一艘船运输每吨货物每海里排放的CO2 质量 ( 单位：g/t·nmile，克/吨·海里 )。船舶能效指数将对所有400总吨及以上的国际航行船舶 ( 包括采用电力推进的LNG船和豪华邮轮，无论交船时间先后 ) 强制适用，目前仅对诸如海工平台、极地规则 ( Polar Code ) 中的A类船、采用非机械或非常规推进的船舶等一些特殊船舶予以排除。

      修正后的MARPOL公约附则Ⅵ第23、25条中引入了“Attained EEXI”和“Required EEXI”，分别表示每艘船经计算后达到的船舶能效指数值和各船型要求的船舶能效指数值。相关要求概括如下：

        1.Attained EEXI

      由MARPOL公约附则Ⅵ第23条以及《Attained EEXI计算方法导则 ( 2021 )》( 后称导则 ) 予以规定。如船舶已适用EEDI新船设计能效指数，则其经验证的EEDI可直接认定为Attained EEXI。由此可见，船舶能效指数的计算规则与EEDI一脉相承，公式也基本相同。

        2.Required EEXI

        MARPOL公约附则Ⅵ第25条新增内容如下：

   Attained EEXI≤Required EEXI＝（1-X/100）×

                    EEDI Reference Line                    ( 1 )

其中：X 为折减系数——MARPOL公约附则对各种船型的折减系数有着不同的规定；EEDI Reference Line即EEDI基线值，计算公式由附则Ⅵ第24条规定，如表1所示。

表1 各船型EEDI基线值计算公式表

      由此可知，要得到某种船型的Required EEXI值，先要求得其EEDI基线值，然后查找X 对EEDI基线值折减。如图1所示。

图1  Required EEXI公式示意图

        3.公约要求

       船舶Attained EEXI应小于等于Required EEXI，否则船东必须采取有效措施，如限制主机功率 ( Engine Power Limitation )、安装节能装置、使用低碳燃料等改进船舶能效。

        4.生效及实施

       船舶能效指数相关规则的生效及实施时间节点为：2021年6月MEPC 76届会议通过相关决议；2022年11月1日MARPOL公约附则Ⅵ修正案将正式生效；2023年1月1日起对所有适用船舶开始实施，也就是即日起所有适用船舶应在其证书第一个年度检验、中间检验或换证检验时向船旗国批准的主管机关申请认证Attained EEXI，并取得标注有本船Attained EEXI和Required EEXI的新版IEEC证书。

        5.船舶能效指数小结

       船舶能效指数本质上取决于船型、推进系统配置及效率，因此也被称作技术能效指数。

        二、碳强度指标

      碳强度指标的英文名称是Carbon Intensity Indicator ( CII )，表示船舶在一个营运年度中运输每吨货物每海里排放的CO2质量 ( 单位：g/t·n mile，克/吨·海里 )。碳强度指标将对所有5 000总吨及以上适用EEDI要求的国际航行船舶 ( 无论交船时间先后 ) 强制适用。

      修正后的MARPOL公约附则Ⅵ新增了第28条，引入了“Attained Annual Operational CII”和“Required Annual Operational CII”两个指标，分别表示每艘船经计算后达到的年度运营碳强度指标值和要求的年度运营碳强度指标值，要求每年对适用船舶进行计算并评级。MPEC 76会议通过了四个导则，以作为对碳强度指标计算评级的必要支持。下面分别予以简要介绍。 

        1.G1/碳强度指标导则

        MEPC.336 ( 76 ) 决议规定了碳强度指标相关计算公式和参数定义，内容如下：

        ( 1 ) 达到的年度营运碳强度指标 ( Attained annual operational CII )，是一个日历年度中船舶排放的CO2总质量 ( M ) 与总运输做功 ( W ) 的比，即

                           Attained CII＝M/W               ( 2 )

        ( 2 ) 年度CO2排放总质量 ( M )，是船舶一个日历年中消耗的燃料总质量乘以碳转换系数，即

                            M＝FC×CF                           ( 3 )

其中：FC 取决于船舶在IMO Data Collection System ( DCS ) 中的上报数据；CF ( 碳转换系数 ) 取决于燃料种类，具体情况在《EEDI 计算方法导则 ( 2018 )》( Resolution MEPC.308 ( 73 ))中列明。

        ( 3 ) 运输做功 ( W )，是船舶一个日历年中运输容量与运输距离的乘积，即

                               W＝C×Dt                         ( 4 )

其中：对于包括LNG船在内的大部分船型船舶，C 取决于船舶夏季载重线吃水时的载重量；Dt取决于船舶在IMO DCS中的上报数据。

        2.G2/碳强度指标基线导则

        MEPC.337 ( 76 ) 决议规定各船型碳强度指标基线值的计算公式为

                      CIIref＝a Capacity-c                   ( 5 )

其中：CIIref是2019年碳强度指标基线值；参数a、Capacity、c 则由表2定义。

表2  各船型CII计算公式参数表

        3.G3/碳强度指标折减率导则

        MEPC.338 ( 76 ) 决议规定了2023—2030各年份Required CII在2019年基线值上的折减，且折减率每年递增2%。计算公式为

         Required CII＝（1-Z/100）CIIref           ( 6 )

其中：CIIref是由G2导则计算得到的2019年碳强度指标基线值；Z 是折减率 ( 按规定，2023—2026年的Z 值分别为5%、7%、9%、11%，2027—2030年的Z 值将由IMO根据规则的执行效果进一步确定 )。

        4.G4/碳强度指标评级导则

        MEPC.339 ( 76 ) 决议规定了碳强度指标评级方法：船舶年度Attained CII值应与该年度的Required CII值进行比较，按照G4导则给出的船型边界线确定该年度船舶碳强度指标级别；评级从优至差分为A～E共5级，其评级边界如图2所示。

图2  CII评级边界示意图

      评级边界以2019年碳强度指标基线值为中心，中间的30%区域为C级，然后向上下各划出20%区域为D和B级，最两端各15%区域为E和A级。G4导则中各船型的评级边界线d1~d4取值参见表3。

表3  各船型CII评级边界线参数表

        5.小结

        MARPOL公约规定，船舶自2023年起要每年向主管机关申报年度营运碳强度指标，接受验证和评级。如果连续3年营运碳强度指标评级为D或任何一年评级为E，就必须修订SEEMP，并向主管机关提交改进措施计划，经验证批准后，才能获得相关的碳强度指标符合证明。

       碳强度指标与船舶营运状态密切相关，并且评级机制还引入了以每年2%递增的折减系数。因此，其对整个航运界的碳减排影响深远。除船东以外，租船人、第三方船管公司等也必须认真对待，提前做好准备。

        三、LNG船基本特点

        LNG船的特点较多，在此仅讨论与本文主题相关性较强的几个。

        1.货物特性

        LNG是以甲烷为主要成分的烃类混合物，含有少量的乙烷、氮等其他成分；密度通常在 420～470 kg/m3之间，沸点在大气压力下通常为-166～-157 ℃，随大气压力的变化约为1.25×10-4 ℃/Pa；在运输的过程中会持续不断地产生蒸发气 ( Boil-off Gas，BOG )，其蒸发率 ( Boil-off Rate，BOR ) 取决于船舶货舱货物围护系统的保温绝热性能。

        2.燃料种类

       营运中的LNG船以货舱蒸发气为燃料，并且主机和副机均能使用。蒸发气不含硫化物 ( SOx )，氮氧化物 ( NOx ) 的成分也极低，燃烧性能极佳：其低热值达48 000 kJ/kg，与船用柴油热值 ( 42 700 kJ/kg )、重油热值 ( 40 200 kJ/kg ) 相比明显要高。

        3.推进系统

        LNG船推进系统有蒸汽轮机、电力推进、常规低速柴油机、双燃料低速柴油机等类型。目前除了少数LNG船采用只能烧油的常规低速柴油机推进外，几乎所有的LNG船均可使用气/油双燃料推进系统，且能根据需要切换。因此，主管机关一般都将LNG船的主燃料认定为天然气。

        4.能效管理

       在运输LNG途中，货舱每时每刻都在动态地产生蒸发气，因此必须精确管控货舱压力和货物温度，以获得理想航速。特别要注意的是，船舶降低航速带来的运输时间增加会使货舱产生更多蒸发气，对能效管理不利。

        5.营运方式

        LNG船一般都是期租给大型石油公司或专业LNG贸易商等货主方经营的，船舶的实际经营人是租家，管理人是船东委托的专业第三方船管公司，船东的身份通常只是船舶资产的股东方 ( 投资人 )，不参与船舶的实际经营调度和船舶管理，但船东和第三方船管公司却是碳排放控制的重要相关方。

        四、LNG船能效指数计算方法和实例

      计算LNG船能效指数，应先从公式入手。导则的完整公式过于复杂，为便于讨论，笔者将其简化后得到概念化计算式为

      这一公式适用于没有安装创新技术节能措施的情形。下面结合LNG船的特点阐述计算方法。

        1.分子与分母

      分子部分是计算主机和副机单位时间产生的CO2量 ( 单位：g/h )，需分别计算后求和。LNG船一般较少采用导则认可的减少推进能耗的技术，因此分子部分不必考虑扣减项。分母是船舶夏季载重线吃水时载重量与该吃水点的计算航速之乘积 ( 单位：t·n mile/h )，由此得到船舶能效指数值 ( 单位：g/t·n mile )。

        2.主机功率 ( PME )

       根据导则的规定，对于配置低速二冲程主机+发电机组的LNG船，主机功率以75% MCR为准。对于以推进电机替代常规主机的电力推进LNG船，导则规定其主机功率计算公式为

                           PME＝0.83×MPP/η              ( 8 )

其中：MPP 为推进电机额定功率；η 为电推系统效率，为91.3%。

        3.副机功率 ( PAE )

       根据导则规定，对于总推进功率为10 000 kW或以上的船舶，副机功率计算公式为

PAE＝0.025×主机MCR+250+ ( 0.02×PME )     ( 9 )

其中：( 0.02×PME ) 是蒸发气压缩机为XDF主机燃气系统供气所需的附加功率。

      对于配置再液化系统和采用高压供气系统的LNG船，导则也规定了各自附加功率的计算方式，在此省略。

        4.燃料单耗

       主机按75% MCR点时的单耗计算，副机按各台发电机50% MCR点时的平均单耗计算。值得注意的是，LNG船主、副机除使用天然气为主燃料外，还有少量的点火油也需计算CO2排放量并加入分子部分。

        5.碳转换系数

       导则给出的常用燃料热值及转换系数见表4。其中，LNG的碳转换系数为2.75，点火油碳转换系数按柴油取3.206。表4非常清晰地表明，作为燃料，LNG热值高于其他品种，但碳转换系数只有2.75，减排效应明显。值得注意的是，甲醇的碳转换系数最小，只有LNG的一半，其热值也最低，只有LNG的41.5%。基于此，人们对甲醇作为碳减排替代能源的有效性存在质疑。因为燃烧热值过低的燃料获得能量，即便燃料本身的碳含量很低 ( 碳转换系数小 )，其消耗量也是非常大的，机器的燃烧效率将难以提高，总的碳排放量不一定降低。

表4  常用燃料碳转换系数表

        6.载重量

       指夏季载重线吃水的载重量。

        7.航速

       指夏季载重线吃水时主机在75%MCR下的船舶航速，一般需要从船模试验报告中求得。

        8.LNG船能效指数测算实例

       以某17.4万m3LNG船为例，测算船舶能效指数并判断其能否符合新规。该船的基本配置为2台XDF双燃料柴油机主机，双桨双舵，4台双燃料四冲程发电机组，无轴带发电机，无再液化装置，且不考虑其他节能措施。所需要的基本参数 ( 均为实船数据 ) 见表5。

表5  17.4万m3LNG船能效指数测算参数表

      计算步骤如下：

        ( 1 ) 计算Attained EEXI：将表5中的参数代入公式 ( 2 ) 得到Attained EEXI＝4.882。

        ( 2 ) 计算EEDI基线值：如表2所示，该船的EEDI基线值为2 253.7×91 400-0.474＝10.03。

        ( 3 ) 折减系数 ( X )：MARPOL公约规定10 000载重吨及以上LNG船Phase 3阶段X＝30。

        ( 4 ) 计算Required  EEXI：Required  EEXI＝ ( 1- 30/100 ) ×EEDI Reference Line＝7.023。

        ( 5 ) 测算结果及分析：该船Attained EEXI ( 4.882 ) ＜Phase 3的Required EEXI ( 7.023 )，完全满足2023年起生效的船舶能效指数新规则要求。

       通过计算可知，影响船舶能效指数合规性的主要因素是船型、燃料种类、机器的功率和燃料单耗、航速和载重量，特别是在船型和主、副机配置基本确定的情形下，选择以天然气为主燃料可以降低14%的碳转换系数，机器燃料消耗率会更低，对降低船舶能效指数的贡献最显著；反之，同样的船型和机器配置的LNG船若只能使用燃料油，其船舶能效指数可能会超过要求，船舶必须采取主机功率限制 ( EPL ) 等方式来满足合规性要求。

        五、LNG船碳强度指标计算和评级

      仍以17.4万m3LNG船为例，因为计算需要有营运数据，故以该船欧洲—中国某航次的数据为准。航线：Zee Brugge—大连；往返航程：23 000 n mile ( 经苏伊士运河 )；航次天数：56天；平均航速：17 kn；货舱蒸发率：满载航行0.10%/天；日平均BOG量：75 t；夏季吃水线载重量：91 400 t。

       计算步骤如下：

        1.计算Attained CII

       将数据代入前文介绍的G1导则公式 ( 2 )，可得到该航次Attained CII＝5.66 ( 详细计算过程略 )。

        2.计算碳强度指标基线值

       将船舶载重量数据代入G2导则公式 ( 5 )，并查表2得到公式参数a＝1.447 9×1010，c＝2.673，由此可得到该船2019年基线值CIIref ＝7.95。

        3.计算2023—2026各年Required CII

       按照G3导则确定的各年折减率和公式 ( 6 )，得到的结果如表6所示。

表6  2023—2026各年折减率和Required CII

        4.碳强度指标评级边界

      根据表3，查到该船对应的10万载重吨以下LNG船的4个边界值d1~d4分别为0.78、0.92、1.10、1.37。以2023年为例，Required CII＝7.55，则该年度碳强度指标各级别的边界如图3所示。

图3  17.4万m3LNG船2023年碳强度指标评级边界示意图

        5.碳强度指标评级结果

       前面已算得该船航次营运Attained CII＝5.66，对照图3，可知其落在A级区域。也就是说，该船2023年如果在类似参数的航线保持营运，其年度碳强度指标评级将是A级；2024年也可以保持在A级，但从2025年起将降为B级，因为A级边界线每年折减2%。

        6.影响碳强度指标评级的因素

       碳强度指标评级是基于船舶每年的实际营运数据，并对照该年度要求的碳强度指标值确定的评级边界来定级。通过选取典型航线模拟自测可知，船舶营运相关的航线、航速等可变因素对年度达到的碳强度指标值影响很大，特别是LNG船使用货舱蒸发气为燃料，如果航速保持在每天自然蒸发气供给的能量范围内 ( 一般为17～18.5 kn )，则既能提高航次周转效率，又无燃料额外消耗，航线营运碳强度指标将保持在理想水平。如果租家发出的航次指令时间过于宽裕，平均航速很低，同样的航线每多跑一天，就要多消耗一天的蒸发气，相应带来的CO2排放就多出一天的量，一年下来对营运碳强度指标的负面影响不小。比如前面测算的17.4万m3LNG船的典型航线，每多用1天，航次Attained CII值就将增加0.1 g/t·n mile，最直接的后果则是尽管船舶设计建造完全具有达到A级的技术标准，机器效率也没有恶化，但船舶年度碳强度指标评级也无法达到A级。

        六、小结

        ( 1 ) 船东应对MPEC 76届会议的相关决议和即将生效的MARPOL公约附则VI修正案予以重视，提前对自家船队进行专业技术评估，为2023年起国际航行船舶碳排放合规做足准备，避免因为船队存在碳排放劣势而成为IMO新规下市场优胜劣汰中的输家。

        ( 2 ) 本文重点研究的17.4万m3LNG船能效指数显著地低于MARPOL公约要求的限值，彰显了优化船型设计和推进系统的重要性以及采用蒸发气为主燃料的优势。然而，一些船型设计和推进系统老旧或者无法以蒸发气为主燃料的LNG船，仍将面临2023年船舶能效指数限值的大考，船东需尽早制订技术改进措施，比如采取主机功率限制或者直接将其改造成使用双燃料。

        ( 3 ) 大型LNG船尽管在船舶能效指数上高枕无忧，但仍需重视营运碳强度指标评级问题，特别是要充分预判航次指令对碳排放的影响，采取合理有效的措施减少蒸发气额外消耗，为年度碳强度指标评级积累基础数据。同时，船东要加强与租家、第三方船管公司协同，使各相关方一起为船舶营运碳减排而努力，而不是仅仅让船东一方去面对合规的义务和挑战。

        ( 4 ) 航运业已面临碳减排战略的重大抉择，各种不同的观点和争议此起彼伏，包括对LNG能否成为终极清洁燃料的质疑和对甲醇等替代燃料的宣传。然而，通过对LNG船能效指数的分析和试算，以及对不同燃料的碳转换系数的比较，都显示了LNG高热值和低碳的本质特征。可以说，LNG是当之无愧的优质清洁能源。未来船东投资建造新船选择哪种燃料，应该从中得到启发。

        ( 5 )《中国天然气发展报告 ( 2021 )》指出，天然气是清洁低碳的化石能源，是保障能源安全的“压舱石”，是新能源电力安全的“稳定器”，“双碳”目标下它将在国家能源体系中展现韧性。现代化的大型LNG船不仅自身船舶能效指数优异，营运碳强度指标达到A级，更是运输海上清洁能源的战略投送部队，是实现“双碳”目标和“美丽中国”的重要力量，正可谓广阔天地、大有作为！

作者简介：

宋源，中远海运能源上海中远海运液化天然气投资有限公司技术部总经理，高级工程师。

       本文刊发于《世界海运》2021年第12期，转发须注明作者和原文出处。

特别声明：本文为人民日报新媒体平台“人民号”作者上传并发布，仅代表作者观点。人民日报提供信息发布平台。

写下你的评论

{{item.content}}

{{cell.content}}

{{item.content}}