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J. Marine Sci. Appl. (2012) 11: 335-340 DOI: 10.1007/s11804-012-1141-2
可操作的绿色船舶选项
摘要: 环境问题和不断上涨的燃料价格要求提高所有部门的能源效率。航运业是主要的利益相关者之一，其二氧化碳排放量占全球的3%，氮氧化物排放量占全球的14%-15%，硫化物排放量占全球的16%。此外，不断上涨的燃料价格也促使人们关注提高能效的新途径。绿色船舶的概念要求探索和实施船舶技术，以提高能源效率和减少排放。船舶营运是一个重要的课题，具有巨大的成本效益和能源效益潜力。本文全面回顾了绿色船舶的基本概念、原则和潜在的操作选择。讨论了船员的主要挑战，即入职前的学历、在职培训和激励。作者还就如何应对这些挑战进行了讨论。
关键词:绿色船舶;船舶运营效率;最佳天气航线;减速航运;调整优化
文献来源: 1671-9433(2012)03-0335-06
1背景介绍
全球气温较工业化前水平上升2摄氏度，预计将造成严重的全球后果，并危及许多物种的生存。全球气温比工业化前升高6°C，再过几年地球上的生命就会灭绝。解决这一问题的唯一途径是减少全球温室气体(GHG)排放。政府间气候变化专门委员会(IPCC, 2007)的结论是，到2050年，全球温室气体排放量需要比目前水平低50%-85%才能达到这一目标。然而，IPCC的所有假设都表明，到2050年全球温室气体排放将显著增加，这是令人担忧的。因此，所有对温室气体排放负有责任的利益相关者都面临着实现这一目标的巨大挑战。
图一 全球二氧化碳排放量
航运业是环境问题的利益相关者之一。如图1所示，它大约占全球二氧化碳排放的3%，全球氮氧化物排放的14%-15%，以及全球SOX排放的16% 。此外，航运业在全球经济中发挥着关键作用。洲际贸易、原材料的大宗运输以及可负担得起的食品和货物的进出口都是通过船舶进行的。据估计，世界上90%的贸易货物是由船只运输的。在很大程度上，这种贸易在可预见的将来几乎没有替代的运输方式。此外，由于图2所示的最低gCO2/t·km排放，与其他可用的运输方式相比，海运是一种更好的环境运输选择。
Received date: 2011-06-30.
Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China under Grant No.51079032, and the Excellent Youth Foundation of Heilongjiang Province of China.
*Corresponding author Email: salmasherbaz@yahoo.com
copy; Harbin Engineering University and Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012
图二 与铁路和公路相比，轮船排放的二氧化碳更多
未来的情况表明，如果不采取预防措施，到2050年，船舶的二氧化碳排放量将增加一倍以上。欧盟(EU)和联合国气候变化框架公约(UNFCCC)正在努力推动对全球排放进行监管。国际海事组织(海事组织)目前正在利用技术、业务和以市场为基础的政策手段制定国际航运的温室气体法规。在未来几年内，国际海事组织可能会对船舶的二氧化碳排放进行监管。
此外，如图3所示，未来燃料价格也将上涨(Bilgen et al.， 2008;环境影响评价,2010)。从长远来看，高昂的燃料价格也促使人们在改善环境绩效的同时，关注提高能效的新途径。
图3 .燃料价格为美元/桶
历史上，航运业一直负责任，并在全球进步中发挥了建设性作用。它也犯过自己的错误，并因埃克森-瓦尔迪兹号漏油事故和深水地平线号漏油事故(BP漏油事故)而面临极端的批评。然而，与其他造成全球排放的行业相比，航运业在自愿改变燃料方面的真正努力是值得称赞的(Williams, 2010)。航运业正在努力控制温室气体排放，提高成本和能源效益。绿色船舶的概念要求探索和实施船舶上的实践/技术，以提高能源效率和减少排放。船舶运营是一个重要的领域，具有提高成本和能源效益的巨大潜力。
本文对绿色船舶的操作方案进行了全面的综述。介绍了国际海事组织(IMO)的能效操作指标(EEOI)，并详细讨论了绿色船舶的基本概念、原则和操作选择的潜力。作者还评论了一些因素，如入职前的学历、在职培训和船员通过操作手段了解和实施改进以提高船舶效率的动机。此外，还提出了解决这些挑战的办法。在展望绿色船舶的未来时，作者还讨论了航运业监管机构的作用。
2能效运行指标
国际海事组织能源效率业务指标(EEOI)为a
自愿指标，以衡量运作的能源效率。
其目标是通过基准测试和与行业领先做法的比较来衡量。现有船舶的运营效率是根据每次航程来衡量的吨CO2 /吨times;海里 ，吨CO2 /集装箱times;海里,或吨CO2 /人times;海里。温室气体中的样本数据从国际海事组织(IMO)指南中的模块见表1。燃料消耗数据，货物数量，航次距离是用来计算二氧化碳排放量和航程的索引如图4所示(国际海事组织，2009)。
逐航次数
图4逐航次CO2指数
3可操作选项
1.1准时到达
准时到达会引起潮汐、拥挤和到达窗口考虑避免等待时间在端口(绿色et,2008)。船只通常快速地航行到一个港口，然后花很长时间等待泊位。这导致了船舶在港口等待停泊时排放的废气。的解决这个问题的关键在于良好的早期沟通与下一个港口，以确保泊位的可用性和最大在航行中使用最佳速度。研究显示准时到达可以减少1到5的排放。
1.2最小进港时间
通过高效的货物装卸、系泊、靠泊和锚泊，可以减少港口周转时间(Buhaug et al.， 2009;Skjoslash;lsvik et al ., 2000)。通过高效的货物装卸在港口节省的时间可以节省燃料并减少1%-5%的温室气体排放。同样，高效的系泊、靠泊和锚泊所节省的时间可以节省燃料并减少1%-2%的温室气体排放(Cooper, 2003)。
1.3最佳天气航线
天气路由包括避免天气条件，将导致船舶燃烧更多的燃料。更少的燃料消耗意味着更低的排放，更好的经济运行，更好的成本和能源效益(Buhaug et al.， 2009;Ballou等人，2008)。天气航线是由先进的计算机完成的，它结合了来自船舶雷达、天气预报和航行计划的数据，为船舶建议最佳航线。
|
HFO /t |
LNG /t |
MDO /t |
Cargo Unit |
Distance /miles |
CO2 Emissions |
Voyage index |
||
|
44.46 |
hellip; |
2 |
475.2 |
967 |
145 |
315 |
||
|
108.78 |
hellip; |
0.8 |
1051.2 |
1 861 |
341 |
174 |
图5恶劣天气决策支持
天气路由的优点是不需要重新修改，这意味着更低的成本和在实现过程中节省更多的时间。挑战在于投资开发更先进的计算机系统，以优化天气预报、招聘和人员培训。然而，有效的天气路由将导致更好的燃料利用，从而节约成本。如果不超过上述设备和人员的投资，预计节省的费用将相等。研究表明，天气路由可以减少高达4%的温室气体排放(Hearn和Wright, 1999)。
3.4 减速航运
通过操作措施来降低燃料消耗的最有效方法是慢速航行(Corbett et al.， 2009;Cariou, 2011)。慢蒸的好处是不需要改造就可以很容易地实现;与24或25千牛顿相比，在20千牛顿或以下巡航可节省大量成本并减少二氧化碳排放。研究表明，慢速航行可以使二氧化碳排放量减少70%，而速度只有一半。近年来，慢速航行或减速已成为航运业的普遍做法。它大大减少了业务费用，特别是集装箱船的业务费用。慢速航行的基础是船壳阻力随速度成指数增长。因此，即使是很小的速度降低也会大大降低所需的功率。由于船舶排放的二氧化碳量与船舶所消耗的燃料量成正比，因此减少所需动力将减少燃料消耗并减少排放。
速度和燃料消耗与第三次幂函数有关，因此速度降低10%，单位时间的燃料消耗和排放就会减少27%。然而，速度降低将增加港口之间的过境时间，速度降低10%将增加过境时间11%。考虑到速度的降低、燃料消耗的减少和运输时间的增加，10%的速度降低的净结果是燃料消耗和排放减少19%。速度的降低也需要更多的船只来运输相同数量的货物。2009年，大约有10%的集装箱运输能力没有得到利用。据报道，慢速航行已经使大约100艘船开始工作。这可以进一步利用，因为更多的运营商选择放慢未来的航行(Faber等，2010)。
3.5调整优化
近年来，修剪优化获得了巨大的动力。燃油最优纵倾是位移/吃水和速度的函数，如图6所示。现代船舶设计趋势要求基于模型试验和广泛验证的计算流体动力学(CFD)结果为特定船舶建立一个综合的水动力学知识数据库。这个数据库可由简单的计算机软件加以利用。船员只需输入排水量、平均速度和平均水深。该软件将建议最省油的修剪与节省甚至龙骨条件(博德等人，2002;汉森和弗洛伊德，2010)。
SeaTrim是修剪优化软件的基础上，模型测试结果的多个组合的速度，吃水，修剪大矩阵。SeaTrend是一款利用船舶运行数据进行性能监控的软件。SeaTrim amp; SeaTrend已经安装在六艘l级化学油轮上，由北欧油轮拥有和操作。该项目旨在展示这些工具的能力，以指导船员的最佳修剪(Schack, 2010)。
图6船舶纵倾优化
3.6自动驾驶
航向稳定性差是偏航运动的基础，从而增加了燃油消耗。自动驾驶系统帮助船只保持航向。现代的自动驾驶仪具有自调节和自适应功能。
自动驾驶仪的使用通过控制偏离预定航线的漂移，减少所需的功率，减少舵的使用，以减少功耗和增加阻力(福森，1994;Nikitakos和Fikaris, 2009;勒,2000;阮,2004)。自动驾驶仪可以减少1%-5%的燃料消耗，也可以减少温室气体排放(Wartsila, 2008)。挑战在于对所有航线和操作区域的自动驾驶仪自适应性能进行持续改进的投资，这完全值得使用自动驾驶仪可能获得的经济和环境收益。
3.7船队管理
船队管理是通过作业措施提高效率的有效途径。原则是利用手头的一切资产，并确保没有船只在满负荷情况下运作。车队管理的优化将减少燃料消耗，从而减少排放。拨给不必要资源的资金也妨碍了对进展至关重要的研究预算。如上所述，研究表明，2009年约有10%的集装箱运力未被使用。这些船舶的使用对于优化燃料节约和减少排放至关重要(Buhaug et al.， 2009;Safarianova等，2011)。
3.8货物管理
物管理是通过操作措施提高效率的有效途径。货物管理是基于船舶储存货物的原则，这样在访问港口时可以优化装卸。近40年来，货运管理一直是人们关注的焦点。然而，改善货物管理的能力仍然存在，因为港口数量的增加，更多的船舶参与过境(小型船舶和驳船转移货物从航道以外的地区到岸上)，和货物种类的增加(徐和谢淑英，2007;Broslash;nmo et al ., 2010)。
3.9压载优化
压载是一种常用的策略，以平衡龙骨和获得所需的修剪。然而，压载方法经常被滥用，导致燃油消耗增加，由于不必要的压载水重量。因此，只有在必要时才应使用压载，并应仔细规划。研究表明，最小压载可以减少0.11%的燃料消耗。国际海事组织正在改善过程和适当的实施压载利用其全部潜力(Skjoslash;lsvik et
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