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船舶尺寸对大型集装箱船EEDI要求的影响
Nikola Vladimir bull; Ivica Ancic bull; Ante Sestan
摘要：
能效设计指数（EEDI）是国际海事组织（IMO）为提高船舶能效而引入的技术措施。必须为每艘新船计算船舶的获得EEDI，并且要低于EEDI参考线确定的所需EEDI，该参考线代表某种船型的世界船队平均值以及适当的减少系数。如今正在建造超大型集装箱船（ULCS），目前，在集装箱船的EEDI要求中没有考虑到它们。因此，在大多数情况下，它使现有的EEDI标准与ULCS的设计相对无关。本文详细阐述了船舶尺寸对大型集装箱船EEDI要求的影响。解决了几个重要问题：使用IHS Fairplay数据库中提供的新ULCS数据更新现有基线公式; 根据船舶容量和速度，将EEDI参考线扩展到集装箱船的EEDI参考面;建立EEDI计算中使用的载重量与TEU中测量的实际船舶容量之间的关系，从而在整个集装箱船设计过程中实现更实用的数据处理。
关键词：能效设计指数 能源效率 集装箱船 参考线 参考面 船舶容量
一．绪论
如今，船舶能源效率和对环境的一般关注成为几乎所有类型商船的整体设计和开发中非常重要的问题。船舶运输具有许多优点，可以被认为是运输大量货物的最便宜和最节能的方式。然而，在2012年，全球航运排放了大约10.16亿吨二氧化碳，占全球二氧化碳排放量的近3.1％[1]。 如果不采取行动，根据参考文献[1]，到2050年，这些排放预计将从2012年的水平增加50-250％。此外，这些排放与燃料消耗以及其他向大气的排放高度相关（NOX，SOX和PM10）。
该问题得到了海洋环境保护委员会（MEPC）的认可，因此在第62届会议上通过了MEPC.203（62）号决议[2]，其中包括MARPOL附则VI的修正案。它引入了新的第4章，特别旨在通过一系列技术性能标准来提高船舶的能效。该修正案于2013年1月1日生效，要求每艘船舶必须拥有国际能源效率（IEE）证书。为了获得IEE证书，船舶必须符合能效设计指数（EEDI）和船舶能效管理计划（SEEMP）的要求。对于所有400GT及以上从事国际航运的船舶，所有新船和SEEMP都必须使用EEDI。 对于每艘新船，所获得的EEDI必须计算并且不高于所要求的EEDI，而SEEMP必须根据指南为船舶开发并保留在船上[2]。EEDI和SEEMP分别代表了减少船舶二氧化碳排放的技术和操作措施，MEPC还采用了相关法规，确保其顺利统一的实施[3,4]。
尽管如此，最近的一些出版物还是讨论了当前监管框架的不同弱点和实际执行中的困难，例如[5-8]。此外，有迹象表明，由于国际海运贸易的预计增长，仅靠采用的技术和业务措施无法实现绝对减排[9]。史蒂文斯等人讨论了新的排放法规是否会刺激可持续节能海事技术的实施[10]。他们建立了一个允许链接不同国家的不同排放立法举措的框架以及可用于遵守法律的技术节能解决方案，并在此框架的基础上得出结论，EEDI首先不会刺激引进新的船舶发动机技术，也不会使用替代燃料，而是使航运公司订购设计航速降低的船舶。相反，SEEMP使公司转向双燃料发动机系统，而不是完全转向替代能源系统。调查结果与政策制定者和航运公司都有关。此外，Ancic等人考虑与滚装客船的EEDI计算相关的问题，并确定了两个主要问题[11]：即如何定义计算获得的EEDI的设计条件；以及如何通过引入参考线来比较不同的船只，该参考线目前是船舶容量的函数。Alisafaki和Papanikolaou处理了与滚装货船和滚装客船有关的船舶修正系数的替代公式[12]。Ekanem Attah和Bucknall [13]在液化天然气船的背景下分析了EEDI法规，他们发现目前的EEDI参考线不足以刺激未来液化天然气运输船设计的改进，因为目前建议在大多数未来LNG船舶订单上安装的双燃料柴油电力推进已达到符合EEDI基线的EEDI值。此外，采用新型二冲程气体喷射柴油推进系统的LNG船的EEDI值分析也显示出类似的结果。作者还讨论了对LNG船舶EEDI基准值的修正，并提出了将甲烷泄漏排放纳入当前EEDI计算的方法。除此之外，还有许多参考文献涉及不同的船舶设计和运行问题及其对EEDI和二氧化碳排放的影响，例如[14,15]。
根据上述船舶能效领域的进展，主要是由规模经济驱动，正在建造超大型集装箱船（ULCS）。集装箱船是为运输标准运输单元设计的，这种船的设计标准非常多样化。如[16]中所述，集装箱船通常是按可用货物量确定尺寸，当这些船舶被视为物流链的一部分时，时间表通常非常紧张，导致设计速度和安装的发动机功率在相同的尺寸组中有很大的差异。除了集装箱船固有的一般设计（结构，流体动力，水力结构）和运行（相对较高的运行速度）特性外，它们还从EEDI的角度采取了不同寻常的措施。也就是说，现有的超大型集装箱船的EEDI要求似乎很容易满足[5]，这不仅仅是因为它们的能源效率相对较高，而且还有不适当的EEDI基线公式的影响。
集装箱船的推进趋势意味着随着船舶尺寸的增加，获得EEDI的计算可能变得相当复杂。一般来说，ULCS由于其尺寸增大和服务速度快而耗油量大，因此主要受燃油价格的影响[17]。对于未来非常大的船舶，当以25节的速度运行时，推进功率要求被评估为接近100 MW/136000 bhp [18]。因此，研究了不同的替代方案以实现燃料油消耗的减少，例如热回收装置，即所谓的蒸汽喷射或使用燃气轮机[17]。
这些问题得到了MEPC的部分认可。当引入EEDI要求时，计划审查技术发展状况以实施能效设计指标，并在必要时修改时间段、相关船舶类型的EEDI参考线参数和减少率[19,20]。计划分两个步骤，第一步骤在第一阶段（2015年1月1日）开始，第二步骤在第二阶段中期（2022年7月1日）。第一次审议过程的结果在上届MEPC会议上提出[19]。大多数集装箱船已满足第二阶段的要求，虽然有人建议修改EEDI对集装箱船的要求，但是没有实施，部分原因是出于政治原因，部分原因是由于缺乏足够的数据[20]。
本文的目的是更多地阐明大型集装箱船的EEDI要求，特别是考虑到适当制定船舶尺寸和速度以纳入EEDI公式。本文不打算起草新规，而是提出集装箱船能效分析的结果。从这个意义上讲，IMO文件被用作进行分析的框架。
该论文分为五个部分。在下一节中，概述了分别达到和要求的EEDI的方法。 现有的EEDI基线公式更新了最近的ULCS数据，由于在第3节中详细阐述的规则建立时它们不存在而丢失。此外，EEDI参考线扩展到EEDI参考表面，从能效角度提供相同类型船舶的更准确比较。在第四部分中，考虑了集装箱船的容量及其对EEDI的影响。由于在集装箱运输业务中几乎所有的计算参数都是用单个集装箱表示的，因此讨论了EEDI背景下的类似表述。最后，第五部分总结了主要贡献和进一步研究的一些指导原则。
二．获得和所需EEDI的计算方法概述
能效设计指数由国际海事组织（IMO）通过向MEPC和温室气体工作组提交的一系列文件制定。根据收益率[4]，最近获得的EEDI计算公式如下：
(1)
方程式（1）中使用的术语下面详细说明。CFME和CFAE是燃料转换因子，其给出来自给定质量燃料燃烧的CO2的等效质量排放，其中指数ME和AE分别对应于主发动机和辅助发动机。类似地，特定燃料消耗SFC分为两类，分别与主发动机和辅助发动机相关。主发动机功率PME是以kW表示的MCR的75％，其中应减去轴发电机的输出，而辅助发动机功率PAE作为主发动机MCR的函数。小型（小于10,000 kW）和更大（超过10,000 kW）推进发动机的区别在于：
(2)
(3)
应该提到的是，额外的轴电机输入也按额定功耗的75％除以发电机效率的加权平均值给出。Vref表示当船舶在对应于指定容量的吃水下运行时的船速（在相应的装载条件的批准的稳定性小册子中定义的纵倾），而集装箱船的容量是调整为自重的70％[4]。集装箱船的容量是一个问题，在文献中，可以找到不同的近似值，例如将其调整为[5]中提出的载重量的65％。EEDI公式还采用了创新的能效技术（Peff和PAEeff）[3]，代表了与每种技术的可用性因子feff相关的机械或电力减少量。最后，校正因子fi，fj和fc分别代表容量校正，船舶特定设计元素的校正因子和立方容量校正因子，而fw表示代表性海况下速度降低的天气因素，详细解释在[4]中。
通常，EEDI公式(1)中的分子表示基于船舶系统功率需求产生的CO2的质量流量，而分母代表社会的利益。因此，EEDI以g CO2/t nm量化。
EEDI参考线是针对MARPOL附则VI第21条（要求的EEDI）适用的每种船型建立的，目的是为比较提供公平的基础，以促进更高效船舶的发展，并建立取决于船型和尺寸的新船的最低效率[21,22]。根据定义[21,22]，参考线是表示适合于定义的一组船的一组单独指标值的平均指数值的曲线，并且表示为：
(4)
其中RLV表示参考线值，b表示载重，而a和c是根据回归曲线拟合确定的参数。
选择IHS Fairplay（IHSF）数据库[23]作为标准数据库，提供参考线计算的主要输入数据，并通过一个过程过滤数据，其中丢弃偏离回归线两个以上标准偏差的数据。 然后再次应用回归以生成校正的参考线[21,22]。计算集装箱船估计指标值的公式为：
(5)
因此，在所需的EEDI评估的背景下，集装箱船和其他船型之间的主要区别在于容量表示，在前一种情况下规定为载重量的70％。
最后，如上所述，要检查所获得的EEDI是否遵循以下表达式：
(6)
其中要求的EEDI按下式计算：
(7)
根据四个阶段的船型[24]规定减速系数X（％），此处仅列出集装箱船的数值，见表1。
根据[24]，公式（4）中参数a和c，通过回归曲线拟合得到174.22和0.201。这些数量来自IHSF数据库，当时只有几艘集装箱船的容量高达15,000 TEU [23]。根据[24]生成的EEDI参考线如图1所示。如上所述，现在定期运行容量超过19,000 TEU的ULCS，而且容量约为22,000 TEU的集装箱船正在建造。这些事实意味着必须修改参数a和c，以便从EEDI的角度对集装箱船进行公平比较，这实际上是MARPOL附则VI的基本目标之一[21,22]。
表 1 相对于集装箱船的EEDI参考线，EEDI减少因子（％）
|
船舶尺寸 |
阶段 |
|||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
|
|
2013.1.1-2014.12.31 |
2015.1.1-2019.12.31 |
2020.1.1-2024.12.31 |
2025.1.1及以后 |
|
|
15000DWT及以上 |
0 |
10 |
20 |
30 |
|
10000-15000DWT |
n/ab |
0-10a |
0-20a |
0-30a |
a: 根据船舶尺寸在两个值之间进行线性插值（较小的值适用于较小的船舶尺寸）
b: 不需要EEDI
图 1 根据MEPC.203（62）而得的集装箱船的EEDI参考线 [24]
三．更新了的EEDI参考线和EEDI参考曲面
如上所述，集装箱运输的一般趋势是建造更大的集装箱船。为了证实这一说法，通过考虑[23]的数据，对1999年至2015年建造的集装箱船队进行了分析。 结果表明，近年来，已经建造了一些容量超过14,500标准箱的集装箱船，同时，交付的小型船舶（小型支线集装箱船，支线集装箱船和巴拿马型集装箱船）的数量显着减少，如图2所示。
图2 每年交付
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资料编号：[948]
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