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最先进的技术，措施和减少航运温室气体排放的潜力
Evert A. Bouman a,uArr;, Elizabeth Lindstad b, Agathe I. Rialland b, Anders H. Stroslash;mman a
a Industrial Ecology Programme and Department of Energy and Process Engineering, Norwegian University of Science and Technology (NTNU), NO-7491 Trondheim, Norway
b SINTEF Ocean AS (MARINTEK), NO-7450 Trondheim, Norway
关键词：海洋运输、运输和环境温室气体、减少选择、减排量
摘要：海上运输产生的二氧化碳排放约占年度人为温室气体（GHG）排放量的3％。假设世界贸易量增加两倍，这些排放量在2050年将增加150％，而实现1.5-2℃的气候目标要求所有经济部门的温室气体净排放量为零。因此，海事部门正面临着大幅减少温室气体排放的挑战，因为这有助于限制气候变化影响的国际愿景。
本文介绍了大约150项研究的审查结果，以全面概述文献中公布的二氧化碳减排潜力和措施。 它旨在确定最有希望的领域，即技术和操作实践，并量化综合减缓潜力。 结果显示，在所评估的研究中，报告的二氧化碳减排潜力存在显着差异。 此外，没有一项措施足以实现有意义的温室气体减排。 根据现有技术，到2050年，如果政策和法规侧重于实现这些减排，则可通过综合措施将排放量减少75％以上。 就运输的每个货运单位的排放量而言，可以将排放量减少4-6倍。
0.简介
几个世纪以来，海上运输一直是国家，地区和大陆之间贸易的主要推动者。 最近，随着贸易自由化，电信和国际标准化，它一直是全球化的关键推动因素（Hoffmann和Kumar，2002）。 在过去40年中，海运已经增长了250％，增长速度与全球国内生产总值（GDP）相同，并且增长速度超过能源消耗（170％）和全球人口（90％）Eskeland和Lindstad， 2016年。从全球货运方面来看，与公路和航空运输相比，航运被认为是一种节能的运输工具，因为其运输能力大，每吨运输油耗低。
根据国际海事组织（IMO）的第三次温室气体研究（GHG），2012年航运排放了938百万吨二氧化碳，占全球人为二氧化碳排放量的2.6％。与2007年排放的1100万吨二氧化碳（全球排放量的3.5％）相比，这是一个减少，可归因于船舶尺寸的增加和运行速度的降低（Lindstad等，2015a; Smith等，2014）。尽管有这种改善，但在一切照旧的情况下，世界贸易增加了三倍，并且没有采取进一步的缓解措施，预计未来的排放量将在2012-2050年期间增加150-250％（Buhaug等，。2009）。这些排放增长前景与到2100年达到远低于2℃的气候目标所需的相反（IPCC，2007）。到本世纪下半叶，全球温室气体排放量必须降至零净值，甚至进一步降至所有部门的负值。每个部门所需的脱碳水平取决于所谓的负排放技术和措施的广泛采用，例如二氧化碳捕获和储存以及植树造林的生物能源，以平衡不可避免的正排放源。但是，负面排放技术的持续和广泛部署目前尚未达到规定的规模。因此，其他部门需要在负排放技术可能无法大规模发挥作用的前提下进行脱碳（Anderson和Peters，2016）。
调整航运排放与国际气候变化承诺的一种方法是将航运部门视为一个主权国家，使其对排放预算做出公平和相称的贡献。 按照这种方法，到2050年必须至少减少85％（Anderson和Bows，2012）。 这意味着即使在无增长的情况下，每单位货运的二氧化碳排放量也必须从每吨海里约25至4克二氧化碳减少，即减少五至六倍（林德斯塔德） ，2013）。
之前对航运中减排措施的研究表明，无论是零成本还是净成本节约，都可以以具有成本效益的方式提高能源效率并减少排放（Lindstad等，2015a; Buhaug等，2009） ; Faber等，2009,2011; Alvik等，2010）。有两种主要类型的研究：（i）估算全球航运业总体二氧化碳减排改善潜力的研究（例如Buhaug等，2009; Lindstad，2013; Alvik等，2010），以及（ii） ）那些一起调查一个或一小部分措施的人（例如Gilbert等，2014）。第一种类型提供监督，第二种类型能够提供更详细的估计并考虑到不同的应用背景，例如速度及其对排放的影响的研究（Corbett等，2009; Lindstad等， 2011;Peacute;lerin等，2010）。与燃料效率，温室气体减排以及控制空气排放政策相关的工业研究和发展计划（Lindstad，2013; Kontovas和Psaraftis，2016; Psaraftis，2016; Eide等，2013a）已经达到了高水平整个海事部门的知识，意识和业务调整（Dnv，2014）。然而，能源和温室气体减排措施的（理论上）最大潜力的量化因实施的组织，技术，经济和政治障碍而变得复杂（Jafarzadeh和Utne，2014; Tillig等，2015; Rojon和Dieperink，2014; ），以及不同船型和/或年龄的措施适用性的变化（Eide等，2013a，2013b; Tillig等，2015; Franc，2014; Lin，2012; Guerra和Jenssen，2014）。虽然有关于提供缓解措施和运输方案的概述研究（例如Buhaug等人（2009年）），但科学文献中的综合评论很少。
本研究的动机是全面概述文献中公布的二氧化碳减排潜力和措施。 我们的目标是确定最有希望的措施，即技术和操作实践，并量化其减缓潜力。 我们非常清楚其他污染物的重要性，它们对健康和气候的影响，以及在评估减排措施时考虑不止一种排放的必要性（Eide等，2013b; Lindstad等，2016a，2015B）。 例如，虽然液化天然气燃烧产生的二氧化碳排放量低于氢氟烯烃燃烧产生的排放量，但在加油过程中或由于发动机滑移而产生的甲烷（一种强效温室气体）的逸散性排放会抑制温室气体减排潜力。 然而，为了能够利用通常不考虑其他温室气体的最大文献，我们选择将重点放在减少二氧化碳排放的措施上，作为温室气体减排的代表。
在本研究中，我们确定了减排潜力最大的区域，作为推动低碳航运发展的指南。 在第2节中，我们描述了所采用的方法。 第3.1节介绍了基于研究的二氧化碳减排潜力，重点是车队水平可实现的减排。 我们提出了通过研究确定的减排潜力，重点是3.2节中的具体措施。 随后，我们讨论了有关缓解潜力的结果和最有希望的领域，以及审查文献中的不确定性和差距。 此外，我们还讨论了采用更全面的方法的必要性，其中包括在评估替代减排方案和技术时对所有废气的气候变化的净贡献。
1.方法
基于对已发布的航运能效和温室气体排放研究的全面检索和分析，我们对先前的燃料和二氧化碳减排措施研究进行了系统评估。 审查的重点是报告的结果，而不是所使用的方法。 选择研究的依据是对该研究通过不同方法估算运输中二氧化碳减排潜力的相关性进行定性评估。
我们通过调查2009年发布的IMO第二次温室气体研究（Buhaug等，2009）后发表的研究来限制范围，该研究提供了第一个最完整的减排潜力概述，并作为许多类似研究的主要参考。 （Smith等人，2014; Faber等人，2011,2010; Eide等人，2013a; Wang等人，2010）。为了系统地搜索，分析和分类以前的研究结果，我们广泛搜索包含搜索术语组合的文献：船舶能效，运输的温室气体或二氧化碳排放，以及船舶性能，设计，或操作。通过审查标题和摘要，我们根据与审查目的的相关性筛选结果。我们根据以下内容对出版物进行了分类：出版物类型，主要和次要焦点（例如燃料效率，减少二氧化碳排放，其他温室气体），确定潜力的范围（最大可实现潜力或个别措施的潜力），潜力的性质确定（定量或定性），以及措施的类型（例如技术，操作）。所有关于减排潜力估算的数据（以燃料效率，CO2或CO2减少量表示）均已登记，或根据研究中的证据计算。此外，我们还发现了一些文章，提供了更多关于航运排放和能源效率的文章，但没有减少潜力的定量估算。
文献综述收集了大约150项研究。 其中六十（60）项研究提供了二氧化碳减排潜力的定量估算，其中十四（14）项涵盖了全球或区域船队层面的最大减排潜力，如表1所示，其余部分侧重于一项或几项个别措施。 其余的研究提供了定性的补充见解。
2.结果
最大限度地降低运输中的二氧化碳排放量
本节介绍了在给定时间范围内采用现有措施的重点是车队可实现的减排量的研究结果。航运可能减排的主要研究是2009年的第二次IMO温室气体研究（Buhaug等，2009），用于对个别减排措施或船队发展情景的潜在估计进行后续研究。 2009年后评估温室气体排放的全球和大规模减排潜力的努力由几项SNAME和IMAREST调查以及DNV（现为DNV GL）Alvik等人，2010年开展的研究引发; Eide等，2013a。，2013b; Eide等，2011; Hoffmann等人，2012年。此外，由欧洲委员会气候行动总局资助的两项研究为最先进的技术提供了有价值的投入，并为减少欧洲航运排放的潜力提供了见解（Lindstad等， 2015a; Kollamthodi等，2013）。
基于缓解措施的评论（Lindstad等，2015a; Buhaug等，2009; Alvik等，2010; Faber等，2011; Tillig等，2015; EMEC，2010; CNSS，2011） ，以及正在进行的工业项目和内部知识，选择了六组具有高缓解潜力的措施，并用于对所选研究进行分类和比较。这六个主要群体是：船体设计;规模经济;动力和推进力（包括节能装置）;速度;燃料和替代能源;天气路线和日程安排。船体设计涵盖了与船体尺寸，形状和重量相关的方面，这有助于改善流体动力性能并最小化阻力。规模经济是减少排放的另一种方法，因为较大的船舶和货物往往更加节能。通常，当载货能力加倍时，所需的动力和燃料消耗增加约三分之二，从而减少每个货运单位的燃料消耗。动力和推进包括动力系统和机械设计，混合动力解决方案，更高的推进效率，废热回收，以及通过风筝和风帆等节能设备降低车载电力需求。混合动力系统能够有效地利用各种能源，例如将电池与内燃机组合以利用每种技术中的最佳技术，即电池可用作缓冲器以覆盖峰值功率要求并避免内燃机的低功率操作。速度与船舶的运行速度及其设计速度有关。传统上，船舶通常设计成以其流体动力学边界速度运行，即对于给定船体，阻力曲线随着速度增加而开始快速上升的速度。由于功率要求与速度和阻力的乘积成正比，这意味着当船舶降低其速度时，燃料消耗减少，并且当船舶降低边界区域的速度时实现最大的燃料减少。燃料和替代能源涵盖了用替代能源载体替代或补充船用燃料HFO-MGO的所有方面。通过直接和整个燃料循环（包括生产，精炼和分配）转换为总排放量较低的燃料，可以减少二氧化碳的排放。例如LNG和生物燃料。氢气正在受到越来越多的关注，以及风能和太阳能等可再生能源。天气路线和调度包括找到最佳航行路线和速度，考虑当前，波浪和天气条件，并根据合同协议或公布的时间表交付，以最大限度地减少阻力和燃料消耗。
表1显示了船队水平相对于每项个别研究的BAU排放估算的潜在二氧化碳减排量。 第一栏给出了研究的参考; 第二种应用方法; 第三是覆盖范围; 以下六列用于调查的测量，其中x表示该测量已包括在研究中。 然后从第10列开始：使用燃料价格; 车队参考年份; 情景的最后一年; BAU在最后一年的排放量; 确定了最后一年车队水平的二氧化碳减排潜力，相对于最后一年的BAU排放量。 此外，表1包括所有研究中BAU排放估算的中值以及最小和最大估算的CO2减排潜力。
表1的主要观察结果是：减排的最大潜力从20％扩大到77％，不包括核电作为替代能源。 当将核电作为替代电源时，最大降低潜力达到95％（Eide等，2013a）。 2020年，2030年和2050年的中位数减少率分别为35％，39％和73％。 减少潜力的最高范围见于2050年估计值，58-77％（Buhaug等，2009; Lindstad，2013; Eide等，2013a），反映了采取减排措施所需的时间。 除核替代方案外，2050年的数据与第二次IMO研究估计的最大潜力一致（Buhaug等，2009）。
有几个因素似乎以不同的方式影响估计的减少潜力。 首先，研究中包含的测量数量和类型直接影响最大潜在减少量。 此外，重要的是要记住，并非所有减少措施都是可添加的并且可以同时应用。 其次，对于各项研究的比较，措施的分类和整合具有挑战性。 即使在包括相同测量集的研究中，我们也观察到估计还原电位的变化。 第三，基准年和基线排放（2020年，2030年和2050年）影响潜在减排量。 时间越早，估计的改进潜力越大，2020年，2030年和2050年的范围分别为33-48％，30-56％和58-95％。
最后一列中给出的燃料成本对减排的总最大（技术）潜力没有直接影响，而是对成本效益潜力和无后悔潜力的计算没有直接影响。 此外，燃料价格通常是更经济导向的未来情景中燃料选择的决定因素（Lindstad等，2015a; Kesicki和Strachan，2011）。 表1显示了燃料价格的巨大变化，特别是对于最近的研究（Lindstad等，2015a; Eide等，2013a），强调评估能源价格波动的重要性，以确定其对投资决策的影响 减轻措施和改变成本效益措施的门槛。
表1中列出的研究中可用的年度车队范围内的二氧化碳排放估算如图1所示。对于审查研究中报告的每种情景，绘制了BAU排放以及低排放和高排放估算。 为了提高清晰度，我们对BAU和减少情景的低排放和高排放估计之间的区域进行了阴影处理，并
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