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船舶动力系统生命周期比较评估
文章历史
2016年5月16日收到
2016年8月2日收到修订版
接受日期：2016年9月2日，
在线发布日期：2016年9月15日
关键词
比较生命周期评价
环境影响
船舶动力系统
货船
相对贡献
燃料消耗
摘要
尽管人们对先进的船舶动力系统越来越感兴趣，但由于不确定哪种配置更环保，知识差距仍然存在。以传统系统为参考，比较生命周期评估（LCA）研究旨在比较和验证先进船舶电力系统的环境效益，即采用新兴技术的改造和新建系统。为了估计每个系统造成的环境影响，采用了自下而上的综合系统方法，即使用GaBi、优化的操作剖面和从各种来源标准化的输入数据，为各个组件开发LCA模型。采用CML2001、ILCD和Eco-Indicator99方法对生命周期评价模型进行评价。将先进系统的估计值与参考系统的估计值进行了比较。库存分析结果表明，改造和新建系统在运行过程中消耗的燃料更少（分别为8.28%和29.7%），排放量更少（分别为5.2-16.6%和29.7-55.5%），而在制造、拆卸和寿命结束过程中消耗的资源更多。对于与全球变暖、酸化、富营养化、光化学臭氧生成和PM/呼吸无机健康问题相关的14个影响类别，通过改造（2.7–6.6%）和新建系统（35.7–50.7%）降低了LCIA的结果。改造系统的LCIA结果在生态毒性（1-8%）、资源消耗（1-2%）和化石燃料消耗（17.7-161.9%）方面增加。生态毒性（90-93.9%）和化石燃料消耗（391.3%）的新建设系统显示出更大的增长幅度，因为处理了额外的废料。对于改造系统而言，重要部件对环境影响的相对贡献仍然很大（即，所有影响类别的贡献率都超过84%），对于新建系统而言，这一贡献更为突出（18次影响的贡献率约为99%）。对于改造和新建系统，燃料消耗量的变化分别为plusmn;10%和plusmn;20%，（i）生态毒性和土地利用率决不是变化的，（ii）化石燃料消耗量为CML2001评估的0.95-1.50和4.81-5.01倍（或生态指标99评估的0.95-1.50和5.12-5.32倍）；以及（iii）其余影响类别分别为0.65-1.37和0.34-0.92倍。新的构建系统在18个影响类别中显示出最大的缓解潜力。改造系统比参考系统更环保。在减轻环境负担的同时，适当的生命周期管理是避免负担转移的保证
2016 The Authors. Published by Elsevier Ltd. Thisis an open access article under the CC BY license (http:// creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
1. 介绍
海运使80%以上的国际贸易[1]得以进行，但代价是排放大量的排放物。例如，据估计，2012年海运业分别排放了938 Tg的全球二氧化碳（CO2）和961 Tg的二氧化碳当量温室气体（GHG）。尽管它只占全球排放量的2.1-2.2%，但它提出了一个持久的问题，因为这些数字可能被低估[3]，更严重的是，2050年比2007年增加了250%[4]。因此，《国际防止船舶污染公约》（MARPOL）附件六《防止船舶空气污染条例》（其中包括18项适用于燃料的条例，包括波罗的海、北海、北美和加勒比海）。如第4条所示，船舶有义务通过改用低硫燃料或采用替代技术来达到临界值。此外，自2013年以来，新船舶能效设计指数（EEDI）的测量和所有船舶能效管理计划（SEEMP）的实施已成为强制性的，这对海运业提出了挑战。
指定用于这些排放的出口信贷机构包括波罗的海、北海、北美和加 勒比海。船只必须通过改用低硫燃料来达到临界值或采用法规中规定的替代技术四。此外，能源效率设计指标（EEDI）的测量新船与船舶节能的实施所有船舶的管理计划（SEEMP）已成为强制性的。自2013年以来[5]——这给海运业带来了挑战。
如图1所示，集装箱船、油轮、液化天然气运输船、散货船、客货船（如滚装/滚装船）和滚装客船（RoPax）是货船类别的常见例子。货船上的电力系统提供主电源和辅助电源。前者使船舶能够推进，后者为船舶服务提供电力，例如供暖、制冷、淡水、照明、通风和水泵。电力系统在类型和设计方面，因船而异[6]。其中包括柴油机、汽轮机机械、核动力汽轮机机械、燃气轮机电气、柴油机电气、全电力（也称为全电力、综合电力或综合全电力）、联合系统和混合系统。机械系统是货船的传统设计，动力是由不同的原动机分别产生的。传统上使用的原动机包括柴油、燃气和双燃料发动机、蒸汽和燃气轮机以及核反应堆。对于大多数货船来说，柴油机的应用最为广泛。蒸汽轮机主要用于液化天然气船上。其他原动机类型在货船上的应用相对有限，但在其他船型上更为普遍。例如，燃气轮机通常用于军舰的联合动力系统，而核动力则主要用于军舰和破冰船。人们对所有电力系统的兴趣不断增长，电力系统根据电力需求产生三相电力，以实现最佳性能，同时向推进驱动装置和所有辅助设备供电[7]。所有电力系统都涉及交流（AC）和/或直流（DC）配电。当考虑交流配电系统（更常见）时，全电力系统通常由原动机、同步发电机、开关设备、变压器、电力电子转换器、电动机和螺旋桨组成。用于全电力系统的原动机可以是各种尺寸的传统推进技术，包括内燃机[8]、燃气轮机[9]或柴油机与燃气轮机[10]。同步发电机将与原动机耦合并由原动机提供动力，以产生交流电[8]，然后由变压器进行调整，并由转换器进行转换，然后（i）由电动机驱动螺旋桨，以及（ii）用于辅助设备和酒店负荷。为了获得最佳的功率输出，对原动机和电动机的速度进行了战略控制。全电力系统是基于需求的，因为不同的（而且只有必要的）原动机将有选择地运行以获得最佳效率[7]。
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图1。采用[11]中某些船舶的一般结构. |
迄今为止，海运研究的重点是能源消耗和/或排放、船用柴油机、业务战略、提高效率的创新技术、替代系统设计以及与决策、经济和立法有关的其他战略。例如，排放量与航行模式[12]、船舶类型和尺寸[13]、废气成分[14]、船舶燃料燃烧释放的能量和排放量[15]以及可用于估算的方法[16]之间的关系已经过研究。重点研究船用柴油机的维护保养[17]、喷射压力[18]、增压空气温度和压力[19]。在操作策略方面，现有研究分析了航行速度优化[20]、相关分类和参数[21]、港口等待时间[22]和考虑这些因素的能源效率[23]。重点研究创新技术，包括但不限于通过柴油机采用蒸汽和有机朗肯联合循环回收余热[24]，将燃料电池集成到船舶电力系统中[4]，并与其他替代方案进行比较[25]，海上应用的光伏（PV）系统[26]，风力使用牵引风筝、Flettner旋翼或硬帆进行推进[27,28]、船舶在港口时用于岸上供电的冷熨烫[29,30]和用于混合推进系统的电池[31]。替代系统设计的研究实例包括[32,33]回顾了大型船舶燃气轮机和蒸汽轮机联合循环的使用情况，以及[34]研究了液化天然气（LNG）运输船的汽化气体再液化系统。其他支持工具包括提高效率的框架[35]和燃料来源与技术之间的权衡分析[36]、以最佳速度和最低成本管理燃料库的算法[37]以及立法考虑[38]等等。由于创新技术的出现，船舶动力系统设计不再局限于常规配置，即大多数货船的柴油机机械系统和液化天然气船的汽轮机机械系统。为符合《防污公约》，船东在选择设计时已开始考虑船舶动力系统的环境性能。因此，生命周期评估（LCA）已应用于海洋环境，从环境角度审查海洋运输。国际标准化组织（ISO）制定了生命周期评价的国际标准。这些标准被称为ISO 14040和14044[39,40]，定义了进行生命周期评价研究所涉及的基本原则和要求。4个迭代生命周期评价阶段包括目标和范围定义、生命周期清单分析（LCI）、生命周期影响评价（LCIA）和生命周期解释。生命周期评价研究的目标应该说明为什么，为谁，为什么，是否。要做到这一点，可以明确界定进行研究的原因、目标受众、预期的应用以及将研究结果用于比较断言并向公众披露的任何计划。研究的范围应界定要研究什么、采用什么方法或方法以及要满足什么要求。其中包括产品系统、功能、功能单元、参考流、系统边界、分配、假设、数据质量、影响类别、LCIA方法、限制、关键评审（如有）和报告格式。只有当系统基于定义的参考流和公共功能单元交付相同的功能时，才能对替代产品系统进行比较。在生命周期分析期间，从各种来源将定义的生命周期阶段所涉及的材料、能量流和产品汇编为输入和输出流。在必要时，随着任务的进行，我们做出了假设。关于LCIA，ISO 14040和14044分别将选择、分类和特征化以及标准化、分组和加权确定为强制性和可选LCIA元素。在选择过程中，选择了国际公认的、与研究产品系统相关的影响类别、类别指标和特征模型。随后进行分类，将LCI结果分配给适当的影响类别。各影响类别的类别指标结果（也称为LCIA结果）通过特征化进行估算。指标结果是LCI结果和特征因子的聚合产物。或者，进行标准化，将类别指标结果与参考值进行比较。如果根据定义的标准组织影响类别，则涉及分组。当从价值选择中导出权重因子并应用于指标结果或标准化结果时，应用权重，其中产品被汇总以呈现所有影响类别的总分。在生命周期解释过程中，对LCI和LCIA结果进行分析，以确定重大问题，然后在得出结论和提出建议之前，对研究的一致性和完整性以及结果的敏感性进行评估。 关于海洋环境中的生命周期评价应用，所探讨的范围包括软件[41-45]、航运[46-49]、海洋燃料[50,51]、减排方案[52]、船舶产生的废物[53]、电力技术[54-56]、海洋电力系统[57,58]和生命周期评价框架[59,60]。该软件旨在估算设计期间船舶运行的生命周期负担[41]，协助开发生命周期清单[42]和生命周期评价方法[43]，提供与环境影响评估[44]相结合的生态设计工具，并允许进行环境、经济和安全评估[45]。介绍了船舶环境影响评价的研究基础（包括系统边界和方法）[46]以及环境报告的趋势和要求[47]。此外，在设计阶段对船舶的环境影响进行了评估，但没有进行详细的生命周期评价[48]，而由钢和聚合物复合材料制成的两个渡轮的影响分别由[49]估算。在船用燃料方面，比较了采用/不采用减排技术的重质燃料油（HFO）、船用天然气油（MGO）、液化天然气（GTL）和液化天然气（LNG）。随后对生物燃料进行了研究，包括菜籽甲酯（RME）、生物量液化（BTL）、液化沼气（LBG）和液化生物甲烷（LB-CH4）[51]。关于海洋排放减排方案，研究了开环海水洗涤器、闭环淡水/氢氧化钠洗涤器和干式洗涤器[52]。还对用于处理舱底水、废水、固体废物和厨房废物的陆上装置进行了评估[53]。将传统柴油机与低硫燃料运行的熔融碳酸盐燃料电池[54]、甲醇运行的固体氧化物燃料电池[56]、熔融碳酸盐燃料电池和燃气发动机[55]分别进行了比较。分别报告了改造传统系统的环境效益[57]和新建系统的环境影响[58]。还介绍了LCA框架，该框架侧重于船体、发动机和锅炉[59]和船舶光伏系统[60]造成的船舶排放。
考虑到货船类型、燃料类型和航行剖面的多样性，以往的生命周期评价研究相对有限。特别是，在[57,58]中评估的电力系统分别限于改造系统和新建系统。尽管人们对先进的电力系统越来越感兴趣，以提高可持续性，但在一项研究中，还没有对将创新技术纳入改造和新建电力系统的环境效益进行比较。不确定哪个电力系统更环保，因此存在知识差距。本研究旨在通过比较生命周期评价研究中从环境角度与参考系统的比较，验证先进电力系统的效益。比较两种动力系统的LCI和LCIA结果，研究重要部件的相对贡献和燃油消耗量的影响。
2.方法
由于LCA案例研究涉及大量的系统边界，因此采用了自下而上的集成系统方法。进行这项比较生命周期评价研究的原因是，当与参考系统进行比较时，验证选定的船舶电力系统的环境性能。目标受众包括但不限于海事利益相关者，特别是船东、运营商、决策者和生命周期评价从业人员。其应用是证明采用创新的电力系统是一种可持续的办法，以减轻海洋运输的环境负担，并进一步协助海洋利益攸关方作出决策。基于这些发现，本研究旨在通过期刊出版向公众展示比较论断。
本文选择了一艘欧洲滚装货船上现有的常规动力系统作为对比研究的参考系统。正在研究的系统的设计如图2所示，各部件的详细信息如表1所示。常规系统由4台主柴油机组成，分别与2台齿轮箱相连，驱动2台螺旋桨，另外还有2台轴流发电机、2台弓形推进器、2台热油锅炉和2台节电器。为推进目的，在2007年11月实施SOx管制之前，船舶在海上过境时，通过燃烧
HFO和船舶燃料油（MDO）0.5-1小时，在进出港口之前和之后，连续以恒定速度运行2台柴油发动机；以及（ii）在实施之后，通过燃烧所有MDO。每一个船首推进器都由一个内置的马达来操纵。当船舶在港口和海上时，650千瓦和850千瓦的辅助功率需求分别通过运行辅助发电机（一台以类似于柴油机的方式燃烧HFO和MDO，另一台仅燃烧MDO）
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