基于綠色減排的集裝箱船替代燃料對比研究

鄭傳波,王 楠,周 旭

(南通中遠海運川崎船舶工程有限公司,江蘇 南通 226005)

0 引言

為減少溫室氣體排放對環境帶來的不利影響,國際海事組織(IMO)及各國政府對航運業制定了去碳化的要求。IMO海洋環境保護委員會(MEPC)提出了新造船的船舶能效指數(EEDI)概念,其中部分船型EEDI 第三階段已經開始適用。此外,針對船舶行業溫室氣體排放的現狀,IMO通過了初步的國際航運溫室氣體戰略,并批準了降低船舶碳排放的短期、中期和長期措施,其中短期措施包括現有船能效指數(EEXI)和船舶營運的碳排放強度(CII)的計算和認證。

為應對當前綠色減排的政策,各個船廠、設計單位及運營公司都在積極開發新技術、新方法來提高船舶的設計及營運的能效指數。叢林[1]基于CFD方法對幾種船舶節能裝置的節能效果進行了研究。李欣等[2]研究發現旋轉風筒裝置在特定的風向條件下能提升船舶能效指數。吳浩等[3]對當前船舶氣泡減阻技術進行研究。然而,廣泛采用的節能技術很難滿足航運業未來幾十年的減排要求。在替代燃料方面,學者們更側重于從燃料的特性及應用前景等方面進行研究[4-6]。為此,本文通過對推動航運業低碳化的政策法規的解讀,以大型集裝箱船為研究對象,確定了幾種未來可行的船用替代燃料,分析了不同燃料全生命周期溫室氣體的排放和節能效果,并且對比了由市場機制產生的額外成本。

1 替代燃料應用背景

1.1 IMO降低碳排放措施

自2013年1月1日EEDI強制實施以來,新造船的CO2排放量有望得到有效控制,但是目前全球船隊產生的CO2排放量中,有超過一半是由2013年1月1日以前簽訂建造合同的現有船產生的,因而為滿足IMO初步戰略要求,MEPC76會議通過了EEXI的要求,并于2023年1月1日以后正式實施。

EEXI從技術層面降低現有船的碳排放,不滿足EEXI要求的船舶將不能運營。在操作層面,通過計算CII值,對船舶進行年度評級,分為A～E級。對于連續三年被評為D級或者當年度被評為E級的船舶,目前暫時不會直接導致懲罰性后果,但是需要制定改正計劃并納入船舶能效管理計劃(SEEMP)中。雖然CII表現不佳的船仍能營運,但是勢必會影響船舶的租賃前景。

EEXI和CII是IMO提出降低碳排放的短期措施,更注重改善現有船隊的碳排放強度。因短期措施未對船舶實際營運時過高的碳排放進行明確的懲罰,并且燃料的碳排放僅考慮船上燃燒的排放,短期措施的實施效果尚需確認。為實現IMO溫室氣體戰略的目標,IMO制定了中長期措施,包括全生命周期的溫室氣體排放、替代燃料的使用和采用市場機制措施的實施。

1.2 歐盟降低碳排放的綠色新政

為推動歐盟實現到2030年碳排放相對1990年降低至55%的目標,歐盟委員會于2021年7月提出了“Fit for 55”草案。該草案對航運業的影響主要體現在將航運業納入歐盟碳交易系統(EU ETS)、FuelEU海事法規和修訂能源稅收指令等3個方面。鑒于最終的正式文件尚未發布,本文將基于2021年7月提出的“Fit for 55”草案內容進行分析。

1.2.1 航運業納入現有的歐盟碳交易系統

2023年1月1日以后,針對總噸超過5 000的貨船或客船,在歐盟區航程所產生的CO2排放需要繳納碳稅。歐盟區航程是指歐盟港口與非歐盟港口間50%航程、歐盟港口與歐盟港口之間100%航程和歐盟港口停泊時產生的碳排放。船舶如果無法繳納所要求的碳稅,將有可能被拒絕進入歐盟港口。為緩解航運業前期碳稅的壓力,歐盟給出了4 a的緩沖期。在緩沖期內,船舶只需繳納在歐盟區航程內碳排放的百分比即可。繳納碳稅的CO2占總CO2排放量的百分比具體如下:2023年20%,2024年45%,2025年70%,2026年及以后100%。

1.2.2 FuelEU海事要求

FuelEU是從船舶所消耗的燃料角度降低碳排放量,主要針對的是總噸超過5 000的商船,同樣在歐盟區航程內對所消耗的燃料征收一定的罰金。FuelEU考慮了燃料全生命周期內的溫室氣體強度,它表征了燃料從生產、轉化、運輸、儲存、船上燃燒等全生命周期內的溫室氣體排放量。

FuelEU對燃料征收罰金的原則是相比于溫室氣體強度的年度基線值進行核算。初始的年度基準線是基于2020年的溫室氣體強度統計值獲得的,且從2025年起,每隔5 a,年度基準線將以表1中的百分比進行折減。若當年度所使用的燃料溫室氣體強度低于年度基線值,則不需要繳納罰金;當燃料的溫室氣體強度高于年度基線值,則需要繳納罰金。

表1 FuelEU 年度基準線折減系數

1.2.3 修訂能源稅收指令

對于在歐盟經濟區內出售的并且用于歐盟經濟區內航程的燃料和加到船上的電能,需要征收表2中的能源稅。

表2 不同燃料的能源稅 單位:歐元/GJ

歐盟“Fit for 55”草案更側重于以市場機制的手段來降低溫室氣體的排放,并且考慮了燃料全生命周期內溫室氣體排放。從長遠來看,采用低碳燃料或零碳燃料等替代燃料將會節省大部分的歐盟稅費,因此替代燃料將具有更大應用前景。

2 船用替代燃料選取

從長遠來看,今后船舶將會采用新的推進系統,包括燃燒替代燃料的內燃機或者氫燃料電池。從短期來看,則希望基于現有船舶選擇可用的低碳燃料,這些燃料可直接用于大型船用柴油機,或者是LNG雙燃料主機,只需對發動機和燃料系統進行最小的修改。為分析常規燃料及替代燃料碳排放,并考慮燃料全生命周期,本文選擇了化石燃油、生物燃油、LNG、綠色LNG、化石甲醇、綠甲醇、化石氨、綠氨等8種燃料進行了對比?；剂蠟樽匀唤缣烊淮嬖诘?需要進行開采等操作獲取的燃料。生物燃料則是以廢物、殘渣、油脂、木質纖維等為原料,通過相應的轉化技術生成的燃料。相對于化石燃料,生物燃料在形成的過程中吸收了一部分CO2,因此其全生命周期的溫室氣體強度要小于化石燃料。綠色燃料則是在燃料生成、運輸等上游過程中,均使用的可再生能源,如光伏,風力等。

8種所選燃料的特性見表3。

表3 8種不同燃料的特性

3 大型集裝箱船不同燃料的應用

為進一步分析不同燃料對碳排放的影響,本文研究的某萬箱級集裝箱船營運的航線為亞歐航線,主要?？康母劭诩昂匠桃姳?。

表4 亞歐集裝箱航線主要港口(單程)

3.1 不同燃料的EEDI和EEXI及CII計算

EEDI、EEXI和CII是IMO通過技術和營運手段降低新造船和現有船的碳排放量的3個指數,其船舶能效指數的計算公式為

EEDI和EEXI為船舶設計階段下的能效指數,其主機排放為75%功率下的CO2理論排放量,輔機排放則為50%功率下的CO2理論排放量,裝貨量為EEDI吃水下的載重噸。CII計算中分子則是船舶在整個年度內所有機器的CO2實際排放量,航行距離則是船舶在整年度內所記錄的實際航行距離,裝貨量則是滿載吃水下的載重噸。

EEDI、EEXI和CII僅考慮燃料燃燒端的碳排放。本文所選的生物燃料和綠色燃料的計算結果目前與化石燃料是相同的,因此這里只對比了燃油、LNG和甲醇的結果,其中氨燃料屬于零碳燃料,其EEDI、EEXI和CII的結果為0。

計算結果見圖1。圖中表明,采用LNG的計算結果較燃油低約25%,采用甲醇的結果較燃油低約8%,說明替代燃料可以有效地降低EEDI、EEXI的值。圖2給出了2023年CII基準線下的結果。計算結果表明,LNG與甲醇燃料相比于燃油的差距與EEDI、EEXI的結果接近。3種燃料的差距主要由其產生的CO2排放量決定的,而產生的CO2排放量可近似表示為燃料的消耗量、熱值和碳轉化系數的乘積,因此如果僅考慮燃料燃燒時的碳排放量,選用LNG燃料具有較大的減排效果,甲醇的減排效果次之。另外,從圖2可以看出,航速對CII評級有較大的影響,因此降低航速是提高CII等級的有效措施。

圖1 不同燃料EEDI、EEXI結果

圖2 不同燃料CII計算結果(2023年)

3.2 不同燃料下歐盟“Fit for 55”碳費計算

為對比不同燃料的碳費的差別,本文以單位質量的燃油產生的能量為計算基礎,通過表3燃料的熱值轉化,得到其他燃料的消耗量,而船舶整年度的總碳費只需乘以年度燃油消耗量便可以獲得。

碳交易系統中的碳稅計算是根據燃料燃燒時產生的CO2排放量和實時的碳價所決定的,因此不同燃料在同一時刻的碳稅差距主要取決于燃料燃燒時的碳轉化系數。對于LNG、甲醇和氨的雙燃料主機需要消耗一定量的點火油,但是點火油的實際消耗量與主機機型及主機的技術有很大的關系,而當前尚無適用于大型箱船的甲醇雙燃料主機和氨雙燃料主機,因此其點火油的實際消耗量很難把握。

本文假定LNG、甲醇和氨的點火油消耗量分別為主燃料的1.0%、3.5%和5.0%。圖3給出了不同燃料在同等能量下的碳費對比,其中碳價假定為80歐元/t。

圖3 不同燃料的碳費對比(單位質量燃油產生的能量)

圖3中綠色燃料并未體現其優勢,這是因為目前歐盟碳費僅考慮燃料在燃燒端的碳排放量,而綠色燃料則側重全生命周期內的碳排放量。LNG具備一定的優勢,相比于燃油節省約25%的碳費,與上述EEDI/CII的分析結論一致;甲醇燃料的優勢不明顯,相比于燃油僅節省約4%的碳費;氨燃料作為零碳燃料,其碳費主要有點火油產生,因此碳費繳納最少,相比于燃油節省了約90%的碳費。

FuelEU的罰金考慮了燃料的全生命周期的碳排放影響,并且每隔5 a增加罰金的費用。綠色LNG、綠甲醇和綠氨的溫室氣體強度值小于2050年要求的值,因此不需要繳納罰金。不同燃料在單位質量燃油產生的能量下每年所需要繳納的FuelEU罰金見圖4(5 a內每年的罰金是相同的)。

圖4 不同燃料每年的FuelEU罰金對比(單位質量燃油產生的能量)

圖4的結果表明,FuelEU罰金將隨著年份的增加不斷的增加,并且明顯高于碳稅的費用。從長遠來看,FuelEU的罰金將是歐盟稅費的主要組成部分。燃油在2040年以后FuelEU罰金將占整個歐盟稅費的70%以上?；剂螰uelEU罰金較高,化石甲醇和化石氨的罰金要明顯高于燃油,2025年—2029年比燃油要高3～7倍,顯然這2種燃料不具備優勢。LNG燃料短期不需要繳納FuelEU罰金,但2040年以后,其FuelEU的罰金也會大幅增加。生物燃油因其原料的來源不同,其碳排放量也不同,但是因為生物燃油在形成的過程中吸收了一部分的CO2,其全生命周期內的碳強度指數相對于燃油降低了約50%,使得其能夠滿足2045年FuelEU的要求。綠色燃料在FuelEU框架中體現了明顯的優勢,在目前的FuelEU框架下無需繳納罰金,因此采用綠色燃料可以明顯降低歐盟稅費。

不同燃料的能源稅計算結果見圖5。

圖5 不同燃料每年能源稅對比(單位質量燃油產生的能量)

燃料的能源稅占比較小,僅占歐盟稅費的4%左右。從圖5中可以看出:前十年LNG的能源稅較燃油低約1/3,而從2033年及以后,兩者繳納的能源稅相同;生物燃油和綠色燃料有十年的豁免期,并且2033年以后相對于燃油和LNG要低約50%以上?；状己突弊鳛槿芷跍厥覛怏w強度比燃油還高的燃料,目前歐盟沒有特別規定這2種燃料的能源稅,因此未對比這2種燃料的能源稅。

假定本船在亞歐航線每年航行5個航次,平均航速為18 kn,以常規燃油為計算基礎,分別對比了本船采用不同燃料運營25 a間歐盟繳納的費用。由于碳價將會隨市場波動,無法精確預估,這里假定20 a內的碳價保持80歐元不變,計算結果見圖6。

圖6 不同燃料年度碳費累加值對比(以燃油為基礎)

圖6表明:化石甲醇和化石氨的稅費始終高于燃油的費用,達到了1.2～1.7倍左右,因此不建議選擇;由于LNG在燃燒端的碳排放低于燃油和甲醇,因此,LNG燃料在短期的費用要低于綠甲醇和生物燃油,但隨著時間的推移,LNG的FuelEU罰金將急劇增加,到2040年以后,其稅費將高于綠甲醇與生物燃油;綠甲醇與生物燃油在2045年之前的歐盟費用相當,但是2045年之后綠甲醇將節省更多的費用;綠氨作為零碳的清潔能源,其歐盟繳納的費用最少,相比于燃油可以降低90%以上的稅費。從對比結果可以看出,綠色甲醇和綠色氨燃料在未來預計會成為長期降低歐盟費用的主要燃料選擇。

總之,“Fit for 55”采用強制的市場機制方式來降低航運業的碳排放,將對航運業產生重要的影響。前期碳稅占據主導地位,此時低碳燃料具備一定的優勢。隨著時間的推移,FeulEU將在2040年呈現急劇增加的趨勢,導致FuelEU罰金占到整個歐盟稅費的70%以上,此時使用全生命周期內溫室氣體強度低的綠色燃料將更有優勢。

4 結論

(1)僅考慮燃料燃燒時的碳排放量,相比于燃油,LNG燃料具有較大的減排效果,甲醇的減排效果次之,氨燃料減排效果最明顯。

(2)歐盟碳費考慮了燃料全生命周期內的碳排放量,化石燃料的全生命周期碳強度較高,需要繳納高昂的歐盟費用,不建議作為今后船用主要燃料。

(3)歐盟“Fit for 55”框架下,LNG燃料短期具有一定的優勢?？紤]其制備、儲運等成本,結合長期減排目標,綠甲醇更具有應用前景。