航运业碳排放研究报告Word文件下载.docx
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现代货运（火车）
~30-100
海运轮船
~10-40
数据来源：
http:
//timeforchange.org/co2-emissions-shipping-goods.
管理政策现状及动向
虽然航运业被认为是最具碳效益的运输方式，但国际海事组织和国际环保组织却从没有对由于气候变化而引起的航运业经营风险放松警惕。
从国际海事组织建立之初，就一直为减少温室气体排放而努力着。
根据《京都议定书》，国际航空碳减排和航海碳减排分别由国际民航组织（ICAO）和国际海事组织（IMO）来分别进行减排管理。
而在EU-ETS设计阶段，欧盟就已经将航空碳税和航海碳税考虑在内。
与航空碳税不同的是，目前国际上仍然没有任何一部强制性的法律文件要求航运业践行碳减排。
在欧盟单方面提出的航空碳税被广泛抵制之前，欧盟在国际航运业碳减排方法几乎没有任何的实质性行动或方案，其主要原因是国际海事组织从1973年就开始积极推动全球性的航运业温室气体减排，对基于市场的减排政策工具颇为看重。
全球航海碳排放交易体系（METS）在未来有较大的实现可能，甚至也将未来与欧盟排放交易体系（EUETS）接轨作为最终的实施方案，这一点基本符合欧盟的预期。
但是，欧盟航空碳税的严重受挫，使其如坐针毡。
前不久，欧盟发表声明表示将考虑在2013年开启第一步行动，即对海上运输所产生的温室气体排放量进行监测、报告和核实（MRV）。
从欧盟委员会公布的文件来看，欧盟国际海运碳减排政策的基本架构和主要内容包括以下4个方面：
1.适用范围：
包括全程或者部分是在欧盟成员国港口之间进行的海运活动，只要船舶有航段在欧盟区域内，不管其排放行为是否发生在欧盟区域内，均适用该政策。
2.适用对象：
所有驶入、驶出和途经欧盟成员国港口的船舶。
3.减排措施：
欧盟委员会提出了四项可能采取的具体减排措施。
（1）建立排放补偿基金，由船舶所有人或者管理人为排放二氧化碳的船舶缴纳。
（2）船舶强制性减排目标。
欧盟将根据历史排放量或者船舶能效指数，为每一艘船舶设定强制性减排目标。
（3）排放权交易机制，参考EU-ETS，将海运碳排放纳入欧盟碳排放交易体系。
（4）征收排放税，船舶可在每次靠泊港口时或按照年排放量缴纳税金。
4.法律责任：
包括罚金、禁止开展海运业务等处罚。
虽然减排共识在业界凝聚，但最终达成仍需漫长时间。
即使欧盟不行动，IMO在全球一致的强制减排政策方面的进展也不容忽视。
2011年7月15日，国际海事组织海洋环境保护委员会第62次会议通过了“新船设计能效指数”和“船舶能效管理计划”两项标准。
这是IMO历史上首次通过适用于所有国家船舶的、与减少温室气体排放相关的强制性能效标准。
按照这两项标准，新造船舶的能效（节能环保效率）将在2015~2019年间提高10％，2020~2024年间提高20％，2024~2028年间提高30％。
包括中国在内的发展中国家可援引相关免除条款，将“新船设计能效指数”的适用期限推迟到2019年后。
然而，经过多年的努力，IMO和UNFCCC除对航运业的效能标准提出建议外，尚未对全球航运业提出强制性的减排规范。
在不远的未来，IMO很有可能出台一个覆盖全球的航运业温室气体市场化减排机制。
这一机制的建立将对近年来增长迅速的中国航运业产生巨大的影响。
2012年以来，交通运输部已经针对航运业减排的市场措施开展全面研究。
一方面，交通运输部已和国家发改委等部门密切沟通，在国家温室气体排放谈判的总体框架下，尽可能“迟滞”部分发达国家在国际海事组织之外所采取的征收航海碳税等单边行动。
另一方面，交通运输部正在组织相关科研院所展开研究，对不同市场措施的利弊进行研判，并考虑先在国内航运业内部试运行碳交易或碳税二者之中的一种模式。
受技术等因素限制，目前尚未确定一个成熟方案。
航运业的排放具有移动性和无界性的特点，其低碳发展也具有独特的模式。
在航运业碳减排方面，国际海事组织（IMO）做出了很多努力，也取得了一些成果。
在这一部分，我们会在IMO研究成果与相关学术研究资料的基础上，从管理操作和技术设计两个方面总结航运行业的节能减排途径与潜力。
船舶运行基本原理
任何船舶航行时必须的能量形式是推力、电能和热能。
供应这些能量的装置是推进装置、发电装置和供汽装置，这三个装置都直接消耗燃料。
船舶二氧化碳排放量正比于船舶燃料使用量。
从广义上讲，燃料消耗的增加跟速度的立方和功率输出成正比关系，而输出的功率是船舶克服流体动力学和空气动力学阻力的基本保障。
准确的说，船舶的前进需要克服三种阻力：
阻力类型
产生源
影响因子
占船舶总阻力的比例*
摩擦阻力
船体与水的接触面
水下船体面积，形状和表面阻力特性阻力（藤壶、藻类和海洋植物在船体表面的聚集增生；
螺旋桨表面的粗糙程度）;
阻力大小正比于船速的平方
低速-90%
高速-45%
残余阻力
船舶前方的波阻
船体尾部的涡流阻
船体构造配置；
水线以下的船体暴露量；
船速越高，阻力增大得越快
波阻：
低速-5%高速-40%
涡流阻：
低速-3%高速-5%
空气阻力
船舶上层建筑
上层建筑的空气动力特性；
无风情况下，阻力大小正比于船速的平方以及面向风的（或面对的行进方向）船舶横截面面积
低速-2%
高速且有大量外露横截面-10%
*数据来源：
（MANMarine,2007）
在固定航行周期内速度的情况下，这三种阻力的总和决定了船舶主要发动机最小的有效功率输出。
值得注意的是恶劣的气候条件会极大的增加阻力。
另外需要考虑的会决定燃料消耗和二氧化碳排放量的因素还有螺旋桨效率，发动机选用，船舶工作周期。
螺旋桨效率
由于螺旋桨本身就是在尾部湍流的位置运作，这种典型的船尾位置放大了表面阻力以及分流和涡流效应。
螺旋桨叶片必须克服的阻力会随旋转速度和船体、舵与螺旋桨叶片之间的湍流边界层流而加剧。
正因为如此，从螺旋轴，到所得的推进器推力，最终到形成的船速，功率量一直呈现非线性减少的关系。
由阻力高峰而引起的恒定功率输入下螺旋桨的速度降低被成为“重”螺旋桨状态。
能减轻这种重螺旋桨状态的设计因素包括螺旋桨叶片尺寸和间距、相对于水的推进速率、旋转速率和叶片数量。
船用发动机
大多数远洋货船均采用了非常大的低速二冲程发动机，直接连接到螺旋桨轴（没有离合器或减速齿轮）。
二冲程船用发动机具有高功率输出（最多可接近85兆瓦），相对高效率（约50％的燃料能量被直接传送到螺旋桨轴），而且适于通过直接喷射燃烧重质燃料油。
一些非常大的货船和客船和渡轮需要更多的加速动力，都建有中速四冲程的船用柴油（MDO）或重燃油（HFO）引擎。
相比于那些已经经过几代污染减排周期设计周期的陆用传统柴油发动机，这种高温燃烧和低质量的燃料相结合，导致温室气体排放非常的高。
船舶工作周期
工作周期不同，对发动机功率和辅助动力需求也不同，因此燃料消耗和二氧化碳排放量也不一样。
此外，工作周期也涉及到操作因素（如路线和停港时间）这些也跟燃料使用和二氧化碳排放量有关系。
对于某些用途（例如，集装船）来说，船速很重要，而对另一些用途（冷藏货物）来讲，辅助动力很重要。
一些工作周期的特点是多个短暂停留（艘滚装货船，渡船），其他是长期出境航行最后回航时只有压舱物（如石油和许多其他油轮）。
有些船舶的货物在途中会有所有权的变更导致出行改道和次佳路线航行（例如散货船），而有些则是受时间限制，可能需要在恶劣天气条件下航行。
这些和其他工作周期相关因素与国际海运的商业性质有关，并都对二氧化碳排放量有重要影响，在考虑具体的温室气体减排方案，必须将其纳入评估范围。
海上运输节能减排措施
在船舶推进原理的基础上，将已有的航运业节能减排措施大致分为一下几类：
船舶设计、发动机设计、推进系统、其他技术类措施，以及管理运作措施。
需要注意的是，并不是每一个措施都适用于所有类型的船舶。
下面总结了各个类别下的常见措施以及每个措施在不同用途和船舶中应用的平均燃料消耗减少率（最大的潜能估计）。
总体船舶设计
船舶尺寸、排水量、规模、装载和压载状态下的操纵特性和船体结构均对一定工作周期下的船舶燃料使用有很大的影响。
在可行的范围内，用较轻的同种性能的材料，减少压载物以及优化比例（船体大小，船体上层建筑等等）能减少能耗。
另外，船艏在吃水线下的球形延伸设计可以使大船舶在商业速度行驶中改善船体周围的水流，明显地减少阻力，从而降低能耗。
空气润滑系统通过传递简单导流板装置的作用，空气可以被压缩抽取并在船底形成薄层空气膜，有效润滑船体与水的接触面，从而减少了摩擦阻力。
虽然这项措施会消耗辅助抽取功率，却能减少那些低速航行且有大表面积船体的船舶15%的燃料使用量，减少集装箱船和车辆运送船8%的燃料使用量。
发动机设计
发动机的设计，尺寸大小和功率输出对燃料使用和碳排放有决定性的作用——就此而言，在船舶设计期间采用适合船舶大小与预期工作周期性质的最高效发动机能最大程度地减少燃料消耗。
在发动机设计方面，用传统的发动机-螺旋桨轴直接连接的方式（柴油电驱动）取代耦合电驱动有最大的降低燃料消耗的潜能（高至30%），特别是对于轴负载和运行情况变化频繁（比如频繁调动）的情况。
其次，收集废气余热将其转化为电能能直接减少发动机或辅助动力机的燃料需要，余热还可以用作其他船上功能，例如燃料加热。
图示：
船舶空气润滑系统
调节发动机使之能够在最常负载的重量范围内最高效地运作，需要进行引擎参数调整，可能需要改变凸轮轮廓和喷油正时。
虽然这样会使船舶在偶尔的全负荷运行中比未调节前更耗燃料，但是总体上的耗燃料量是减少的。
同时，对于船速比较恒定的船舶，可以对按标称额定功率设计制造的缸径和冲程的发动机，根据使用要求经过适当调整，增加一个气缸然后长期不变地降低一定的额定功率来工作（减额输入），以降低能耗。
推进系统
在船舶推进装置的设计中，螺旋桨和船舶水动力特性之间的相互作用有特殊重要意义。
只有考虑了它们的组合，而且整个系统配置为最佳时，船舶推进系统才称得上成本合理。
由于减排潜能与可操作性上的优点，受到最广泛关注的是同轴反转螺旋桨（CRP）：
由两个螺旋桨组成，一前一后分别安装于两台位于内、外轴的独立推进装置上，其中一个螺旋桨处于另一个的顺流方位，如此一来便可使两个螺旋桨旋转在相反方向，从而使前一螺旋桨所产生的未能被有效利用的涡动能量在后一螺旋桨上得到利用。
根据船舶参数的不同，如运营航速、现有螺旋桨效能等，CRP的节能范围在2％～12%之间。
由同轴反转螺旋桨和翼推进组成的一个轴线，三个拖带式推进器装置：
代替之前的双轴线的推进系统，这种推进系统组合在减少船舶阻力和节能的同时，两个易控的翼推进器也保证了船舶在低速行驶时的操纵灵敏性。
其他推进系统的常用节能减排措施有：
利用风能将其转换为向前的动力，缺点是性能很大程度上取决于风速和风向，并且传统帆的构造需要一定的甲板空间；
将推进器和一个拖拉式螺旋桨（比如前向的螺旋桨）以反向旋转中心线的形式组合，或者组合成翼推进器，然后应用于经常在不同负载情况下运转的船舶；
应对船速变化时，用高效的螺旋桨转速调节的方法来替代以前保持螺旋桨转速而去调节螺旋桨螺距的做法；
设计应用有更小摩擦力和空穴效应的螺旋桨叶片；
由于船舵的拖拉效果占到船舶阻力总值的5%，优化的船舵设计和协调的船舵-螺旋桨组合外形（比如舵球）能减小拖拉效果；
船体、突出附件和推进器的优化设计减少船体与推进系统之间的干扰从而减少摩擦阻力和残余阻力；
将双翼推进器螺旋桨与一个单轴主螺旋桨组合比起两个螺旋桨轴的配置有更小的吊舱推进摩擦力。
其他技术类措施
在上面的技术类措施里，自动化提高能效的效果最明显。
利用先进的自动化监测与控制系统是以最小的燃料消耗优化船舶整体和相关子系统（发动机，螺旋桨等等）的性能从而达到明显的降低燃料消耗的效果。
除了加强发电管理，还可以用变速发电机组而不是轴连单速发电机组来供应船用动力，从而更好地根据船用动力的不同需要来调整特定的发电容量。
另外，在相对稳定的最优负载情况下使用混合辅助发电不仅能降低燃料消耗，还能与电池储存一起引进非化石燃料，如太阳能。
管理运作措施
管理运作措施主要涉及到船舶的维护和运行。
这类措施有两大好处：
一，经济吸引力：
不需要硬件和设备方面的巨大投资，只有很低的投资需要和中等运营成本；
二，即时减排效应：
缓和措施的实施在近期就能减排并且能防止之前预期的排放过度增长。
虽然管理运行类措施有这些优点，而且适用于任何船，但很多措施因为减排量有限且自然条件与商务时间安排上的诸多实际限制因素，他们始终不应该作为减排的唯一途径。
其中，船舶减速是减少燃料消耗和二氧化碳排放最有效的途径之一，其实质是发动机减功运行，即发动机每循环的喷油量减少，使其有效功减少。
当发动机减功运行时，其功率大致与桨速（航速）成三次方比例降低。
在一般条件下,如果货轮航速平均放慢10%,燃料油就可以节约25%以上,船舶排放的二氧化碳量及空气污染物也会大幅度降低,可谓两全其美。
但是船舶的减速航行很大程度上会受制于船舶工作周期的限制。
当前全球大部分航运公司所采用的船舶减速措施,绝对不是船舶经营的权宜之计,而是一项长期节能和环保战略。
吃水差与压载优化、航行规划、气象导航和港口周转都属于航行优化。
航行优化是指在物流，时间安排，合同安排或者其他一些限制条件之下优化船的运作使之能够满足这些限制条件。
吃水差优化是指找到最优化的吃水差并尽量控制在最优吃水差附近运作。
压载优化要避免不必要的压载，虽然实施起来很繁琐，但是最优压载在节能的同时也更能保证船舶行驶的舒适度和船员的安全。
气象导航是根据天气与洋流来选择最优路线，在一些路线里，气象导航能节约非常可观的燃料量。
当船舶有固定的时间进度时，缩短港口周转时间能使船舶更多的在海上以较慢的速度行驶。
例如船舶的下水坡道、货仓出口等特别设计和港口方面的改善措施（如高效门式起重机）一起发挥作用，能使船舶获得更多具有商业可操作性的海上减速行驶的可能性。
另外，船体清洁与涂层和螺旋桨表面维护都是用减少阻力来提高燃料效率。
减排措施潜力与成本预估
挪威船级社（DNV）做过针对25个减排措施（17个技术类，8个管理操作类）到2030年的减排量与成本的研究。
基准线情景是指2030年时所有船舶没有采取这些减排措施的排放情况，因此船舶数量的增长估算是确定基准线情景最重要的因素。
该研究运用了IMO的船舶数量估算模型。
该模型预测到2030年的船舶数量平均增长率为2.3%，虽然明显低于最近几年的船舶实际增长率，但是跟长期的船舶增长率相符合。
研究结果如下图所示：
来源：
（S.Alviketal.2009）
在这个模型的基础上，预测表明世界上的船舶能以非常有经济效益的方式达到5亿吨或低于基准量30%的减排潜力，甚至可能达到60%的减排，如果所有的措施都能实施，并以一种更高效的协作的方式减排。
需要注意的是通过减排潜力和成本的研究来预测未来的碳排放有很多不确定的因素。
其中最重要的因素是燃料价格，另外比较重要的因素有减排措施实施的价格和成效的不确定性、新技术的引进速度的不确定性和船舶数量预测的不确定性。
目前，国际航运行业碳管理的现状主要还限于数据监测和收集，但不难看出，无论是区域性的组织行为如欧盟排放交易体系，还是行业性的国际海事组织碳管理计划，都将不断推进并最终影响行业内各企业。
因此，对于企业个体来说，尽早开展企业内部的温室气体管理工作，采取合理的温室气体减排措施，制定优化的企业碳管理策略，有利于企业尽早做好温室气体相关政策应对准备，也有利于企业通过行业组织途径积极参与未来碳管理规则制定过程，为未来的企业发展赢取相应的空间。
就具体管理措施而言，我国航运行业企业的碳管理措施应至少涵盖以下几方面：
1.积极应对针对已出台标准，为潜在的行业风险和机遇进行准备
我国航运船舶在设计能效指数方面的达标情况不容乐观，将近50%的船舶需要在相应改造措施的辅助下，才能满足船舶能效设计指数（EEDI）基准线，航运企业应积极利
用已实施的《新船舶能效设计指数》6年的政策宽限期，以提升船舶能效和节约能源成本为主要目标，兼顾企业潜在碳管理需求，升级改造船舶，投资低碳船型，鼓励发展技术先进、经济安全、环保节能的运输船舶，加快淘汰技术落后、污染严重、效能低下的运输船舶，引导船舶向大型化、专业化、清洁化方向发展。
当然，航运是目前世界上能源效率最高的运输方式，如果参照其他运输模式的管理方法来管理航运业可能不甚明智。
如果为航运业量身打造的政策规定，其核心原则将是奖励能源效率高的航运企业，而非从整体上惩罚整个航运业。
这一机制可以参考航运业现有的相关考量标准，例如船舶环境指数、新加坡绿色航运项目、船舶能效设计指数（EEDI）和船舶能效管理计划（SEEMP）。
如果此类激励机制能够早于惩罚/限制性政策出台，则先期行动的企业能获得相应的收益。
2.摸清企业碳排放情况，积极参与行业规则制定
虽然航海业国际组织已经成为国际公认的谈判平台，有助于遏制欧盟的单边行动，但欧盟航空碳交易计划最终能够被搁置，很大程度上是因为有美国的强烈反对，而除了马士基等巨头，主要的船运公司都在亚洲，美国很少有什么大的船运公司尤其是集装箱运输公司，因此在欧盟的航海碳排计划上美国恐不会发出多大的声音。
此外，欧盟的政策很可能让中国因应时势，在国内建立航空、航海的行业性碳排放交易体系，以规避欧盟碳税。
交通运输部也正在组织相关科研院所展开研究，对不同市场措施的利弊进行研判，并考虑先在国内航运业内部试运行碳交易或碳税二者之中的一种模式，不过受技术等因素限制，目前尚未确定一个成熟方案。
无论如何，参与碳交易或碳税的第一步都是要实现企业和船舶级别的碳排放MRV，即可测量（Measurable）、可报告（Reportable）和可核查（Verifiable），而构建一个规范的数据管理体系就显得至关重要。
许多航运企业甚至还没摸清自己碳排放的“家底”，即使参与国际谈判也难以抢占主动权，因此航运企业应遵循ISO14064、GHGProtocol等国际通行规则对能源和排放数据进行收集和管理，保证数据基础能满足后续所有企业应对碳排放管理政策的需求。
而由于船舶在运作过程中存在相当大的弹性，在排放数据收集、基线订定、排放量监控等方面更具难度，航运企业应寻找具有温室气体国际核算经验的咨询顾问进行温室气体核算工作，在必要的时候引入第三方核证方保证核算数据可用度，为企业赢得后续参与国际、国内相关规则制定的机会增加筹码。
3.识别减排成本和机会，制定并优化企业碳管理策略
在摸清企业内部船舶能效和温室气体排放水平及其船只分布之后，企业应全面评估可得的节能减排技术的成本和收益，制定
适合企业自身状况的节能减排和碳管理计划，这其中需要包括减排成本-收益曲线的建立和定期更新。
通过减排成本-收益曲线的确定，企业可以合理确定引入减排技术和管理措施的进度安排，根据不同阶段面临的政策和成本压力，选择各阶段最优的减排技术措施。
另外，定期对曲线进行更新，有利于及时识别燃料价格、技术成熟度、碳管理政策成本变化对企业碳减排策略的影响，在企业碳管理方面实现最低投入最高产出。
另外，航运企业应即时关注国际国内各类温室气体减排方法学的更新情况，对于企业已采取或拟采取的减排技术措施，寻找合适的减排方法学进行减排项目开发，获得减排量收益的同时也能为企业积累碳交易经验，以应对未来可能出现的国际国内碳交易体系。
参考文献：
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