李勝勇，鄭建麗，曹建軍

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092)

十九屆五中全會確定了中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)?！疤歼_峰”“碳中和”對中國的二氧化碳的排放提出了總體要求。中國漁船數(shù)量眾多，2020年年末漁船總數(shù)為56.33萬艘、總噸位為1 005.93萬t[1]。漁船耗油量每年約消耗800萬t柴油，海洋捕撈漁船的能耗占漁業(yè)總能耗的66%，二氧化碳排放量約為247萬t[2-3]。中國漁船能耗水平長期居高不下，存在推進效率不高、設(shè)備技術(shù)落后、船員環(huán)保意識不強等問題。國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)制定的船舶能效指數(shù)適用范圍不包含漁船，為充分了解中國漁船能效現(xiàn)狀，亟需摸排漁船能效水平，制定能有效降低漁船溫室氣體排放、提高漁船能源利用率的措施，以期盡早應(yīng)對全球減排策略，提出中國漁船能效指數(shù)計算和評價方案。

1 研究背景與意義

《聯(lián)合國氣候變化框架公約》《京都議定書》以及《巴黎協(xié)定》為全球應(yīng)對氣候變化提供了法律基石和行動指南。航運領(lǐng)域應(yīng)對氣候變化的具體行動由IMO按照《聯(lián)合國氣候變化框架公約》及相關(guān)協(xié)定開展談判和制定。1997年，IMO啟動了國際海運溫室氣體減排議題討論，隨后陸續(xù)出臺了相應(yīng)的控制措施和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在2018年的國際海事組織海上環(huán)境保護委員會(Maritime Environment Protection Committee，MEPC)第72屆會議通過了船舶溫室氣體減排初步戰(zhàn)略，戰(zhàn)略目標(biāo)為2030年實現(xiàn)全球海運每單位運輸活動的平均二氧化碳(CO2)排放與2008年相比至少降低40%，并爭取2050年降低70%。

為反映船舶的社會效益，2008年IMO提出新造船二氧化碳設(shè)計指數(shù)這一新概念，該指數(shù)采用節(jié)能、減排和效益之比，進一步強調(diào)了國際船舶的節(jié)能減排增效目標(biāo)。2020年舉行的MEPC 75次會議上，IMO批準(zhǔn)了國際防止船舶造成污染公約(Maritime Agreement Regarding Oil Pollution，MARPOL)中附則VI的修正案，引入了現(xiàn)有商船能效指數(shù)(Energy Efficiency Existing ship Index，EEXI)，該指數(shù)適用于400總噸以上的國際航行船舶，將于2023年1月生效實施[4-5]。該決議的目的在于通過采取與新建商船能效指數(shù)(Energy Efficiency Design Index，EEDI)類似的機制促進現(xiàn)有船隊進行技術(shù)更新，提高現(xiàn)有營運船舶能效，達到有效減排效果。

目前，國內(nèi)海洋商船和內(nèi)河商船都已開展能效指數(shù)的研究，并制定了相應(yīng)的綠色船舶規(guī)范，該規(guī)范為非強制性，將“綠色船舶”作為一項附加標(biāo)志，引導(dǎo)國內(nèi)船舶慢慢向綠色航運轉(zhuǎn)型，為航運業(yè)的碳達峰、碳中和打下良好基礎(chǔ)。

2 船舶能效指數(shù)的含義

2.1 商船能效指數(shù)計算模型

船舶能效指數(shù)的計算對新建船舶的設(shè)計建造有非常重要的意義，而現(xiàn)有船舶能效指數(shù)的計算和控制則決定了是否能順利實現(xiàn)國家“碳達峰”的目標(biāo)。現(xiàn)有船的能效指數(shù)是參照新船能效指數(shù)的計算模型，根據(jù)船舶固有技術(shù)參數(shù)并考慮主機限定功率后進行評估得到的能效指數(shù)。船舶能效指數(shù)通過把船舶在運輸過程中消耗的能量和船舶有效的載運能力換算成運輸單位貨物運輸單位距離所產(chǎn)生的CO2排放量的指數(shù)，EEDI越高，能源效率越低。該指數(shù)考慮了船舶的吃水狀態(tài)、航速、柴油機的功率、節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用等。由于能源效率與二氧化碳聯(lián)系的緊密性，EEDI的設(shè)立是為船舶建立一個最低能源效率的標(biāo)準(zhǔn)，IMO對不同船舶的EEDI也有明確的要求。

2.1.1 新建商船的能效設(shè)計指數(shù)EEDI

EEDI為船舶每噸裝載量、航行每海里所排放的CO2的克數(shù)，是表征船舶設(shè)計時船舶運輸每單位貨運量(所創(chuàng)造的社會效益)而產(chǎn)生的環(huán)境成本(CO2排放量)[6-7]，是衡量船舶CO2效能的重要指標(biāo)。然而，IMO的能效規(guī)則適用的船型不包含漁業(yè)船舶[6-8]。EEDI要求2013年以后建造的船舶設(shè)計按照以下公式計算[9-11]：

式(1)

式中：

CF為碳轉(zhuǎn)化系數(shù)，是將燃油消耗量基于燃油含碳量轉(zhuǎn)換成CO2排放量的無量綱系數(shù)，不同燃油的碳轉(zhuǎn)化系數(shù)不同，反應(yīng)了燃油品質(zhì)的好壞對二氧化碳排放量的影響。

SFC為柴油機燃油消耗率，指船舶柴油機(包括主機及輔機)經(jīng)核定的單位燃油消耗量，反應(yīng)了柴油機效率對CO2排放量的影響。

P為柴油機功率，是指船舶在航運時柴油機(包括主機及輔機)所消耗的功率，其反應(yīng)了柴油機功率大小對CO2排放量的影響。

Vref為航速，指船舶在以上定義的載運能力下在深水中的航速，間接地反應(yīng)了船舶在一定航程內(nèi)航運所需的時間。

Capcity為載運能力，貨船及運輸船等通常用載重噸，反應(yīng)了船舶的裝載及運輸能力。

Peff為創(chuàng)新節(jié)能，是指在主機額定功率75%負(fù)荷狀態(tài)下的創(chuàng)新型能效技術(shù)用于推進的輸出功率和當(dāng)船舶在主機額定功率75%負(fù)荷狀態(tài)下，由于采用了創(chuàng)新型電力能效技術(shù)而減少的輔機功率的總和。

2.1.2 現(xiàn)有商船能效指數(shù)EEXI

EEXI是EEDI的演進版本，EEXI適用于所有400 t以上且屬于MARPOL附則VI的船舶，是對現(xiàn)有船舶的能效以及每噸貨物每海里排放CO2排放量的要求[12-13]。MARPOL公約附則Ⅵ第25條新增內(nèi)容如下：

RequiredEEXI=(1-X/100)×EEDIReferenceLine

式(2)

式中：

式中，RequiredEEXI為按船型噸位分類要求的EEXI(按MARPOL VI 規(guī)則23 MEPC333(76)要求)。X為折減系數(shù)；EEDIReferenceLine為EEDI基線值，并對各種船型給出了相應(yīng)計算公式。

MARPOL公約附則對各種船型的折減系數(shù)有著不同的規(guī)定，以下列舉了幾種典型運輸船舶的折減系數(shù)，見表1：

MARPOL公約要求現(xiàn)有船舶實際營運達到的EEXI(AttainedEEXI)小于或等于RequiredEEXI。要得到某種船型的RequiredEEXI值，先要求得其EEDI基線值，然后查找X對EEDI基線值折減[14]。

2.2 商船、漁船能效指數(shù)計算模型分析

從EEDI和EEXI制定的理念可以看出，商船社會效益的體現(xiàn)是以載運能力和航速作為相關(guān)變量，反映的是運輸類船舶載運貨物的能力。漁船創(chuàng)造的社會效益最直接地體現(xiàn)就是一段時間內(nèi)獲取的漁獲物的能力，以及能確保其品質(zhì)的能力。如果參照貨船采用載重噸數(shù)或是參照客船采用總噸位來體現(xiàn)漁船的載運能力顯然不合適，因此應(yīng)選用更為合適的因素來反應(yīng)漁船所創(chuàng)造的社會效益，比如捕撈能力、漁船艙容大小、制冷量等。

表1 典型商船舶能效折減系數(shù)Tab.1 Reduction coefficient of energy efficiency of typical Merchant ships

3 漁船執(zhí)行EEXI的合理性分析

關(guān)于漁船的能效計算方法，目前還沒有出臺相應(yīng)的技術(shù)法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)。商船、漁船在航行、作業(yè)中主要有以下三點不同：一是商船為定點航行的單一工況，漁船有航行和捕撈兩種工況，一個航次10 d左右，其中約2 d處于航行工況，其余時間都處于捕撈工況。航行工況時，漁船與商船主機、發(fā)電機的運行狀態(tài)類似，而捕撈工況下，主機、發(fā)電機的運行狀態(tài)根據(jù)實際捕撈需要隨時變化；二是盡管漁船的主、輔機與商船類似，大多采用柴油機，但漁船通常為中高速柴油機，使用的燃料為柴油，商船多為大型低速柴油機，低速柴油機所使用的燃油多為重質(zhì)燃油，柴油與重質(zhì)燃油的熱值、碳含量不同，因此燃油碳轉(zhuǎn)化系數(shù)也不同；三是漁船創(chuàng)新能效技術(shù)降低CO2排放量的措施基本為零，漁船空間狹小，柴油機常用的尾氣后處理設(shè)備和再循環(huán)系統(tǒng)無法在漁船機艙內(nèi)安裝。商船的主尺度較大，機艙容積更大，更容易實現(xiàn)尾氣后處理設(shè)備和再循環(huán)系統(tǒng)的配套和安裝。因此EEDI不宜直接適用于漁船，為全面考核漁船的能效水平，需要對于航行和捕撈工況綜合研究分析。

4 漁船EEXI評價體系及折減系數(shù)

4.1 根據(jù)漁船特點制定適合漁船的評價體系

國內(nèi)漁船能效研究方面，楊蕖等[15]對拖網(wǎng)漁船提出了EEDI的計算公式，并提出漁船評價指標(biāo)體系及其指標(biāo)計算；張祝利等[2]對中國漁船能耗和CO2排放總量進行了估算，分析總結(jié)了影響中國漁船高能耗及高污染排放的主要因素，提出漁船節(jié)能減排建議；劉龍等[16]對漁船現(xiàn)狀、船用節(jié)能產(chǎn)品技術(shù)現(xiàn)狀進行了分析，制定了漁船的節(jié)能方案，根據(jù)中國漁船的節(jié)能方式，建立了漁船節(jié)能產(chǎn)品評價體系；蔡計強等[17]對金槍魚延繩釣船EEDI進行探討，建立了國內(nèi)金槍魚延繩釣船EEDI考核方法。劉飛等[18]基于IMO提出的EEDI公式，對拖網(wǎng)漁船EEDI進行了研究，得出拖網(wǎng)漁船EEDI計算及參考線回歸結(jié)果，并提出漁船出航、返航可以按照常規(guī)商船的EEDI計算，在拖網(wǎng)工況的計算模型中，其社會效益值采用總噸位加上拖力的修正值。

國內(nèi)已有漁船EEDI的研究大都是關(guān)于漁船的航行工況開展，對捕撈工況的EEDI研究較少，針對漁船航行工況、捕撈作業(yè)工況的EEXI研究幾乎是空白。鑒于漁船航行作業(yè)過程與商船的差異性，可參考商船的EEDI計算模型和EEDI的評級體系，在對商船EEXI和漁船自身特點深入分析的基礎(chǔ)上，研究漁船社會效益的數(shù)值化，構(gòu)建適用于漁船EEXI的計算模型，以期指導(dǎo)漁船提高燃料的使用效率，減少CO2排放，進而促進漁業(yè)行業(yè)節(jié)能減排的技術(shù)升級。

漁船航行工況下的浮態(tài)、主、輔機轉(zhuǎn)速、負(fù)荷狀態(tài)等與貨船的營運基本相同，因此漁船航行工況下的EEXI評價方法可以參考普通貨船執(zhí)行。漁船捕撈工況下的EEXI評價辦法應(yīng)考慮具體捕撈方式具體情況。中國漁船通常有拖網(wǎng)、圍網(wǎng)、延繩釣、帆張網(wǎng)、釣具等多種捕撈方式，每種捕撈方式的作業(yè)特點有所不同。因此制定適用于各種捕撈方式的漁船能效評定方法，需研究各種漁船漁獲量與主機推進功率、拖網(wǎng)功率、圍網(wǎng)功率、網(wǎng)具重量、固定壓載等各種與捕撈能力相關(guān)的參數(shù)變化趨勢，確定對漁船漁獲量影響最密切的參數(shù)，得出漁船社會效益的數(shù)值表達，進而獲得不同捕撈方式的漁船在作業(yè)時的能效評價方法。

4.2 結(jié)合中國漁船能效實際情況設(shè)定折減系數(shù)

4.2.1 中國現(xiàn)有漁船的種類及捕撈方式

截至2021年底，中國擁有捕撈漁船25.1萬余艘，主機總功率約1 482萬kW，按照捕撈方式，中國現(xiàn)有漁船主要有：拖網(wǎng)漁船2.6萬艘，總功率583 萬kW、圍網(wǎng)漁船約5 700艘，總功率約130萬kW、張網(wǎng)漁船約1萬艘，總功率56萬kW、釣具漁船約1萬艘，總功率約157萬kW、流刺網(wǎng)漁船7.6萬艘，總功率約360萬kW，其他漁船9 000艘，約56萬kW[1]。各種捕撈漁船的數(shù)量和總功率對比情況如圖1所示：

圖1 中國捕撈漁船數(shù)量與總功率分布情況Fig.1 Distribution of the number and total power of fishing vessels in China

拖網(wǎng)漁船是一種利用拖拽袋形網(wǎng)具來捕撈海洋底層及中下層魚群的漁船。拖網(wǎng)漁船拖力一般為3～5 t，大型拖網(wǎng)船可達30 t以上。底拖網(wǎng)的拖速3.5海里/h左右，中層拖網(wǎng)的拖速在5海里/h左右，拖網(wǎng)漁船的自由航速為10～14海里/h[19]。由于拖網(wǎng)漁船具有較大拖力和航向穩(wěn)定性要求，相較于同尺度的船舶，其主機功率更大，具有較大設(shè)計艉傾。作業(yè)甲板寬敞，一般都設(shè)有制冷裝置和冷藏魚艙。

圍網(wǎng)漁船主要圍捕中上層魚類，主要靠漁船的快速回轉(zhuǎn)航行使網(wǎng)具在水中垂直展開呈圓形圍璧包圍魚群進行捕撈，其航速在12海里/h左右，最高達15～16海里/h。圍網(wǎng)船的回轉(zhuǎn)性能好，發(fā)現(xiàn)魚群需要迅速回轉(zhuǎn)放網(wǎng)，需有較小的回轉(zhuǎn)半徑。與其他漁船相比，圍網(wǎng)船具有更小的長寬比，多數(shù)圍網(wǎng)漁船設(shè)置了首尾側(cè)推裝置[20]。一般圍網(wǎng)漁船會配有探魚聲納設(shè)備，有些圍網(wǎng)漁船還在船舷配備誘魚燈具，誘魚燈具的電源功率一般為20～30 kW。

張網(wǎng)漁船按作業(yè)漁場和作業(yè)類型分為近海流動性帆式張網(wǎng)漁船和作業(yè)地點相對固定的沿岸定置張網(wǎng)漁船。定置張網(wǎng)漁船一般利用小型木質(zhì)機動漁船從事季節(jié)性生產(chǎn)。流動性帆式張網(wǎng)漁船需要大型鋼質(zhì)漁船從事全年生產(chǎn)，通常帆式張網(wǎng)網(wǎng)口兩側(cè)裝有水動力帆布，在潮力作用下使網(wǎng)口水平擴張，網(wǎng)口上綱配以浮子，網(wǎng)口下綱配以沉子，使網(wǎng)口垂直擴張，整頂網(wǎng)在海中隨潮流旋轉(zhuǎn)，借助水流沖力，迫使?jié)O獲物入網(wǎng)[19]，在收、放網(wǎng)的時候，漁船基本處于停航狀態(tài)。

流刺網(wǎng)漁船，將長帶形的網(wǎng)列敷設(shè)于水域中，使魚刺入網(wǎng)目或被網(wǎng)衣纏絡(luò)后加以捕撈的作業(yè)方式。網(wǎng)列由若干矩形網(wǎng)具連接而成，其長度可根據(jù)水域條件、漁船大小等因素確定，短則幾十米，最長可達數(shù)千米[20]。一般白天作業(yè)，清晨放網(wǎng)，傍晚起網(wǎng)，起網(wǎng)時船舶微速航行。

延繩釣漁船一般分為遠洋漁船和國內(nèi)漁船，通常的捕撈對象是金槍魚(Thunnin)。此類延繩釣漁船設(shè)有2 500～3 000把魚鉤，金槍魚延繩釣漁船的型深較小，小型深對應(yīng)小的干舷方便起繩與收魚。這種船型的干舷一般為0.3～0.4 m，通常型深不大于4 m。金槍魚延繩釣漁船的寬度吃水比較大，據(jù)統(tǒng)計在2.55～2.70 m[21]。捕獲的金槍魚通常用深冷方法凍結(jié)儲存，冷凍溫度低至-55～-60 ℃，所以其制冷裝置功率一般較大。延繩釣作業(yè)會達到一兩個月，所以此類船自持力較大，可以自行制備淡水。金槍魚延繩釣作業(yè)期間，每天自由航行時間平均為2～4 h。投繩作業(yè)時航速9～11 kn，大約需5～6 h。起繩作業(yè)航速3～6 kn，大約需10～14 h[22]。

4.2.2 漁船捕撈工況下EEXI的計算與折減硬性因素分析

通過以上分析可以看出，主動性捕撈方式主要有拖網(wǎng)和圍網(wǎng)漁船，被動式捕撈主要有張網(wǎng)漁船、延繩釣漁船和流刺網(wǎng)船。被動式捕撈方式的漁船通常處于微速航行，因此船舶本身消耗的能量較小。捕撈漁船作業(yè)狀態(tài)下EEXI須綜合考慮社會效益值、漁獲量與其配備的網(wǎng)具規(guī)格、重量、收放網(wǎng)裝置的功率、捕撈作業(yè)過程中誘魚燈的使用、制冷裝置的工作狀態(tài)和捕撈時間等多種元素之間的變量關(guān)系。主動性捕撈方式漁船除了上述因素以外，還須考慮船舶作業(yè)航速、船舶浮態(tài)和主機、發(fā)電進組負(fù)荷，拖網(wǎng)漁船需要考慮拖網(wǎng)功率，圍網(wǎng)漁船還需要考慮首尾側(cè)推的功率負(fù)荷等。參考海上環(huán)境保護委員會現(xiàn)有船舶EEXI計算方法，提出適用于中國漁船EEXI的數(shù)學(xué)模型。

漁船EEXI折減和漁船營運碳強度指標(biāo)機制的制定，需用相關(guān)數(shù)據(jù)進行計算和驗證?？煽紤]對實船碳排放進行監(jiān)測獲取一手資料進行驗證，選取不同捕撈方式典型漁船，分別對航行工況和作業(yè)工況時的重要參數(shù)進行動態(tài)測量，比如：航速、推進功率、發(fā)電機功率、網(wǎng)具起放功率、制冷功率等。結(jié)合CO2和燃油的在線監(jiān)測系統(tǒng)測量CO2排量和各柴油機的油耗，則可以核算EEXI折減設(shè)置的合理性，分析漁船營運碳強度指標(biāo)機制如何在實踐中運作，并對該漁船EEXI折減機制提出優(yōu)化建議。

5 漁船的碳捕捉與碳排放配額制度

5.1 漁船的碳捕捉

從廢氣中捕捉CO2在技術(shù)上已經(jīng)實現(xiàn)，有化學(xué)法、物理法、物理吸附及膜處理技術(shù)[23]等。但在船舶的有限空間內(nèi)如何實現(xiàn)碳捕捉還是空白。漁船的主機和發(fā)電機組都是體積較小的高速機，但排氣管一般尺寸較大，煙囪空間狹小，現(xiàn)有吸收裝置的尺寸較大，煙囪無法放置吸收裝置，因此還需要研究如何在狹小的空間能夠?qū)O船柴油機排放的CO2回收。另外，在發(fā)動機的排氣管后設(shè)置碳捕捉器，發(fā)動機排氣管的背壓將會增加。通常，背壓增大會導(dǎo)致發(fā)動機燃料燃燒效率下降，燃燒不充分，同時動力性下降，排放也變差。當(dāng)前現(xiàn)有型號的柴油機的生產(chǎn)設(shè)計都未考慮排氣管后的碳捕捉。所以，現(xiàn)代的發(fā)動機還要針對排氣背壓的增加調(diào)整柴油機本身的技術(shù)參數(shù)。捕捉之后的CO2如何保存在船上，如何運輸以及如何封存，都是將要面臨的課題。

5.2 漁船的碳排放配額

歐盟、美國已建成碳交易市場，近期，歐洲海洋排放報告員、歐洲議會議員Jutta Paulus等已經(jīng)提出草案，呼吁歐盟從2021年1月開始對使用歐盟港口的船舶實施碳排放配額相關(guān)規(guī)定[24]。這項法規(guī)將迫使船舶在碳排放限制和交易體系下運營，引起了歐盟航運業(yè)的強烈反對。

中國還處于探索階段，可以預(yù)見的是，未來漁船將會在漁業(yè)碳排放配額的分配之下運作，如果漁船超出了配額，可能面臨強制停運或者付費購買配額。排放配額分配的合適與否，不僅直接影響企業(yè)的經(jīng)營成本和參與碳市場的積極性，更關(guān)系整個碳交易市場是否能夠順利運行。

6 降低漁船碳排放的建議

中國漁船能效的研究還處于初步階段，漁船能效的提高受到多方因素制約。提高漁船能效水平，降低碳排放強度，建議從以下途徑開展研究：

關(guān)于漁船管理，在可以保證漁船基本航行安全和生產(chǎn)需求的前提下，降低漁船最大航速，限制主機最大功率。捕撈漁船的航行工況是從港口到漁場的往返過程，這個過程中適當(dāng)限制主機的最大推進功率對船舶的基本安全沒有影響，降低航速和功率是目前最有效降低碳排放的手段之一。

關(guān)于漁船維護，國內(nèi)漁民對漁船能效環(huán)保了解不深。有關(guān)部門可大力宣貫和督促漁民在休漁期做好漁船保養(yǎng)，定期清理漁船污底和螺旋槳，保持漁船船殼底部和螺旋槳的清潔，可有效提高漁船能效，降低碳排放。

關(guān)于發(fā)動機技術(shù)發(fā)展，一方面提高現(xiàn)有發(fā)動機機型的燃燒效率降低碳排放，另一方面要開展新能源發(fā)動機在漁船上使用的研究工作。目前國外已有將氨燃料發(fā)動機、氫燃料發(fā)動機使用在船舶上的先例[25-26]。液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)發(fā)動機在商船上的使用已經(jīng)比較成熟，近幾年國內(nèi)也開展了LNG發(fā)動機在漁船上的使用以及蓄電池為小型漁船提供動力的研究[27-28]，目前已取得階段性成果。建議有關(guān)部門大力推動LNG、氨燃料、氫燃料漁船發(fā)動機的研發(fā)，避免國外發(fā)動機公司率先研制成功出現(xiàn)“卡脖子”現(xiàn)象。

船舶能效的控制不單是減阻、減重或是流線優(yōu)化的過程，而是綜合不同功能性船舶運營的特點，不斷提高船舶能耗比，最終達到的一種船舶社會效益與能源消耗的平衡狀態(tài)。為順利實現(xiàn)漁船的“碳達峰”“碳中和”，政府須加大政策和資金的扶持力度，推進現(xiàn)有漁船進行營運功率優(yōu)化，做好維護保養(yǎng)，完善新能源動力產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)捕撈行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級，同時淘汰沒有改造價值的老舊漁船，逐步實現(xiàn)“綠色捕撈”。