基于绿色减排的集装箱船替代燃料对比研究

郑传波,王 楠,周 旭

(南通中远海运川崎船舶工程有限公司,江苏 南通 226005)

0 引言

为减少温室气体排放对环境带来的不利影响,国际海事组织(IMO)及各国政府对航运业制定了去碳化的要求。IMO海洋环境保护委员会(MEPC)提出了新造船的船舶能效指数(EEDI)概念,其中部分船型EEDI 第三阶段已经开始适用。此外,针对船舶行业温室气体排放的现状,IMO通过了初步的国际航运温室气体战略,并批准了降低船舶碳排放的短期、中期和长期措施,其中短期措施包括现有船能效指数(EEXI)和船舶营运的碳排放强度(CII)的计算和认证。

为应对当前绿色减排的政策,各个船厂、设计单位及运营公司都在积极开发新技术、新方法来提高船舶的设计及营运的能效指数。丛林[1]基于CFD方法对几种船舶节能装置的节能效果进行了研究。李欣等[2]研究发现旋转风筒装置在特定的风向条件下能提升船舶能效指数。吴浩等[3]对当前船舶气泡减阻技术进行研究。然而,广泛采用的节能技术很难满足航运业未来几十年的减排要求。在替代燃料方面,学者们更侧重于从燃料的特性及应用前景等方面进行研究[4-6]。为此,本文通过对推动航运业低碳化的政策法规的解读,以大型集装箱船为研究对象,确定了几种未来可行的船用替代燃料,分析了不同燃料全生命周期温室气体的排放和节能效果,并且对比了由市场机制产生的额外成本。

1 替代燃料应用背景

1.1 IMO降低碳排放措施

自2013年1月1日EEDI强制实施以来,新造船的CO2排放量有望得到有效控制,但是目前全球船队产生的CO2排放量中,有超过一半是由2013年1月1日以前签订建造合同的现有船产生的,因而为满足IMO初步战略要求,MEPC76会议通过了EEXI的要求,并于2023年1月1日以后正式实施。

EEXI从技术层面降低现有船的碳排放,不满足EEXI要求的船舶将不能运营。在操作层面,通过计算CII值,对船舶进行年度评级,分为A～E级。对于连续三年被评为D级或者当年度被评为E级的船舶,目前暂时不会直接导致惩罚性后果,但是需要制定改正计划并纳入船舶能效管理计划(SEEMP)中。虽然CII表现不佳的船仍能营运,但是势必会影响船舶的租赁前景。

EEXI和CII是IMO提出降低碳排放的短期措施,更注重改善现有船队的碳排放强度。因短期措施未对船舶实际营运时过高的碳排放进行明确的惩罚,并且燃料的碳排放仅考虑船上燃烧的排放,短期措施的实施效果尚需确认。为实现IMO温室气体战略的目标,IMO制定了中长期措施,包括全生命周期的温室气体排放、替代燃料的使用和采用市场机制措施的实施。

1.2 欧盟降低碳排放的绿色新政

为推动欧盟实现到2030年碳排放相对1990年降低至55%的目标,欧盟委员会于2021年7月提出了“Fit for 55”草案。该草案对航运业的影响主要体现在将航运业纳入欧盟碳交易系统(EU ETS)、FuelEU海事法规和修订能源税收指令等3个方面。鉴于最终的正式文件尚未发布,本文将基于2021年7月提出的“Fit for 55”草案内容进行分析。

1.2.1 航运业纳入现有的欧盟碳交易系统

2023年1月1日以后,针对总吨超过5 000的货船或客船,在欧盟区航程所产生的CO2排放需要缴纳碳税。欧盟区航程是指欧盟港口与非欧盟港口间50%航程、欧盟港口与欧盟港口之间100%航程和欧盟港口停泊时产生的碳排放。船舶如果无法缴纳所要求的碳税,将有可能被拒绝进入欧盟港口。为缓解航运业前期碳税的压力,欧盟给出了4 a的缓冲期。在缓冲期内,船舶只需缴纳在欧盟区航程内碳排放的百分比即可。缴纳碳税的CO2占总CO2排放量的百分比具体如下:2023年20%,2024年45%,2025年70%,2026年及以后100%。

1.2.2 FuelEU海事要求

FuelEU是从船舶所消耗的燃料角度降低碳排放量,主要针对的是总吨超过5 000的商船,同样在欧盟区航程内对所消耗的燃料征收一定的罚金。FuelEU考虑了燃料全生命周期内的温室气体强度,它表征了燃料从生产、转化、运输、储存、船上燃烧等全生命周期内的温室气体排放量。

FuelEU对燃料征收罚金的原则是相比于温室气体强度的年度基线值进行核算。初始的年度基准线是基于2020年的温室气体强度统计值获得的,且从2025年起,每隔5 a,年度基准线将以表1中的百分比进行折减。若当年度所使用的燃料温室气体强度低于年度基线值,则不需要缴纳罚金;当燃料的温室气体强度高于年度基线值,则需要缴纳罚金。

表1 FuelEU 年度基准线折减系数

1.2.3 修订能源税收指令

对于在欧盟经济区内出售的并且用于欧盟经济区内航程的燃料和加到船上的电能,需要征收表2中的能源税。

表2 不同燃料的能源税 单位:欧元/GJ

欧盟“Fit for 55”草案更侧重于以市场机制的手段来降低温室气体的排放,并且考虑了燃料全生命周期内温室气体排放。从长远来看,采用低碳燃料或零碳燃料等替代燃料将会节省大部分的欧盟税费,因此替代燃料将具有更大应用前景。

2 船用替代燃料选取

从长远来看,今后船舶将会采用新的推进系统,包括燃烧替代燃料的内燃机或者氢燃料电池。从短期来看,则希望基于现有船舶选择可用的低碳燃料,这些燃料可直接用于大型船用柴油机,或者是LNG双燃料主机,只需对发动机和燃料系统进行最小的修改。为分析常规燃料及替代燃料碳排放,并考虑燃料全生命周期,本文选择了化石燃油、生物燃油、LNG、绿色LNG、化石甲醇、绿甲醇、化石氨、绿氨等8种燃料进行了对比。化石燃料为自然界天然存在的,需要进行开采等操作获取的燃料。生物燃料则是以废物、残渣、油脂、木质纤维等为原料,通过相应的转化技术生成的燃料。相对于化石燃料,生物燃料在形成的过程中吸收了一部分CO2,因此其全生命周期的温室气体强度要小于化石燃料。绿色燃料则是在燃料生成、运输等上游过程中,均使用的可再生能源,如光伏,风力等。

8种所选燃料的特性见表3。

表3 8种不同燃料的特性

3 大型集装箱船不同燃料的应用

为进一步分析不同燃料对碳排放的影响,本文研究的某万箱级集装箱船营运的航线为亚欧航线,主要停靠的港口及航程见表4。

表4 亚欧集装箱航线主要港口(单程)

3.1 不同燃料的EEDI和EEXI及CII计算

EEDI、EEXI和CII是IMO通过技术和营运手段降低新造船和现有船的碳排放量的3个指数,其船舶能效指数的计算公式为

EEDI和EEXI为船舶设计阶段下的能效指数,其主机排放为75%功率下的CO2理论排放量,辅机排放则为50%功率下的CO2理论排放量,装货量为EEDI吃水下的载重吨。CII计算中分子则是船舶在整个年度内所有机器的CO2实际排放量,航行距离则是船舶在整年度内所记录的实际航行距离,装货量则是满载吃水下的载重吨。

EEDI、EEXI和CII仅考虑燃料燃烧端的碳排放。本文所选的生物燃料和绿色燃料的计算结果目前与化石燃料是相同的,因此这里只对比了燃油、LNG和甲醇的结果,其中氨燃料属于零碳燃料,其EEDI、EEXI和CII的结果为0。

计算结果见图1。图中表明,采用LNG的计算结果较燃油低约25%,采用甲醇的结果较燃油低约8%,说明替代燃料可以有效地降低EEDI、EEXI的值。图2给出了2023年CII基准线下的结果。计算结果表明,LNG与甲醇燃料相比于燃油的差距与EEDI、EEXI的结果接近。3种燃料的差距主要由其产生的CO2排放量决定的,而产生的CO2排放量可近似表示为燃料的消耗量、热值和碳转化系数的乘积,因此如果仅考虑燃料燃烧时的碳排放量,选用LNG燃料具有较大的减排效果,甲醇的减排效果次之。另外,从图2可以看出,航速对CII评级有较大的影响,因此降低航速是提高CII等级的有效措施。

图1 不同燃料EEDI、EEXI结果

图2 不同燃料CII计算结果(2023年)

3.2 不同燃料下欧盟“Fit for 55”碳费计算

为对比不同燃料的碳费的差别,本文以单位质量的燃油产生的能量为计算基础,通过表3燃料的热值转化,得到其他燃料的消耗量,而船舶整年度的总碳费只需乘以年度燃油消耗量便可以获得。

碳交易系统中的碳税计算是根据燃料燃烧时产生的CO2排放量和实时的碳价所决定的,因此不同燃料在同一时刻的碳税差距主要取决于燃料燃烧时的碳转化系数。对于LNG、甲醇和氨的双燃料主机需要消耗一定量的点火油,但是点火油的实际消耗量与主机机型及主机的技术有很大的关系,而当前尚无适用于大型箱船的甲醇双燃料主机和氨双燃料主机,因此其点火油的实际消耗量很难把握。

本文假定LNG、甲醇和氨的点火油消耗量分别为主燃料的1.0%、3.5%和5.0%。图3给出了不同燃料在同等能量下的碳费对比,其中碳价假定为80欧元/t。

图3 不同燃料的碳费对比(单位质量燃油产生的能量)

图3中绿色燃料并未体现其优势,这是因为目前欧盟碳费仅考虑燃料在燃烧端的碳排放量,而绿色燃料则侧重全生命周期内的碳排放量。LNG具备一定的优势,相比于燃油节省约25%的碳费,与上述EEDI/CII的分析结论一致;甲醇燃料的优势不明显,相比于燃油仅节省约4%的碳费;氨燃料作为零碳燃料,其碳费主要有点火油产生,因此碳费缴纳最少,相比于燃油节省了约90%的碳费。

FuelEU的罚金考虑了燃料的全生命周期的碳排放影响,并且每隔5 a增加罚金的费用。绿色LNG、绿甲醇和绿氨的温室气体强度值小于2050年要求的值,因此不需要缴纳罚金。不同燃料在单位质量燃油产生的能量下每年所需要缴纳的FuelEU罚金见图4(5 a内每年的罚金是相同的)。

图4 不同燃料每年的FuelEU罚金对比(单位质量燃油产生的能量)

图4的结果表明,FuelEU罚金将随着年份的增加不断的增加,并且明显高于碳税的费用。从长远来看,FuelEU的罚金将是欧盟税费的主要组成部分。燃油在2040年以后FuelEU罚金将占整个欧盟税费的70%以上。化石燃料FuelEU罚金较高,化石甲醇和化石氨的罚金要明显高于燃油,2025年—2029年比燃油要高3～7倍,显然这2种燃料不具备优势。LNG燃料短期不需要缴纳FuelEU罚金,但2040年以后,其FuelEU的罚金也会大幅增加。生物燃油因其原料的来源不同,其碳排放量也不同,但是因为生物燃油在形成的过程中吸收了一部分的CO2,其全生命周期内的碳强度指数相对于燃油降低了约50%,使得其能够满足2045年FuelEU的要求。绿色燃料在FuelEU框架中体现了明显的优势,在目前的FuelEU框架下无需缴纳罚金,因此采用绿色燃料可以明显降低欧盟税费。

不同燃料的能源税计算结果见图5。

图5 不同燃料每年能源税对比(单位质量燃油产生的能量)

燃料的能源税占比较小,仅占欧盟税费的4%左右。从图5中可以看出:前十年LNG的能源税较燃油低约1/3,而从2033年及以后,两者缴纳的能源税相同;生物燃油和绿色燃料有十年的豁免期,并且2033年以后相对于燃油和LNG要低约50%以上。化石甲醇和化石氨作为全生命周期温室气体强度比燃油还高的燃料,目前欧盟没有特别规定这2种燃料的能源税,因此未对比这2种燃料的能源税。

假定本船在亚欧航线每年航行5个航次,平均航速为18 kn,以常规燃油为计算基础,分别对比了本船采用不同燃料运营25 a间欧盟缴纳的费用。由于碳价将会随市场波动,无法精确预估,这里假定20 a内的碳价保持80欧元不变,计算结果见图6。

图6 不同燃料年度碳费累加值对比(以燃油为基础)

图6表明:化石甲醇和化石氨的税费始终高于燃油的费用,达到了1.2～1.7倍左右,因此不建议选择;由于LNG在燃烧端的碳排放低于燃油和甲醇,因此,LNG燃料在短期的费用要低于绿甲醇和生物燃油,但随着时间的推移,LNG的FuelEU罚金将急剧增加,到2040年以后,其税费将高于绿甲醇与生物燃油;绿甲醇与生物燃油在2045年之前的欧盟费用相当,但是2045年之后绿甲醇将节省更多的费用;绿氨作为零碳的清洁能源,其欧盟缴纳的费用最少,相比于燃油可以降低90%以上的税费。从对比结果可以看出,绿色甲醇和绿色氨燃料在未来预计会成为长期降低欧盟费用的主要燃料选择。

总之,“Fit for 55”采用强制的市场机制方式来降低航运业的碳排放,将对航运业产生重要的影响。前期碳税占据主导地位,此时低碳燃料具备一定的优势。随着时间的推移,FeulEU将在2040年呈现急剧增加的趋势,导致FuelEU罚金占到整个欧盟税费的70%以上,此时使用全生命周期内温室气体强度低的绿色燃料将更有优势。

4 结论

(1)仅考虑燃料燃烧时的碳排放量,相比于燃油,LNG燃料具有较大的减排效果,甲醇的减排效果次之,氨燃料减排效果最明显。

(2)欧盟碳费考虑了燃料全生命周期内的碳排放量,化石燃料的全生命周期碳强度较高,需要缴纳高昂的欧盟费用,不建议作为今后船用主要燃料。

(3)欧盟“Fit for 55”框架下,LNG燃料短期具有一定的优势。考虑其制备、储运等成本,结合长期减排目标,绿甲醇更具有应用前景。