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通过低速航行降低温室气体排放和降低成本

摘要

海运的二氧化碳排放在全球的温室气体排放中占有很大的比重。根据国际海事组织2009年的第二次国际海事组织温室气体研究，海事运输在2007年排放了1046百万吨二氧化碳，占全球二氧化碳总排放的3.3%。国际海事组织目前正在讨论从航运中减少温室气体排放的技术和市场措施。本文介绍了降低速度对海上运输的直接排放和成本的影响的调查，其中选择船舶类是为了方便世界船队的汇总表示。结果表明，减少二氧化碳排放量在航运具有巨大的潜力。负减排成本可以降低19%的排放，而零减排成本可以降低26%的排放。由于这些排放量减少纯粹是基于较低的速度，他们可以被部分执行。

1. 引言

人为排放的温室气体导致全球变暖，并使温度超过工业化前2 1℃，很可能在全球层面产生灾难性的后果（Walker and King, 2008）。IPCC和政治家们承认这些影响是有据可查的。据估计，温室气体排放量要在2050年降低50–85%，与目前的水平相比，比工业化前的水平高21℃并达到一个稳定的温度（IPCC，2007）。

虽然海洋部门在现行的京都议定书制度下有一个不具有约束力的承诺，但这第2.2条款我国追加要求通过国际海事组织，以追求限制或减少温室气体排放量。然而，到目前为止，我国的附件在限制或减少国际海上运输的温室气体排放上只取得了很小的成功。主要原因似乎是在附件和非附件国家当涉及到2.2条款的解释和国际海事组织的适用于国际贸易的所有船舶的非歧视性规定的适用范围的气候政策工具的时候的意见分歧问题。然而，国际海事组织已取得了一些进步，现在争论的是如何解决部门预计可减少排放，并应减少，以及以什么样的方式可以实现减少排放。

根据国际海事组织（国际海事组织的温室气体研究，2009），2007年海上运输排放二氧化碳1046百万吨，占全球总排放的3.3%。如果我们不采取行动，这些排放量将会在2050年增加105-250%。类似的增长以前OECD和Eyring也报道过。这些温室气体的排放的增长数据与全球的减排需求形成鲜明对比（Faber et al., 2009）。然而，如何在每年的温室气体排放问题上采取跨部门措施是一个有争议的额问题。给定一个情景，所有部门接受相同比例的减排，那么2050年的航行总排放量可能不会超过当前水平的15-50%，这就需要IPCC将减排目标定在50-85% 。此外，在海上运输的要求跟随预测的增至三倍世界贸易的条件下，很容易就能推断出2050年的二氧化碳排放量将至少25克每吨海里减少至4克每吨海里。

这种降低有五种因素和一个看似巨大的挑战。问题是如何使它发生。以降低温室气体排放的成本效益的方式，确实有记录的价值。换句话说，净成本节约可以降低排放。船舶通常是在一个特定的设计速度下航行：大型干散货船是13-16节，而大型集装箱船有24-26节的服务速度。核心问题很简单：推进器所需的功率是速度的三次方函数。因此，在非常简单的条件下，当一艘船降低它的速度，它的燃料消耗会减少。因此，一些研究人员已将速度优化加入到优化方案中。船舶调度和线路安排在舰队中为货物提供最优分配，“最优”意味着增加运输货物的同时达到成本最小化和利润最大化。速度降低也影响着一个舰队服务班轮网络线路的大小和结构，这被称为舰队的规模结构和线路问题。（Christiansen et al., 2007; Fagerholt and Lindstad, 2000）。在这里，目标是找到船舶的数量和类型，以及一组可行的路线，以尽量减少总成本。

虽然上述研究已经诱发了成本节约或利润最大化的时机，并使的速度和排放量减少之间的关系更加紧密。Corbet等人2009年考虑降低速度，是否可以是一种潜在的具有成本效益的二氧化碳缓解方案，以供船舶在美国港口停靠。他们发现，约150美元/吨的燃油税将导致平均速度相关的二氧化碳排放减少约20 - 30%。此外，Seaat Risk and CE Delft公司在2010年主要研究2009年主要航运市场的产能过剩如何被应用于慢速航行并降低排放。据估计，在与2007年相近的情况下，通过采用供大于求的速度降低方法，干散货、油轮和集装箱船的排放量可以减少30%左右。

Psaraftia和Kontovands在2010年研究了不同减排政策对海运物流的影响，特别是集装箱船舶的慢速航行。他们的结论是，较低的速度有环境效益，但如果该商品的价值较高，其资本成本，除了潜在损失的销售额将有利于更高的速度。在这些研究中所用的建模方法（Corbet et al.，2009；Sea at Risk and CE Delft，2010；Psaraftis and Pontovas，2010）涉及到恒定的总运输量的假设。这意味着，当速度降低，将需要额外的船只以保持年运输能力。然而，关于成本要素也有一些差异，包括降低速度时计算燃料节约的基本方法与达到最大利润或最小花费的额外船只的费用。在这项研究中，运输线的成本和货物的所有者，包括用于运输的货物的资本成本都已被计算完成。这些参数的额外价值是为了获得一个更容易理解的货物拥有者与航运公司的偏好速度。

在这些研究中的燃料和排放量（Corbet et al.，2009；Sea at Risk and CE Delft，2010；Psaraftis and Pontovas，2010）都是基于静水条件下计算的。在目前的研究中，通过波和风（海状态）所产生的阻力已被列入电力模型，以反映从非常低的速度达到设计速度的实际情况，通常是最高速度的90%-95%。这使得可用模型来计算减排潜力，并可以表现为一个速度的函数，同时又受不同种类船舶的设计航速、最小花费、最小排放等因素的不同优先级的支配。

此外，这些结论已经被结合起来，以提供一个通过改变全球海上舰队的运作的短期和长期的减排的整体潜力的评估。本文第一部分对模型做出介绍，第二部分介绍它的应用和数据，结尾部分得出结果和结论。

1. 模型描述

开发模型的主要目的是以速度的函数来计算个别船舶类别的费用和排放，其受船舶在设计航速下运作和最小花费、最小排放等的不同优先级支配。系统边界重点关注船舶及其使用，因此该码头陆域和港口被排除。该模型包括四个主要的方程，其中动力方程（1）是最重要的。它描述了船舶航速、船体、螺旋桨和海态的功能要求。传统上，研究船体形状和螺旋桨已经在静水、设计货物装载、设计速度条件下完成了设计，尽管平静的海面是航运中的例外。Lloyd (1998)研究了具有额外的风和浪的阻力与静水条件下功率是如何增加的。结果表明，一个有效波高会使阻力迅速升高，上升最快的是相对于低速静水阻力条件下，且相比于波浪的影响，风的贡献是非常小的。基于上述考虑，功率模型考虑到推进器效率，在静水条件下，总功率、由于波浪和辅助引擎的额外功率由方程（1）表示。

比较这一公式行之有效的做法，静水功率是用标准的方法计算的，由于波浪产生的额外功率已经被改进用来计算全年的平均阻力功率，而辅助设备功率也是用的标准方法。与此相反，由Minsaas (2006) and Lloyd (1998)提出的工作中的一个新的符号对船只从零速度提高到营运速度，通常为最大速度的90-95%，这个过程中推进器效率做出了很好的表现。

在这里，K作为航速的函数表示推进器的效率，表示设计航速时的效率。通常的值在0.6到0.7的范围内。当速度v降低时，根据常量j和k（j k=1），推进器效率K减小。静水功率用表示，表示水的密度，表示总阻力系数，S表示浸湿表面的面积，v表示速度。波浪的功率由表示，1/2表示一个典型往返过程中波浪作用在船只上的平均作用力，整个船程由首波、方波和尾波组成，其中尾波相对于首波产生的阻力有较小的积极作用。在它的公式中，表示水的密度，表示波浪的阻力系数，g表示重力加速度，是有效波高，其中幅度是高度的一半，B是船舶在吃水线位置的宽度，L是船舶在吃水线位置的长度，v是船舶速度而u是波浪相对与船舶的速度。辅助设备的功率需要用来驱动泵，为灯光以及船舶上所有支持系统提供电力。是船舶类型和尺寸的函数，它也和船舶所装载的货物有关。此外，它一般独立于船舶的速度。

一个往返的燃料消耗F包含航行时的燃料使用量和船舶在港口及低速区的燃料使用量，用下式表示

在这里表示所需功率，是往返距离，是实际的船舶速度，是每产生一千瓦的燃料量（克）。此外，对应于港口和低俗区域的功率需求，则代表每次往返在港口和低俗区域的时间。与Second IMO GHG study (2009)相比较，这个公式是以速度的方程来计算燃料的量，其中波浪的额外阻力和推进力的影响已经被包含在了静水阻力中。

每吨海里二氧化碳排放量用如下公式计算（Second IMO GHG study, 2009）：

其中F代表一个往返的燃料消耗，代表单位燃料燃烧的二氧化碳排放，是距离-重量单位（吨海里）的货运业务，其中D代表距离M代表一个给定往返的平均货物重量。

每吨海里花费C包含燃料费用、船舶定期租赁费用和运输货物的资源成本，用下式表示

第一个因子是，它将费用从每次往返的总费用转化成每吨海里的费用，使得采用不同贸易的不同大小不同类型的每个船舶具有可比性。燃料费用的计算过程为航行花费与重油成本的乘积加上港口和低速区域的燃油消耗与船用柴油的价格的乘积。直到最近，深海船只可以完全不实用船用柴油进行作业。然而，在欧洲和北美洲有更加严格的环境立法，可以预见，当跨越港口和低速区域时船用柴油将会有更大的需求。船只的花费还可用每天的定期租船费用TC与一天内的航行长度T的乘积来计算。资源成本可以通过运输货物的平均量M、每顿货物的出口价值、单程时间即往返时间的一半和资源成本与货物的线性关系获得。其中，金融机构计算好的年利率。当速度降低到营运速度（最大速度的90-95%）以下时，这三个成本要素中有两个会上升，有一个会下降，而每次往返的总成本是不变的。当速度降低时会增加的成本要素是定期租船花费和资源成本，由于所需功率减少燃料消耗降低，燃料的花费也会降低。

总而言之，结合方程（1）-（3）使其有可能对温室气体排放量相关做一个具体的操作模式的描述，而方程（4）提供了费用方面的描述。

为了获得舰队水平一致的结果，找到造船业的影响环境的问题所在是非常重要的。为此，生命周期评估（LCA）是环境影响评价的主要方法。在我们的案例中，我们已经应用了卡耐基美隆大学提供的环境扩展输入输出生命周期评估在线工具。因此制造海船的影响将包含船坞的排放，如开采金属矿石、钢厂和铝型材厂、引擎制造和电子零件。

1. 应用分析

分析首先是为了确定个别船舶类别的排放和花费是速度的函数，讨论

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