• 邵博士科研隨筆(第三篇):船舶的能效分析之EEDI和EEXI
    發布日期:2022-06-09 點擊量:7062

    邵博士科研隨筆來自于賽思億內部學習資料,主要是邵博士給技術人員有關技術基礎的培訓資料,挑選有代表性的發布,與業內的朋友共享。

       背 景 介 紹   

    本文檔主要是對最近討論比較多的EEDI以及EEXI進行了一些解讀。很顯然這個已經超出了賽思億的專業水平,所以中間可能有不少理解偏差和理解較淺薄的地方,然而我們還是需要擁抱這個知識。


        什么是EEDI和EEXI    

    EEDI的英文全稱是“Energy Efficiency Design Index”,中文名字是“新船能效設計指數”,主要考察船舶消耗的能量換算成CO2排量和船舶有效能量換算成CO2排量的比例指數。EEDI指數越高,能源效率越低,主要用于考察新船。

    EEXI的英文全稱是“Energy Efficiency Existing ship Index”,中文名字是“現有船舶能效指數”,主要用于考察已建成的船舶,考察的主要內容和EEDI類似,但是具體的計算方法略有不同。


        EEDI的定義    

    1 、EEDI的公式

    EEDI用于衡量CO2的排放對于船舶運力的比例,僅僅對新造船有效,用以保證新造船的設計可以滿足能效的要求。EEDI不能用于對于已造船舶的能效評估。

    經過多年的演化,EEDI形成了如下的計算公式:

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    1.1 EEDI的公式的分子分析

    上述公式一看很晃眼,我們結合分子和分母來考察。先看分子如下:

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    分子由四種顏色的小公式組成,每一個小公式基本認為是4個參數的乘積,分別是:

    1、f,校正系數,無單位量綱,一般考慮了某些船型等,會有詳細的表格用以查詢,我們并不太需要糾結這些參數。

    2、P,功率,單位是kW。

    3、SFC,單位功率下的油耗值,單位是g/kWh。

    4、CF,單位油耗下的CO2排放值,單位是t(CO2)/t(Fuel),當然也可以認為是沒有量綱。

    乘在一起之后,單位是g/h。

    在對上述分子公式的主要下標進行一些解釋,總結如下:

    1、ME,代表主機。

    2、AE,代表日用負載。

    3、PTI,輔助電推功率。

    4、eff,特殊節能技術(其實我也不甚明白具體所指)。

    結合上述分析,我們可以將分子公式按照顏色總結成如下的描述,即:

    1、紅色部分,代表了主機的CO2排放量。

    2、淺藍色部分,代表了日用電源的CO2排放量。

    3、綠色部分,代表了電推的CO2排放量。

    4、深藍色部分,代表了由于采用特殊的節能技術而降低的CO2排放量。

    乘在一起之后,單位是g/h。

    換句話說,EEDI的公式的分子計算了船舶所有耗能設備導致的CO2總排放量,單位是g/h。

    1.2 EEDI的公式的分母分析

    再回過頭來看EEDI的分母如下:

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    包含了3個部分:

    1、那群f,代表了各種計算時候的校正系數,無單位量綱,主要是希望EEDI可以兼顧盡量多的技術和船型,這里不做過于詳細的分析。

    2、Capacity,視船型不同,代表船舶的吃水量,根據船型不同,單位可以是DWT,也可以是GT,總之最終單位是t。

    3、Vref,船舶的航行速度,單位是kn(節),或者是nm/h(海里/小時)。

    乘在一起之后,單位是t·nm/h。

    換句話說,EEDI的公式的分母計算了船舶的做功能力,單位是t·nm/h。

    1.3 EEDI公式總結

    可以看到EEDI的公式就是衡量船舶排放的CO2的量/船舶的做功能力,單位是g/tnm。

    從這個單位就可以看出來,EEDI就是衡量把1t物品移動1nm(海里)所產生的CO2的重量。

    EEDI越大,則船舶做功的能效越好,排放越少;反之亦然。

     

    2、EEDI的一些參數說明

    2.1 PME(主機功率)及其相關參數

    PME定義為主機額定裝機功率(MCR)的75%。由于一般認為主機不會100%負荷運行,因此75%被認為是一個比較公平的工作點。

    因此CFME和SFCME都需要主機工作在75%的MCR時的油耗和CO2的排放進行代入。

    2.2 PAE(日用功率)及其相關參數

    和PME類似,PAE也相當重要,而且PAE取值會影響CFAE和SFCAE的取值,最終影響總的CO2的排放量的計算。

    PAE一般根據總推進功率來估算,根據總推進功率大于或者小于10000kW,分別有比較嚴格的經驗公式可以套用。然而即便如此,經驗公式也有可能和實際相去甚遠。所以PAE也允許根據電力負荷計算書來獲得。

    2.3 CF

    主要燃料的CF定義了燃燒該燃料之后向空氣排放CO2的重量,主要由燃料本身的碳當量決定。視燃料類型的不同,CF差距很大,可以參見表格 1。

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    表格 1 主要燃料的CF參數

    可以看到重油的CO2排放量小于輕燃油,輕燃油又小于普通柴油,這是令人比較驚訝的,但是總體上三者差距并不大。

    如果能使用LNG,則可以在CO2的排放上有較為顯著的降低。

    進一步,如果能使用甲醇和乙醇,由于碳當量的顯著降低,CO2的排放的下降將導致EEDI的計算產生顯著的優勢。

    2.4 SFC

    SFC定義了燃料每產生1kWh所消耗的質量g。SFC和很多因素都有關系。一個EEDI的計算可以參見表格 2。

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    表格 2 一個EEDI的計算例子

    從表格 2可以看到,主機導致的SFCME和發電機組導致的SFCAE具有很顯著的差距,分別是165g/kWh和210g/kWh。

    2.5 Capacity及其相關參數

    定義為夏季滿水下的吃水,其中運輸船用DWT(載重噸)來計算,客船或者客滾船用GT(總噸)來計算,集裝箱船用70%DWT來計算。

    2.6 Vref及其相關參數

    Vref定義為無風無浪條件下,在用于EEDI計算的工況下(比如PME為75%MCR情況下)的船舶的航速。

    Vref也可以在試航中獲得,并根據風浪和負載等情況修正獲得。

     

    3 、EEDI的標準限值和執行階段

    根據上述公式計算出來的EEDI,稱為Attained EEDI(EEDI計算值)必須要小于一個限定值才能算合格,這個限定值稱為Required EEDI(EEDI限定值)。即Attained EEDI < Required EEDI才能過關。

    遺憾的是,Required EEDI是一個變化的值,說先隨著船舶噸位的增加而越來越嚴格(當然這是顯而易見的,大船總比小船污染少),更為令人發指的是,隨著時間變化,Required EEDI將會越來越嚴格。一個Required EEDI的示意圖參見圖表 1。

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    圖表 1 EEDI在不同階段的標準

    隸屬于IMO(國際海事組織)的MEPC(海洋環境保護委員會)將Required EEDI的設定分為了3個階段,目前已經開始了第一階段的執行,要求在2010年的基礎上進一步下降3%。到了2050年,則Required EEDI要在2010年的基礎上下降30%。據說現在在醞釀第四階段。

     

    4、軸帶發電的EEDI計算

    EEDI采用一種非常理性的方式計算軸帶發電的EEDI值如果我們聚焦EEDI的分子部分的紅色主機功率排放部分和淺藍色的日用電源的排放部分,則傳統的計算公式為:

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    如果主機里面有一部分功率用于PTO了。則該公式變為:

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    也就是說,能量仍然守恒的,主機節約的PTO功率被用于日用電了。然而,兩者的系數CF和SFC有區別,特別是SFC的取值,參見2.4的描述,兩者的差距可以達到10%~20%之間。

    這是軸帶項目降低EEDI的主要原理。

    假設軸帶的功率占據主機功率的10%,CF和SFC相差15%,EEDI可以下降1.5%。

    假設軸帶的功率占據主機功率的15%,CF和SFC相差20%,EEDI可以下降3%。


        EEXI的定義,以及和EEDI的區別    

    EEXI側重于對于現有船舶的能效認定,特別針對那些生產較早而沒有在設計階段計算過EEDI的船舶而言。

    EEXI的基本計算方法和EEDI的計算方法高度相似,即無論是計算公式還是公式所代表的含義都是完全一致的,也針對這個原因,只要EEDI已經驗證,并且Attained EEDI < Required EEDI,那么Attained EEDI就可以直接認定為Attained EEXI。

    就是因為兩者高度相似,因此這里主要提一下EEXI和EEDI的不同之處。

    1、PME(主機功率)的認定

    EEDI將PME定義為主機額定裝機功率(MCR)的75%。

    然而在EEXI計算中,允許對主機安裝一個非永久性的“限功率裝置”(Shaft / Engine Power Limitation),此時主機的MCR就變成了MCRlim,PME也可以定義為MCRlim的83%,兩者取小。

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    圖表 2 MCRlim示意圖

    這個MCRlim真的是一個大殺器,本質上給EEXI的計算提供了一個合法的降功率輸出的“后門”。我們知道P/Vref基本上呈現出隨著功率上升而越來越不經濟的情況,換句話說增加50%的功率輸出不可能得到50%航速的提升。所以法的降功率輸出計算可以顯著提升EEXI的計算值。

    2、PAE(日用功率)的認定

    EEDI可以接受經驗公式,或者采用電力負荷計算書來認定PAE。EEXI在此基礎上接受使用實際運營的年度平均值來認定PAE。

    EEXI還增加了郵輪和客滾船的經驗計算公式。

    3、SFC的認定

    SFC定義了燃油消耗率,最好可以根據臺架試驗報告進行插值計算。然而一些較早的船可能連臺架試驗報告也不具備,此時EEXI的計算給出了一個缺省參考值。即:

    SFCME ≈ 190g/kWh

    SFCAE ≈ 215g/kWh

    仍然,主機的認定顯著優于發電機組的認定。

    EEXI的SFC認定還可以接受經驗證方批準的由制造商提供的SFC值。


       結                論   

    本文檔介紹了EEDI和EEXI的若干基礎知識,可以達到如下結論:

    1、EEDI和EEXI衡量把1t物品移動1nm(海里)所產生的CO2的重量,也就是船舶使用的能效指數。

    2、EEDI主要用于考察新船,EEXI主要用于考察已建成船舶。

    3、EEDI和EEXI的計算方式基本一致,略有區別。

    4、EEDI的限定標準采用分階段執行的方式,會越來越嚴格。

    5、采用軸帶發電,可以降低EEDI或者EEXI幾個百分點。

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