邵博士科研随笔(第三篇):船舶的能效分析之EEDI和EEXI
发布日期:2022-06-09 点击量:3734

邵博士科研随笔来自于赛思亿内部学习资料,主要是邵博士给技术人员有关技术基础的培训资料,挑选有代表性的发布,与业内的朋友共享。

   背 景 介 绍   

本文档主要是对最近讨论比较多的EEDI以及EEXI进行了一些解读。很显然这个已经超出了赛思亿的专业水平,所以中间可能有不少理解偏差和理解较浅薄的地方,然而我们还是需要拥抱这个知识。


    什么是EEDI和EEXI    

EEDI的英文全称是“Energy Efficiency Design Index”,中文名字是“新船能效设计指数”,主要考察船舶消耗的能量换算成CO2排量和船舶有效能量换算成CO2排量的比例指数。EEDI指数越高,能源效率越低,主要用于考察新船。

EEXI的英文全称是“Energy Efficiency Existing ship Index”,中文名字是“现有船舶能效指数”,主要用于考察已建成的船舶,考察的主要内容和EEDI类似,但是具体的计算方法略有不同。


    EEDI的定义    

1 、EEDI的公式

EEDI用于衡量CO2的排放对于船舶运力的比例,仅仅对新造船有效,用以保证新造船的设计可以满足能效的要求。EEDI不能用于对于已造船舶的能效评估。

经过多年的演化,EEDI形成了如下的计算公式:

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1.1 EEDI的公式的分子分析

上述公式一看很晃眼,我们结合分子和分母来考察。先看分子如下:

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分子由四种颜色的小公式组成,每一个小公式基本认为是4个参数的乘积,分别是:

1、f,校正系数,无单位量纲,一般考虑了某些船型等,会有详细的表格用以查询,我们并不太需要纠结这些参数。

2、P,功率,单位是kW。

3、SFC,单位功率下的油耗值,单位是g/kWh。

4、CF,单位油耗下的CO2排放值,单位是t(CO2)/t(Fuel),当然也可以认为是没有量纲。

乘在一起之后,单位是g/h。

在对上述分子公式的主要下标进行一些解释,总结如下:

1、ME,代表主机。

2、AE,代表日用负载。

3、PTI,辅助电推功率。

4、eff,特殊节能技术(其实我也不甚明白具体所指)。

结合上述分析,我们可以将分子公式按照颜色总结成如下的描述,即:

1、红色部分,代表了主机的CO2排放量。

2、浅蓝色部分,代表了日用电源的CO2排放量。

3、绿色部分,代表了电推的CO2排放量。

4、深蓝色部分,代表了由于采用特殊的节能技术而降低的CO2排放量。

乘在一起之后,单位是g/h。

换句话说,EEDI的公式的分子计算了船舶所有耗能设备导致的CO2总排放量,单位是g/h。

1.2 EEDI的公式的分母分析

再回过头来看EEDI的分母如下:

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包含了3个部分:

1、那群f,代表了各种计算时候的校正系数,无单位量纲,主要是希望EEDI可以兼顾尽量多的技术和船型,这里不做过于详细的分析。

2、Capacity,视船型不同,代表船舶的吃水量,根据船型不同,单位可以是DWT,也可以是GT,总之最终单位是t。

3、Vref,船舶的航行速度,单位是kn(节),或者是nm/h(海里/小时)。

乘在一起之后,单位是t·nm/h。

换句话说,EEDI的公式的分母计算了船舶的做功能力,单位是t·nm/h。

1.3 EEDI公式总结

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,单位是g/tnm。

从这个单位就可以看出来,EEDI就是衡量把1t物品移动1nm(海里)所产生的CO2的重量。

EEDI越大,则船舶做功的能效越好,排放越少;反之亦然。

 

2EEDI的一些参数说明

2.1 PME(主机功率)及其相关参数

PME定义为主机额定装机功率(MCR)的75%。由于一般认为主机不会100%负荷运行,因此75%被认为是一个比较公平的工作点。

因此CFME和SFCME都需要主机工作在75%的MCR时的油耗和CO2的排放进行代入。

2.2 PAE(日用功率)及其相关参数

和PME类似,PAE也相当重要,而且PAE取值会影响CFAE和SFCAE的取值,最终影响总的CO2的排放量的计算。

PAE一般根据总推进功率来估算,根据总推进功率大于或者小于10000kW,分别有比较严格的经验公式可以套用。然而即便如此,经验公式也有可能和实际相去甚远。所以PAE也允许根据电力负荷计算书来获得。

2.3 CF

主要燃料的CF定义了燃烧该燃料之后向空气排放CO2的重量,主要由燃料本身的碳当量决定。视燃料类型的不同,CF差距很大,可以参见表格 1。

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表格 1 主要燃料的CF参数

可以看到重油的CO2排放量小于轻燃油,轻燃油又小于普通柴油,这是令人比较惊讶的,但是总体上三者差距并不大。

如果能使用LNG,则可以在CO2的排放上有较为显著的降低。

进一步,如果能使用甲醇和乙醇,由于碳当量的显著降低,CO2的排放的下降将导致EEDI的计算产生显著的优势。

2.4 SFC

SFC定义了燃料每产生1kWh所消耗的质量g。SFC和很多因素都有关系。一个EEDI的计算可以参见表格 2。

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表格 2 一个EEDI的计算例子

从表格 2可以看到,主机导致的SFCME和发电机组导致的SFCAE具有很显著的差距,分别是165g/kWh和210g/kWh。

2.5 Capacity及其相关参数

定义为夏季满水下的吃水,其中运输船用DWT(载重吨)来计算,客船或者客滚船用GT(总吨)来计算,集装箱船用70%DWT来计算。

2.6 Vref及其相关参数

Vref定义为无风无浪条件下,在用于EEDI计算的工况下(比如PME为75%MCR情况下)的船舶的航速。

Vref也可以在试航中获得,并根据风浪和负载等情况修正获得。

 

3 、EEDI的标准限值和执行阶段

根据上述公式计算出来的EEDI,称为Attained EEDI(EEDI计算值)必须要小于一个限定值才能算合格,这个限定值称为Required EEDI(EEDI限定值)。即Attained EEDI < Required EEDI才能过关。

遗憾的是,Required EEDI是一个变化的值,说先随着船舶吨位的增加而越来越严格(当然这是显而易见的,大船总比小船污染少),更为令人发指的是,随着时间变化,Required EEDI将会越来越严格。一个Required EEDI的示意图参见图表 1。

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图表 1 EEDI在不同阶段的标准

隶属于IMO(国际海事组织)的MEPC(海洋环境保护委员会)将Required EEDI的设定分为了3个阶段,目前已经开始了第一阶段的执行,要求在2010年的基础上进一步下降3%。到了2050年,则Required EEDI要在2010年的基础上下降30%。据说现在在酝酿第四阶段。

 

4、轴带发电的EEDI计算

EEDI采用一种非常理性的方式计算轴带发电的EEDI值如果我们聚焦EEDI的分子部分的红色主机功率排放部分和浅蓝色的日用电源的排放部分,则传统的计算公式为:

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如果主机里面有一部分功率用于PTO了。则该公式变为:

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也就是说,能量仍然守恒的,主机节约的PTO功率被用于日用电了。然而,两者的系数CF和SFC有区别,特别是SFC的取值,参见2.4的描述,两者的差距可以达到10%~20%之间。

这是轴带项目降低EEDI的主要原理。

假设轴带的功率占据主机功率的10%,CF和SFC相差15%,EEDI可以下降1.5%。

假设轴带的功率占据主机功率的15%,CF和SFC相差20%,EEDI可以下降3%。


    EEXI的定义,以及和EEDI的区别    

EEXI侧重于对于现有船舶的能效认定,特别针对那些生产较早而没有在设计阶段计算过EEDI的船舶而言。

EEXI的基本计算方法和EEDI的计算方法高度相似,即无论是计算公式还是公式所代表的含义都是完全一致的,也针对这个原因,只要EEDI已经验证,并且Attained EEDI < Required EEDI,那么Attained EEDI就可以直接认定为Attained EEXI。

就是因为两者高度相似,因此这里主要提一下EEXI和EEDI的不同之处。

1、PME(主机功率)的认定

EEDI将PME定义为主机额定装机功率(MCR)的75%。

然而在EEXI计算中,允许对主机安装一个非永久性的“限功率装置”(Shaft / Engine Power Limitation),此时主机的MCR就变成了MCRlim,PME也可以定义为MCRlim的83%,两者取小。

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图表 2 MCRlim示意图

这个MCRlim真的是一个大杀器,本质上给EEXI的计算提供了一个合法的降功率输出的“后门”。我们知道P/Vref基本上呈现出随着功率上升而越来越不经济的情况,换句话说增加50%的功率输出不可能得到50%航速的提升。所以法的降功率输出计算可以显著提升EEXI的计算值。

2、PAE(日用功率)的认定

EEDI可以接受经验公式,或者采用电力负荷计算书来认定PAE。EEXI在此基础上接受使用实际运营的年度平均值来认定PAE

EEXI还增加了邮轮和客滚船的经验计算公式。

3、SFC的认定

SFC定义了燃油消耗率,最好可以根据台架试验报告进行插值计算。然而一些较早的船可能连台架试验报告也不具备,此时EEXI的计算给出了一个缺省参考值。即:

SFCME ≈ 190g/kWh

SFCAE ≈ 215g/kWh

仍然,主机的认定显著优于发电机组的认定。

EEXI的SFC认定还可以接受经验证方批准的由制造商提供的SFC值。


   结                论   

本文档介绍了EEDI和EEXI的若干基础知识,可以达到如下结论:

1、EEDI和EEXI衡量把1t物品移动1nm(海里)所产生的CO2的重量,也就是船舶使用的能效指数。

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的计算方式基本一致,略有区别。

4、EEDI的限定标准采用分阶段执行的方式,会越来越严格。

5、采用轴带发电,可以降低EEDI或者EEXI几个百分点。

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