胡敬梁 田兆波 王 兴 李 磊
（1.中国船级社青岛分社，山东青岛 266000；
2.山东海运散货运输有限公司，山东青岛 266000）
为实现航运碳强度2030 年减排40%的战略目标，促使航运温室气体排放尽快达到峰值，国际海事组织海上环境保护委员会（MEPC）于2021 年6 月召开的第76届会议审议通过了《MARPOL 公约》附则VI 的修正案MEPC.328(76)[1]，对国际航行的现有船舶提出了能效指数（EEXI）限值要求和营运碳强度指标（CII）评级要求。该要求将在2023 年1 月1 日起实施，覆盖散货船、集装箱船、油轮、客滚船等12 种主要船型。根据VesselsValue 网站最新发布的报告显示，超过75%的油轮，散货船和集装箱船不符合EEXI 的要求。这些船舶将不得不采用限制发动机功率、加装节能设备等方式提升能效以满足要求。然而船东大多对节能改造的实际效果不甚了解，相关的投资回报也不甚清晰,因此不敢贸然选择改造船舶。本文通过EEXI 的计算公式，对某大型矿砂船加装节能设施前后的能效水平进行量化分析，为其他船舶的节能改造和船东后续船队规划提供参考和建议。
1.1 EEXI 简介
EEXI（ENERGY EFFICIENCY EXISTING SHIP INDEX）指的是现有船舶技术能效指数，与EEDI（新船能效设计指数）要求类似，MEPC.328(76)要求的 EEXI（Required EEXI）基本等同2022 年4 月1 日生效的对新造船的Required EEDI 要求（EEDI Phase2 或 Phase3，视船型而定），但对部分船型有所放宽。纳入要求的12 种400 总吨以上的常见船型需在2023年1 月1 日起首次IAPP 证书年度、中间或换证检验（取早者）完成EEXI 验证，并换发IEE 证书。因此，所有需要满足EEXI 要求的船舶必须在2023 年的第一次IAPP 常规检验前，完成对船舶的Attained EEXI 评估工作。对于不满足EEXI 要求的船舶，应采取有效措施使得船舶的Attained EEXI 不大于船舶的Required EEXI。相关的EEXI 技术案卷和提高船舶能效措施的文件需要获得主管机关或者被认可组织的批准。
1.2 EEXI 计算
EEXI 计算公式如下：
EEXI 计算公式主要由四部分构成：主辅机功率和油耗、载运能力、航速和修正系数。受篇幅所限，本文不对公式展开论述。由于此次船舶主要在船体上加装了前置预旋导轮和消涡鳍两个节能装置，在EEXI 计算中对于船舶的主辅机功率和油耗、载运能力和修正系数没有影响。因此本文只叙述航速对于EEXI 计算的影响。
1.3 参考航速Verf 介绍
不同于EEDI 的计算，EEXI 的参考航速可以通过多种渠道获得，例如船舶EEDI 报告、船模水池试验数据、航行试验数据、营运中的航速测量、估算法等。对于船舶在船体上加装的节能装置，其提升的能效无法直接带入EEXI公式进行计算。如果需要获得节能改造后船舶新的Attained EEXI，通常需要在改造后进行船模水池试验、航行试验数据收集等方式，重新获得船舶的参考航速Verf。从计算的角度讲，在相同的功率、油耗和载运能力下，船舶通过节能装置的改造获得了更高的航速，反应在计算中的Attained EEXI 值更小，因此能效更高。本文中所述船舶亦是用此种方法获得改造后的Attained EEXI 值。
为了进一步提升船舶能效，满足EEXI 的要求，提升未来CII 的评级，某公司将其营运的大型矿砂船进行了节能装置的改造。在船舶坞修期间为其加装了前置预旋导轮和消涡鳍。其中，前置预旋导轮（PSV）是一种由导管和定子组合而成的水动力节能装置，装于螺旋桨前方的船体上。前置预旋导轮以较小的阻力为代价，产生预旋进流以降低螺旋桨尾流的旋转能量损失，从而提高了螺旋桨的推进效率[2]；
消涡鳍是在螺旋桨导流帽上增设与桨叶数相同的小鳍片，以消除螺旋桨毂涡能量损失为目的的一种船舶水动力节能装置。根据经验预测，加装前置预旋导轮能效提升约为3%至8%，消涡鳍的能效提升约为2%～ 5%。
为了对比节能改造前后的船舶能效提升，对某大型矿砂船改造前后进行了两次Attained EEXI 计算。
首先，要确定本船的Required EEXI。由于改造前后船舶的载重吨并未发生改变，因此船舶的Required EEXI 在改造前后不发生变化。本船所需达到的Required EEXI 计算过程为：
根据MARPOL 附则V 第24 条表2 获得本船的基线值RLV（reference line value）：
Required EEXI 计算过程如下:
其中,y=15 为本船在MARPOL 附则V 第25 条表3 中获得的折减系数。
由以上计算可得，本船的Required EEXI 为2.07 g-CO2/ton mile。
与船舶EEXI 计算相关的主要参数有：
（1）载重吨：402 387.1 t
（2）主机的MCR（Maximum Continuous Rating 最大持续功率）为：29 260 kW
（3）主机在75% MCR 下的燃油消耗率为：174.16 g/kWh
（4）3 台辅机的MCR 为：1 270 kW
（5）辅机在50%的MCR 下的燃油消耗率分别为：194.52/194.39/193.15 g/kWh。
（6）主辅机的燃油消耗率均取自台架试验，使用燃油类型为柴油。因此主辅机的燃油消耗量与CO2排放量之间的转换系数CF均为3.206。
以上的参数在前后两次测算过程中均未发生变化，后面不再复述。
3.1 改造前的船舶航速的获取及EEXI 测算
改造前后发生变化的主要参数为船舶的参考航速Verf。EEXI 计算导则MEPC.350(78)[3]中列举了多种获取参考航速Verf的方法。对于EEDI 船舶，在EEXI 的计算中直接使用EEDI 的航速即可；
对于非EEDI 船舶，可以利用模型试验、试航报告和EEXI 计算导则给出的估算公式、船舶在实际运营中的实测数据等方法获得航速。
标题轮为非EEDI 船舶，由于在试航的过程中，船厂对船舶在EEDI 吃水下的航速进行了测试，记录了风浪流等数据，并利用船模水池实验数据对航速进行了校准。符合MEPC.350(78)中2.2.3.3 条对于非EEDI 船航速的认定标准。因此采用以下公式获得航速Vref：
其中，
VS,EEDI：是指在EEDI 吃水下获得的试航服务航速。
PS,EEDI：是指在VS,EEDI航速下的主机功率。
在试航报告中，获得的VS,EEDI为15.17 kn，PS,EEDI为21 627 kW。
最终可得Vref为：
将以上数据带入EEXI 计算公式，可得到本船改造前的Attained EEXI 为：
由以上计算可得本船改造前的Attained EEXI 为2.10 g-CO2/ton mile。
由于本船在改造前的Attained EEXI 大于了Required EEXI。因此，如果不经改造，本船将不得不采取降低主机功率的方式满足Required EEXI 要求。
3.2 改造后的船舶航速及EEXI 测算
根据MEPC.350(78)第2.2.3.7 条规定，如果船舶加装了节能设施，其能效的提升可以由船舶的参考航速Vref体现。获得Vref的方法应符合相关的技术标准，并应由相关机构进行认可。船舶的Vref可以通过以下的方法获得：
（1）加装节能装置后进行的航海测试；
（2）船舶营运中的实测数据；
（3）船模水池试验；
（4）数值模拟计算。
出于成本和可操作性的考量，目前绝大部分船东选择了船模水池试验的方式获得航速Vref。通常由改造方提供从船舶改造设计、实船改造、船模水池试验全套服务。本船的船模水池试验是由改造方执行，并经船级社认可。
通过船模水池试验，可以获得船舶在符合EEDI 吃水和工况下的速度功率曲线，具体见表1、图1：
表1 船舶在符合EEDI 吃水和工况下的速度功率
图1 船舶在符合EEDI 吃水和工况下的速度功率曲线示意图
其中：
将新的航速Vref 带入EEXI 计算公式，可得到本船改造后的Attained EEXI 为：
改造后的Attained EEXI 为2.04(g-CO2/ton mile)，小于本船需要达到的Required EEXI 为2.07 (g-CO2/ton mile)。此时船舶已经无需再使用其他措施即可直接满足EEXI的要求。
虽然本船通过节能改造成功的使船舶满足了EEXI 的要求。但是通过对数据的分析可发现，基于EEXI 计算方法获得的船舶能效提升并不如预期中的理想。根据前面的计算，本船的Attained EEXI值由改造前的2.10(g-CO2/ton mile)提升至2.04(g-CO2/ton mile)，提升幅度仅为3%。
与此同时，为了评估改造后实船能效的提升，船东统计了改造后首个往返航次的油耗数据。为了排除船体污底程度差异对节能效果分析造成影响，船东提供的节能改造前油耗为上一次船舶坞修后的第一个往返航次的营运数据。为了排除恶劣天气、海况对实船营运油耗数据分析的影响，在去除了所有浪高大于3 m 所在日期的油耗数据后，进行了对比分析。分析结果见表2：
表2 节能改造后装载状态下油耗比较
从表1 可以看出，实船日均油耗在改造后降低了7.81%，与改造方提供的预测能效提升值接近，远高于EEXI 计算中3%的能效提升。综合分析两种能效评估过程，产生以上差异的根本原因，是EEXI 和船东统计能效的侧重点不同。EEXI 选择了参考航速Verf来统计能效提升，而船东则选择了油耗来统计能效提升。
根据EEXI 的计算公式，Attained EEXI 的结果正比于船舶的Vref。因此船舶改造后Attained EEXI 值的提升完全正比于船舶的Vref提升。本船的参考航速Vref由改造前15.24 kn提升至15.7 kn，提升幅度约为3%，因此Attained EEXI 值也相应地提升了3%。
而在船舶实际营运的过程中，船东会综合市场需求、合同、油耗经济性等多方面因素确定航速。本船固定往返于巴西和亚洲间的港口，在营运过程中的工况相对固定。对于船东来说，衡量船舶能效的标准是油耗而不是航速。因此在改造后船东的能效分析结果是基于相同航速下修正后的油耗下降。此外，改造方所提供的节能装置能效提升的预测值，也是基于油耗而非航速。而根据经验，主机输出功率与航速的大约成三次方的关系，而主机功率与耗油基本呈线性关系[4]。
由以上分析可知，EEXI 的衡量标准是航速，船东和改造方的衡量标准是油耗，由于二者存在近似三次方的关系，所以即使不考虑获得航速过程中产生的误差，船舶改造后的Attained EEXI 值提升的百分比也一定会显著小于船舶油耗下降的百分比。
即将生效的船舶EEXI 的要求，对许多船东来说是沉重的打击。例如：根据数据统计，2009 年左右国内船东大批量建造的57 000 载重吨大灵便型船散货船，为了满足EEXI 要求，普遍需要将主机功率由9 000～ 10 000 kW 降低至5 000～ 6 000 kW。这样大幅度的降低功率，基本意味着船舶在市场上完全失去了生存能力。对于某些船东来讲，自己手里的船舶一夜之间即大幅贬值，未来的盈利能力几乎消失。
这个时候，船东往往会病急乱投医，急于寻找一个解决方案来挽救公司的船队运力。而加装节能装置往往会成为船东的优先选择。但通过前面的分析可知，如果单纯为了提升船舶Attained EEXI 值而加装节能装置，结果未必能如预期。根据经验，常见的节能技术的能效提升估值分别为：
（1）前置预旋导轮：3%～ 8%
（2）气层减阻系统：8%
（3）前置预旋导轮：3%～ 8%
（4）螺旋桨优化：3%～ 5%
（5）消涡鳍：2%～ 5%
（6）高效舵优化：1%～ 3%
通过以上数据可以看出，节能装置只能为船舶提供小幅度的能效提升，想要根本扭转船舶能效的状况比较困难。而以上的提升幅度均基于船舶的油耗测得，如果转化为航速，则提升的百分比将更小。在某些极端的情况下，改造后的EEXI 测算结果甚至为零提升。
例如：某艘57 000 载重吨的散货船。在改造前，利用最基本的估算法获得的Verf为13.93 kn（EEXI 计算导则MEPC.350(78)中规定的最基础的航速获取方式，船舶航速是从IHS Fairplay 数据库数据统计回归得到的估算方法，只需要船舶的主尺度即可获得船速，但通常获得的船速值显著低于其他方法）；
改造后，通过水池试验获得的Verf为13.86 kn。由于船舶基础能效太差，导致经过改造后水池试验实测的航速低于数据库中此类船舶统计回归的均值。最终船舶不得不沿用改造前的航速以获得更好的Attained EEXI值，改造完全没有取得预期效果。
因此，在进行船舶改造前，船东需要对自己的船舶进行认真评估。不能盲目地选择加装节能装置。需要仔细研判船舶在改造前的EEXI 技术案卷，确认主机功率EPL（Engine Power Limitation）值，评估自己船队在该功率下是否能满足营运需要。并与技术案卷出具方、改造方、船级社进行有效沟通，预估船舶加装节能装置后实际的船速提升。避免使用油耗数据作为船舶能效提升的依据，想当然地以为降低了多少油耗就会提升多少船舶的EEXI 值。如果条件允许，提前计算改造后的EEXI 技术案卷，获得改造后Attained EEXI值和主机功率EPL 值。如果确认改造后船舶EPL 功率可以使船舶重新满足营运需要后再着手进行改造。避免浪费大量时间和金钱却无功而返的尴尬。
然而，即使船舶通过改造，获得了在EPL 后继续正常营运的能力，船东也需要对自己的船队配置进行长线规划。MEPC 在第76 届会议上不仅通过了国际航行的现有船舶提出了能效指数（EEXI）的要求，还提出了营运碳强度指标（CII）的评级要求。对于5000 总吨以上的需要满足EEXI要求的12 种船型，还需要编制SEEMP PART III，并从2023 年起收集船舶油耗、总航行距离等数据，从2024 年起每年计算Attained annual CII值并按营运能效从高到低分为A、B、C、D、E 五个等级，其中等级C 为对应Required annual CII 值。对于连续三年评为“D”或评为“E”级的船舶，公司应修订SEEMP PART III，纳入改进措施计划以满足Required annual CII。其中，Required CII 的基线值为2019 年的船型营运碳强度值。2023 的折减系数为5%，此后三年的折减系数每年递增2%，2027 年以后的折减系数暂未确定。虽然相较于EEXI，现阶段CII 的惩罚措施较为软性，但却有着长期的影响。在船舶普遍进行评级后，低评级的船舶可能会遭到货主的抛弃。同时，随着全球节能减排的大趋势不断加速，2027 年以后国际海事组织（IMO）可以利用CII 这个工具继续收紧对船舶能效要求，并加大惩罚力度。
通过MEPC 76 次会议通过的两个要求可以看出，IMO的最终目的是推动整个航运业的节能减排，最终实现碳达峰和碳中和。随着EEXI 和CII 要求的实施，现有的低能效的船舶将逐步失去竞争力，并会以更快的速度退出市场。因此，对于船东来说，即使自己的船舶在EEXI 要求下涉险过关，也要对自己的船队做长远打算，逐步清理掉自己船队中能效较差的船舶。此外，船东还应关注某些普遍能效较差的船型。例如：本文前述的2009 年左右建造的57 000 载重吨大灵便型船散货船。由于船东造船普遍存在着“一窝蜂”的特点，在某一个时间段内会集中建造大量的某种船型，而这些船舶往往有着相似的能效指数。在EEXI 和CII 的双重要求下，这些船舶预计会在未来某一个时间段大批量退出市场。而船舶建造的固有周期决定了市场空白无法立刻被填补。因此在这个时间差内的造船价格和船运价格的波动需要船东格外加以关注。
本文通过某大型矿砂船在改造前后Attained EEXI 值的变化，分析了船舶节能改造装置对船舶EEXI 计算结果的影响，并对船舶进行节能改造及后续船舶执行CII 要求提出了合理化建议。为船东的后续船舶改造、船舶更新提供了参考。
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