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船舶替代燃料：基于瑞典利益相关者的
多准则决策分析的前景
1 引言
在全球贸易中占比80%以上的海上运输业主要使用化石燃料中的重油以及船用轻柴油。由于这些船用燃料燃烧后会排放温室气体（GHG）、氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx），所以在短期和长期内减少航运对环境和气候造成的影响是很有必要的。
国际海事组织（IMO）的近期战略目标是：到2050年，国际航运业每年温室气体的排放总量相比2008年至少减少50%。为实现这一目标，IMO还制定了目标以减少由有效载荷距离货运指标测得的二氧化碳（CO2）排放量：与2008年相比，到2030年CO2排放量减少40%，到2050年减少70%。而欧盟的目标是，到2050年，航运业每年的CO2排放量相比2005年至少减少40%。
为实现这些CO2减排目标，需要采取有效的节能途径以引进比传统燃料CO2排放量更低的船用替代燃料。这样做也会减少NOx，SOx（在某些排放控制区域会受到限制）以及颗粒物（PM）的排放。
目前有很多潜在的船用替代能源，包括例如液化天然气（LNG）、液化沼气（LBG）、甲醇、氢、加氢植物油（HVO）、乙醇，风能和电能。以上不同能源形式的技术性能和其他特性也不相同，包括对环境的影响、实用性、成本和基础结构，从而影响了该能源在海上推进方面的潜力。因此，航运业和相关政策制定者必须通过评估一系列替代燃料的多种因素来选择出未来的船舶燃料。
在现有文献中可以找到比较上述船舶燃料及推进技术的经济和环境性能的研究。然而，为了更好地了解不同燃料尤其是生物燃料的潜力，就有必要进行涵盖多种因素的结构性评估。
考虑到多种因素以及利益相关者和专家，最近的研究在化石燃料的基础上评估了不同可选择的替代燃料。Deniz和Zincir根据十一个环境和经济标准比较了四种船舶替代燃料：甲醇、乙醇、液化天然气和氢。通过应用多准则决策分析（MCDA），他们发现液化天然气是最适合的替代燃料，其次是氢（可以替代液化天然气），而甲醇和乙醇则不适用于航运业。同样在十一个标准下运用MCDA，Ren和Liang对船用的液化天然气、乙醇、氢进行了比较，发现氢或液化天然气是最可持续的船用燃料。然而在十个标准下运用MCDA比较分析液化天然气、核能以及风能时，Ren和Luuml;tzen发现核能是船舶替代能源中最可持续的，其次是液化天然气。
这些研究的结论依据取决于研究包含的燃料，燃料生产途径的假设，当前燃料的性能以及专家组的意见。因此，如果涵盖更广泛的燃料选择范围，特别是生物燃料，以及对利益相关者对燃料排名的偏好有更确切的评估，研究结论也更具全面性。
本次研究旨在采用MCDA方法对包括生物燃料在内的七种所选替代燃料在2030年远洋航行的前景下进行评估，尤其要考虑到不同利益相关者偏好带来的影响。七种燃料分别是：液化天然气、液化沼气、天然气制甲醇、生物质可再生甲醇、由天然气或者可再生电（elec-H2）电解产生的氢（用于燃料电池）以及加氢处理的植物油。此外，还包括重油（HFO）作为基准。 这项研究包括评估影响船舶燃料选择的各种因素（包括经济、技术、环境和社会方面）。此外，根据瑞典海事利益相关者小组的意见，采用层次分析法（AHP）对不同情况下燃料方案进行多准则分析，得出燃料方案的排名。
我们猜测航运业不同的相关参与者的优先事项和价值取向将导致船舶替代燃料选择的排名不同。在以化石燃料为基础的替代燃料中，LNG因其价格及供应方面的优势有望被航运业相关参与者排在前列。而由于可再生能源的选择都有其利弊，因此很难做出预测。从长远的环境角度来看，氢具有相当的开发潜力。而甲醇和HVO在经济和基础设施方面具有长远的优势。
2 讨论
无论是从短期还是长远来看，我们都需要船舶替代燃料来减少航运对环境和气候的影响。近年来，人们逐步意识到替代燃料的重要性，对不同特性的燃料的关注度也不断升高。然而船用燃料的特性因燃料类型和采用工况的不同而产生差异。例如，有些燃料具有更好的经济性能或减排效果，而有些在基础设施或实用性方面表现更好。这意味着综合比较是一项复杂的任务，因此需要运用到多准则决策分析的方法。
尽管液化天然气在这些燃料中价格最高，但对于整个联合小组以及船东、燃料生产商和发动机制造商来说它的综合排名是最高的。这是因为液化天然气对于航运业大多数利益相关者具备价格和经济性的优势。这一结果也反映了航运业目前的发展情况，即液化天然气与使用氢燃料和洗涤器的船舶一起被引进。船东、燃料生产商和发动机制造商将重油排在液化天然气之后的第二位，随后是甲醇。值得一提的是，瑞典的一家企业Stena Line在他们的一艘船舶上使用了甲醇（在瑞典-德国航线行驶）。
可再生氢燃料被认为在即将出台的法案、燃料供应可靠性以及减排效果方面都有较优的表现。这就解释了为什么专家小组对它的排名最高。然而，由于燃料的生产、投资和运营的成本是最高的，所以除了一些组合情况外，在其他情况下它和天然气的排名最低。在一些情况下，液化天然气与氢燃料排名最高，这一点与Deniz和Zincir以及Ren和Liang的研究发现是一致的，虽然这些研究所包含的替代燃料选项是不同的。
排名最高的生物燃料在不同群体间也有很大的差异。专家小组和燃料生产商对可再生甲醇非常感兴趣，而其他利益相关者则有另外的选择。因此，航运业使用不同生物燃料的潜力难以根据这项评估得出明确的结论。从短期来看，相比于可再生甲醇，在液化天然气中混合低浓度的液化沼气以及在柴油中混合低浓度的加氢植物油都因相对简化的实现过程而更容易被选择。为了更好地理解生物燃料的作用，以及在特定情况下，不同的船舶燃料对于航运业不同的部门所具有的成本效益和吸引力，我们需要从能源系统的角度进行补充评估。
对于不同的船用替代燃料，每种标准对于最终结果的相对重要性在一定程度上有所不同。在大多数标准中，不同燃料的重要性差别很小。然而，对于所有利益相关者来说，相比于化石燃料的选择，在选择可再生燃料时，燃料的价格更为重要。
标准的选择会影响燃料的排名，不同标准的选择也可能导致不同的结果。在一组标准中所含标准数目越多，则在另一组标准中，通过同等或更全面的评估而产生大不相同的排名的风险会越小。然而，本研究选择的标准已包括许多关键的方面，更多的标准可能对决策过程或阐明不同生物燃料的作用没有更大的用处。不过，研究包括附加标准的影响将是有趣的，例如更具体地说，对货运能力的影响，不同燃料选择可能对环境的影响（与绿色营销有关），或者低浓度混合更具体的潜力。此外，技术锁定对选择替代燃料的引入的重要性也可以具体加以讨论，特别是在长期的评估中。这是因为船上发动机的类型决定了可以使用的燃料类型。然而，船舶上更为灵活的双燃料发动机的引入和发展增加了燃料的兼容性，这在一定程度上可能会减少技术锁定的风险。但是例如，向液化天然气的过渡可能有助于引入液化沼气，即一些标准比其他标准（如绿色营销）更难用量化的方式来表示。
敏感性分析在一定程度上检验了与某些参数值相关的假设与不确定性。然而，给定燃料的不同生产途径可能产生不同的标准性能，在某些情况下可能缺乏数据，这也增加了预测或估计未来燃料特性的难度。例如，在生物燃料中，原材料的不同直接影响到燃料的排放特性。这可能会影响生物燃料的内部排名。
2030年燃料价格的极不确定性对研究结果有很大影响。化石燃料的燃料价格可以通过征收碳税来提高，在劳埃德船级社的调查中，航运利益相关者表示愿意为每吨二氧化碳排放支付50美元。然而，在本研究中，燃料排名的显著变化要求二氧化碳排放税高于每吨300美元。
在总体组合和若干分组中，本研究的利益相关者在选择燃料时，相比技术、环境和社会因素，更着重考虑了总体经济标准，特别是燃料价格。然而，政府专家小组重视环境标准，特别是温室气体的影响。可靠的燃料供应，满足当前和即将出台的法规的可能性，以及安全性也被认为是重要的方面。
本研究的一个局限是利益相关者的数量有限。但是，他们涵盖了许多不同的相关者群体。其他利益相关者或利益相关者群体可能会以不同的方式评估这些标准，这可能会影响燃料排名。作为比较，在评估船舶燃料时，Ren和Liang还考虑了三个更普遍的相关者群体，包括船东、管理者和学者。Osorio-Tejada, Llera-Sastresa在评估铁路部门的运输燃料时，还考虑了四个不同的相关者群体（包括公司所有者、研究学会、中小企业和环保主义者）。在本研究中，还应该包括一个代表运输卖家的利益相关者群体，例如IKEA或SCA（一家瑞典大型林业产品公司）。
不同利益相关者及群体的偏好可以通过他们分配给不同标准的权重来体现，这些权重会影响燃料排名，进而影响燃料的选择。任何旨在产生单一排名的方法论中，都存在权衡利弊的挑战，例如，要避免有些信息被其他信息压制，从而隐藏着整体结果中。为了在评估中减少这种影响，我们试图通过定义标准来减少权衡的风险，尽量避免重叠，并且向利益相关者仔细地描述了标准。
标准的执行与重要性可能会变化，例如，由于新的政策，可能会改变生物燃料的条件。国际海事组织提出的关于到2050年减少国际航运温室气体排放的战略对于航运部门来说是一项挑战。因此，若要了解哪些政策措施以及具体的政策设计可以被有效地实施，就需要进行政策分析。
额外的敏感性分析可以改变每个利益相关者群体对最重要的标准和次要的标准之间的权重。通过对相同的数据运用另一种MCDA法来验证我们的发现的可靠性十分重要。例如，通过研究其他的方法来处理不完整和不确定的信息。以船舶燃料为例，Ren和Luuml;tzen发现采用这种方法得到的结果与传统AHP法测定的结果相当。
目前有若干措施在船舶替代燃料的使用和生产方面采用实施。除了近海航运使用的液化天然气和电力推进外，大多数项目和活动都处于试点或试验阶段。因此，在经济上切实可行的船舶替代燃料的实施仍有很长的路要走，尤其是远洋航行。电燃料（由二氧化碳和水利用电能产生）也可能是未来远洋航行的一个有趣的选择。这种能源形式的潜力仍需要进一步评估。不考虑具体的燃料选择，由于许多利益相关方仍将基于化石燃料的选择排在较高的位置，而政府的专家小组将可再生燃料排在前面，因此，采用可再生船舶燃料需要政府政策的支持。而政策应影响到燃油价格关系等。
目前，生物燃料主要用于近海航行和公共交通。其中部分原因是它们的实用性有限。然而，一些生物燃料（LBG，HVO和可再生甲醇）也可以归于船舶替代燃料中。生物燃料的生产途径主要来自农林废弃物和海底资源，这种生产途径的发展可能增加生物燃料总体的实用性，从而提高航运应用的潜力。而其他部门（道路运输和航空）对生物燃料的竞争以及其他部门对生物燃料的需求，将影响生物燃料在航运业使用的潜力。
高效底部动力循环船舶发动机废热回收综述
1 引言
根据2014年的“第三次国际海事组织(IMO)温室气体(GHG)研究”：从2007年到2012年，船舶排放的二氧化碳平均约占全球二氧化碳排放的3%。而根据未来的社会经济条件，从2012年到2050年船舶二氧化碳排放预计会增加50%-250%。尽管国际航运被排除在巴黎公约之外，IMO仍在《MARPOL公约附则VI》中采用能效设计指数（EEDI）在船舶的能效控制上限制了二氧化碳排放量，该规定将逐步严格化。相比于2013年建成的船舶，建于2020年至2024年的船舶能效应当提高20%，2025年或以后建造的船舶能效应当提高30%。
图1 2012年不同类型船舶的二氧化碳排放占比
图1为2012年不同类型船舶的二氧化碳排放情况。从图中可以明显看出，二氧化碳排放主要来源于三类船舶：集装箱船、散货船和油船。其中，集装箱船因其设计速度快、载重量大的特点对二氧化碳排放总量贡献最大，达25.6%。其次是散货船（20.8%）和油船（15.5%）。其他类型的船舶，如杂货船、化学品船、巡航船和渔船，约占总二氧化碳排放量的38.1%。
目前已经提出和采用了许多技术和策略来减少船舶的温室气体排放。例如，减速航行、优化船体和螺旋桨结构、船体涂层、空气润滑和风力辅助都是提高船舶推进效率的典型方法。向使用低碳燃料转变同样潜力巨大。使用液化石油气（LPG）以及液化天然气（LNG）的二氧化碳排放量要比使用传统重油（HFO）低约20%。对于船用发动机，特别是低速二冲程柴油机来说，考虑到目前其设计方面的限制，根据卡诺循环，它的热效率较高（约50%）已接近最高值。因此，进一步优化缸内动力循环并不能大幅度提高发动机效率。由于燃料燃烧产生的能量约有50%流失到大气环境中，废热回收（WHR）便被提出并且被证实为是一种不增加燃料消耗而增大功率的有效方法。由于节省燃料而减少的氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)和颗粒物(PM)的具体排放量也减轻了日趋严格的排放法规带来的限制。
图2 典型的船用二冲程发动机(MAN 12K98 ME/MC)在100%额定转速下运转的热平衡图
图2为典型的船用二冲程发动机(MAN 12K98 ME/MC)在100%额定转速（SMCR）下运转的热平衡图。从图中可以看出，废气约占总废热的一半，其次是扫气冷却、水套水冷却、润滑油和少量的热辐射。根据负载和环境条件，二冲程发动机和四冲程发动机在涡轮增压器后的排气温度分别为250-300℃和300 - 350℃之间。在燃烧重油的船舶发动机内，硫酸腐蚀限制了WHR系统对废气的利用，所以WHR系统的设计应注意避免硫酸腐蚀的危害。缸内扫气在发动机满载时的最高温度可达200℃，同时还含有大量的余热。此外，扫气可以在不考虑硫酸低温腐蚀的情况下进行冷却。然而，扫气空气中热量的可用性取决于负荷，因为在发动机在25%的
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