基于代理模型的递增排放罚金下车载碳捕集系统技术经济优化

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Techno-economic optimization of onboard carbon capture systems under escalating emission penalties using surrogate models

　　

**拟议方案要点：**

- 针对国际海事组织（IMO）温室气体（GHG）罚款机制，提出了一套船舶碳捕获系统（OCCS）的多期优化框架。
- 以替代模型取代基于物理过程的仿真，从而实现大规模优化计算。
- 采用双层结构分别处理系统设计决策与逐年运营决策。
- 富余碳捕集单元的市场经济条件决定了OCCS的可行性和最优系统规模。

**引言**

由于航运业约占全球二氧化碳（CO?）排放量的3%，国际海事组织（IMO）持续强化其温室气体减排监管路线图[1]。特别是，近期第83届海洋环境保护委员会（MEPC 83）会议讨论了基于温室气体燃料强度（GFI）对船舶征收排放罚款的具体金额和实施时间表[2]、[3]。值得注意的是，这些基于GFI的减排目标将逐年逐步收紧，使不合规的罚款力度随时间推移而不断强化。这种监管范式的转变意味着，温室气体减排已不仅仅是满足环境标准的问题，而已成为直接影响船舶全生命周期经济性的设计变量，因此必须在船舶的全生命周期内制定温室气体减排策略。

零碳替代燃料已被讨论为从根本上削减船舶温室气体排放的最终解决方案，但氨和氢等下一代燃料的发动机及关键部件尚未达到足够的技术成熟度，且这些燃料的高价格也进一步延缓了其全面商业化进程[4]、[5]。因此，目前新建船舶在进入全面零碳时代之前，主要采用碳排放相对较少的液化天然气（LNG）双燃料发动机作为过渡方案[6]。

与此同时，船舶碳捕获系统（OCCS）被认为是中期削减温室气体排放最具现实可行性的选项[7]、[8]、[9]。特别是燃烧后碳捕获（PCC）方法，即从燃烧后的废气中去除CO?，可应用于现有船舶推进系统，且具有较高的技术成熟度，因为该技术已在陆上发电厂得到广泛部署[10]、[11]、[12]。因此，OCCS与船舶能量系统集成的设计与评估已成为积极研究的课题。基于胺溶液的OCCS技术经济评估报告显示，捕获成本在78–389欧元/吨CO?之间，具体取决于船型、燃料、溶剂和捕获率[5]、[8]、[13]，并且已涉及监管和实际方面的问题，包括配备OCCS的船舶能效设计指数（EEDI）估算方法[14]，以及对现有船舶进行改造时所面临的舱室空间和燃料消耗约束[10]。此外，膜基系统等替代捕获技术也得到了评估，但需要显著提升性能才能与溶剂基工艺相媲美[11]，且多视角评估已将胺吸收确定为最具可行性的船上捕获方法[15]。

然而，尽管胺基OCCS是最具现实可行性的中期方案，但从废气中分离并液化CO?不可避免地会产生额外成本，这构成其实施的障碍。具体而言，额外的捕获和液化设备提高了资本成本，而再生胺溶剂所需的热能需由额外燃料供给，从而造成燃料惩罚。由于此类局限性适用于碳捕获与封存（CCS）的各个方面，包括陆上电厂，因此已积极开展以最大化系统效率为目标的设计和运行优化研究，以确保该技术的经济可行性。对于陆上电厂，运行参数、热集成和工艺配置的优化已大幅降低了胺基工艺的再生活能需求和捕获成本[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]，设备尺寸与弹性运行的同步优化使燃煤电厂CCS的总年成本降低了14%[22]。值得注意的是，Park等人提出了一种将碳税纳入CCS优化的方法，并估算了不同碳税情景下的最优CO?捕获率[23]。对于船舶应用，针对变发动机负荷下OCCS容量[24]、废热利用和热集成[25]、[26]，以及利用LNG冷能的集成能量系统[27]的优化研究表明，优化可大幅降低OCCS的燃料惩罚和温室气体避免成本。

与此同时，直接使用基于物理过程的工艺仿真器进行此类优化需要大量计算资源。特别是，PCC工艺的核心组件——吸收塔和汽提塔——需要速率基仿真，严格追踪相间传热传质以及化学反应，因此即使单一案例也涉及大量计算负荷和较长的收敛时间；再加上优化中固有的大量迭代计算，从根本上限制了搜索范围和适用的优化策略。为克服这一局限，基于机器学习的替代模型通过从预先获取的仿真数据中学习，能够在极短时间内以合理精度预测复杂工艺响应，引起了广泛关注。例如，替代模型已准确预测了PCC设施的能量需求和捕获率[28]，基于替代模型的方法也已应用于船舶捕获过程的能源性能评估[29]、大规模碳捕获与利用系统的优化[30]，以及OCCS的实时运行优化[4]。

尽管取得了这些进展，现有研究从生命周期视角来看存在一个共同局限。OCCS以及陆上CCS的现有优化研究通常是在固定运行和经济条件下的单一静态设计点确定最优设计与运行方案。即使明确考虑碳价格的研究，也将其视为固定值，并为每个独立情景确定相应最优解，而非追踪单一系统应如何随监管演变而响应。然而，MEPC 83引入的基于GFI的罚款方案逐年逐步收紧减排目标，使船舶承担的碳成本不再是恒定的，而是在其整个运营期内持续增强。在这种监管环境下，OCCS的设计和运行已无法通过单点优化来捕捉：设备必须在设计阶段一次性确定尺寸，而运行策略则应每年重新调整，以最小化累计成本来满足日益严格的目标。在整个船舶生命周期内联合优化一次性设计与逐年运行，构成了一个多期问题，其计算成本远高于以往研究采用的单点优化。文献中尚未报道过能同时考虑逐步加强的基于GFI的监管及其所导致的多期运行策略的OCCS优化方案。

为应对上述局限，本研究提出了一种集成优化框架，以确定在逐步加强的基于GFI的碳成本下OCCS的最优设计及其多期运行策略。本研究的主要贡献有三方面。第一，以往研究未反映最新的MEPC 83法规，而本框架将基于GFI的碳成本直接纳入OCCS的成本优化，从而实现船舶全生命周期的法规感知经济性评估。第二，该框架将OCCS的设计变量与逐年运行变量分离，通过分层结构进行优化，从而不仅推导出最优的一次性设备选型方案，还得出每年根据日益加强的监管主动调整的运行策略。第三，由于这种多期表述涉及比以往静态优化多得多的决策变量——运行变量的数量与船舶生命周期中的年数成正比——作为OCCS计算瓶颈的CO?捕获过程被替换为基于高斯过程回归（GPR）的替代模型，使得由此产生的大规模优化在计算上可行。在此基础上，将所提出的框架应用于配备LNG双燃料发动机的大型原油轮（VLCC），推导其最优设计和多期运行策略，并分析了GFI和生命周期成本随OCCS规模变化的行为，以全面讨论OCCS的经济效用和局限性。

**目标船舶与运行概况**

本研究选择VLCC作为目标船舶，其主要规格汇总于表1。根据IMO 2018年报告，油轮、散货船和集装箱船占国际航运部门CO?总排放量的60%以上[10]，其中原油轮是典型的高排放船型之一[9]。此外，VLCC的大船体尺寸可预留足够的甲板空间，有利于容纳OCCS。

**能耗与温室气体排放**

本研究将目标船舶的热率和功耗分为与OCCS运行无关的项目和随OCCS运行变化的项目。前者包括推进功率和辅助功率。推进功率及相应燃料消耗由发动机负荷模式决定，汇总于表1中；而辅助功率代表包括生活负荷在内的电力负荷，根据MEPC文件进行计算。

**替代模型验证**

本研究的替代模型基于Aspen Hysys V15生成的数据进行训练，其预测精度受底层工艺模型保真度的限制。为在替代模型验证之前建立该源数据的可靠性，首先根据Notz等人[52]报告的MEA基中试装置的实验数据对CO?捕获过程模型进行了验证。仿真在相同的塔器规格条件下进行。

**结论**

本研究开发了一种集成框架，在海洋环境保护委员会第83届会议讨论的逐步收紧的温室气体燃料强度（GFI）目标下，联合优化船上碳捕获系统（OCCS）的一次性设计与逐年运行。设计与年度运行变量被分离为分层决策层，高斯过程回归替代模型取代了速率基胺工艺仿真。

**生成式人工智能及AI辅助技术在稿件准备过程中的声明**

在本工作准备过程中，作者仅使用Claude（Anthropic）进行代码审查、语言翻译以及语言质量和可读性的改进。使用此工具后，作者根据需要审查和编辑了输出内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。原始手稿及所有科学内容均由作者撰写，作者对发表内容承担全部责任。

**CRediT作者贡献声明**

Minsoo Choi：撰写–原稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。Jinyeong Jeong：撰写–审阅与编辑、撰写–原稿、方法论、调查、数据管理、概念化。Daejun Chang：监督、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、概念化。

**利益冲突声明**

作者声明，没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

**致谢**

本研究由海洋科学技术振兴院（KIMST，由海洋水产部资助）资助（RS-2024-00420021）。

Minsoo Choi | Jinyeong Jeong | Daejun Chang