**基于IMO净零框架的牲畜运输船甲醇推进系统环境与法规评估——以MV Ganado Express为例**

《Environments》：Environmental and Regulatory Assessment of Methanol Propulsion for a Livestock Carrier Under the IMO Net-Zero Framework

　　

牲畜运输船（livestock carrier）因持续使用传统化石燃料而产生温室气体排放。本研究基于理论稳态工况，以牲畜运输船MV Ganado Express为案例，将其搭载的W?rtsil? W7X35柴油机替换为W?rtsil? 46F甲醇燃料发动机（额定功率7500 kW，按81.2%负荷运行以输出所需的6090 kW），并利用已公布的单位燃料消耗值和排放因子进行分析。采用自下而上（bottom-up）方法估算了24小时航行期间的燃料消耗与尾气排放，并在国际海事组织（IMO）海洋环境保护委员会第83届会议（MEPC 83）批准的IMO净零框架（IMO Net-Zero Framework）两层级目标下，对2028–2035年间的年度从油井到尾流（well-to-wake, WtW）温室气体燃料强度（greenhouse gas fuel intensity, GFI）及合规成本进行了评估。由于甲醇属含碳燃料，其从油舱到尾流（tank-to-wake）的二氧化碳排放量几乎未变，仅下降5.4%，而氮氧化物（NO_x）排放量下降73.2%，硫氧化物（SO_x）排放则被完全消除。脱碳效益实际上体现在全生命周期层面：使用可再生电制甲醇（e-methanol），年度全生命周期排放量从29897 tCO₂eq降至2291 tCO₂eq。自2028年起，柴油运行将超过两个层级目标，合规成本从每年91万美元上升至385万美元，而电制甲醇在整个评估期内均保持直接合规状态。然而，电制甲醇仍是成本更高的选项，至2035年，年度成本差距从1510万美元收窄至1220万美元。

## 论文解读：IMO净零框架下牲畜运输船甲醇推进的环境与法规评估

### 一、研究背景与问题提出

气候变化已成为二十一世纪最严峻的全球性挑战之一。航运业承担着全球80%以上的商品贸易运输量，是世界经济的支柱，但同时也是大气排放的重要来源。2018年，航运业共排放10.56亿吨CO₂，约占全球人为CO₂排放的2.89%，此外还排放大量氮氧化物（NO_x）、硫氧化物（SO_x）和颗粒物。研究表明，海运贡献了全球约15%的NO_x排放和11%的SO_x排放，凸显了清洁推进技术的迫切需求。

为应对上述环境问题，国际海事组织（IMO）不断推出日益严格的温室气体减排法规。根据《2023年IMO船舶温室气体减排战略》，IMO目标为到2030年国际航运碳强度较2008年至少降低40%，到2050年前后实现净零排放。2025年4月，IMO在MEPC 83会议上批准了两层级温室气体燃料强度合规框架——IMO净零框架，作为《国际防止船舶造成污染公约》（MARPOL）附则VI新增第5章。该框架以2008年参考值93.3 gCO₂eq/MJ为基准，从2028年起对船舶提出两个年度减排目标：基础目标（Base Target）和更严格的直接合规目标（Direct Compliance Target）。船舶若GFI超过基础目标，将同时产生Tier 1和Tier 2合规赤字，分别按100美元/tCO₂eq和380美元/tCO₂eq的价格通过补救单位（remedial units）平衡。

牲畜运输船是海运业的重要组成，支撑着全球动物产品的供应链。研究预测2050年全球畜产品需求将较2020年增长约38%，因此该船型的环境绩效改善对可持续海运至关重要。然而，目前尚无研究针对牲畜运输船的甲醇推进系统及其在IMO净零框架下的Tier 1和Tier 2合规赤字进行量化评估，本文的研究空白正在于此。

### 二、研究内容与重要意义

研究人员以牲畜运输船MV Ganado Express（2013年由中远广东船厂建造，总吨位10421，设计运输约4000头牛）为案例，在理论层面将其原有的W?rtsil? W7X35型二冲程低速柴油机替换为W?rtsil? 46F型四冲程中速甲醇燃料发动机，在保持相同推进功率（6090 kW）的稳态工况下，系统比较了两者在24小时航行期内的燃料消耗、CO₂、NO_x和SO_x排放，并评估了2028–2035年间的年度WtW温室气体燃料强度及合规成本。

本研究的三重贡献在于：（1）在相同输出功率下，对一艘真实牲畜运输船的柴油与甲醇运行进行了连贯且完整记录的稳态比较；（2）明确区分了从油舱到尾流（TtW）尾气排放与WtW温室气体强度，将甲醇的脱碳效益定位于全生命周期层面；（3）依据MARPOL附则VI修订草案的定义，对2028–2035年进行了逐年合规成本评估，并包含对电制甲醇温室气体强度的敏感性分析。该研究为牲畜运输船船东和运营方提供了在新法规框架下评估替代燃料方案的重要参考。

### 三、关键技术与方法概述

本研究采用自下而上的排放估算方法，基于船舶在6090 kW满功率需求下24小时航行的设定，利用已公布的单位燃料消耗率和排放因子计算燃料消耗与尾气排放。WtW温室气体燃料强度评估遵循IMO净零框架的定义，以燃料低热值（LCV）为基准计算年度船上能源使用量，并依据燃料的WtW全生命周期GFI值与年度减排目标确定合规赤字。柴油燃料数据取自《2024年IMO LCA指南》附录2，电制甲醇的GFI值（7 gCO₂eq/MJ）参考了Du等人对海上风电结合直接空气捕集（direct air capture, DAC）生产路线的全生命周期评估结果。燃料价格方面，船用瓦斯油（marine gas oil）取650美元/t，电制甲醇取1271美元/t（对应海上风电加DAC路线的平准化生产成本）。年度运营天数假定为300天。需要指出的是，46F发动机的甲醇模式下尚无在役油耗数据，因此甲醇的单位燃料消耗率（375 g/kWh）属于本研究的一项假定。

### 四、主要研究结果

**（1）燃料消耗与尾气排放比较**

计算结果显示，柴油机每日消耗燃料约24.85 t，而甲醇机每日需消耗约54.81 t，比值为2.2，直接源于两种燃料低热值之比（柴油42.7 MJ/kg，甲醇19.9 MJ/kg）。然而，在TtW CO₂排放方面，柴油机每日排放约79.7 t，甲醇机约75.4 t，降幅仅5.4%。这是因为甲醇单位质量的碳含量较低（约37.5%对比柴油的约87%），但燃烧的燃料质量更大，两者几乎抵消。

**（2）氮氧化物与硫氧化物排放**

NO_x排放方面，柴油机每日排放约1.64 t，甲醇机约0.44 t，降幅达73.2%。柴油机在167 rpm额定转速下的NO_x排放因子为11.2 g/kWh，低于其Tier II限值（13.56 g/kWh）2.4 g/kWh，留有裕量。甲醇机在600 rpm下的排放因子为3.0 g/kWh，虽然远低于该转速下的Tier II限值（10.10 g/kWh），但超出Tier III限值（2.50 g/kWh）0.5 g/kWh。根据MARPOL附则VI第13.2.2条，非相同型号的替换发动机须满足安装时适用的Tier III标准，因此甲醇运行本身并不保证Tier III合规，在NO_x排放控制区（emission control areas）内需加装选择性催化还原（selective catalytic reduction, SCR）后处理系统。SO_x排放方面，柴油机每日排放49.7 kg（基于0.10% m/m硫含量限值），而甲醇因不含硫，排放为零，实现完全消除。

**（3）全生命周期温室气体燃料强度与合规评估**

柴油机达到的GFI为93.9 gCO₂eq/MJ，高于2008年参考值（93.3 gCO₂eq/MJ），从2028年起即超过基础目标和直接合规目标两个年度阈值。Tier 1赤字在2028–2035年间恒定为3861 tCO₂eq/年（因两目标间差距固定为参考值的13%），Tier 2赤字则随基础目标的收紧从1388 tCO₂eq/年增至9110 tCO₂eq/年。相比之下，电制甲醇在7 gCO₂eq/MJ的GFI水平下，年度全生命周期排放仅为2291 tCO₂eq，在整个评估期内始终低于直接合规目标。即使在3.8至28.2 gCO₂eq/MJ的宽幅范围内，电制甲醇仍保持直接合规，表明这一结论对GFI假设值的敏感性不高。

**（4）合规成本与经济性分析**

柴油的年度合规成本从2028年的91万美元迅速攀升至2035年的385万美元，八年累计达1770万美元，其中Tier 1部分每年固定为39万美元。电制甲醇则因完全合规而无需支付任何温室气体合规成本，且在基础情景下每年可获得15111至23049 tCO₂eq的盈余单位（surplus units），具有可转让或储存的潜在收益。然而，从总运营成本看，柴油年度费用从2028年的576万美元增至2035年的869万美元，而电制甲醇稳定在2090万美元/年。成本差距虽从1510万美元收窄至1220万美元，但在评估期内并未弥合。

### 五、讨论与结论

本研究的讨论部分指出，IMO净零框架从根本上改变了替代船用燃料的评估方式——合规已从测量单一船上排放转向评估燃料全生命周期温室气体强度。这意味着，尽管电制甲醇的采购成本更高，但其极低的碳强度使其在合规成本方面具有显著优势。此外，船舶推进系统通常运行二十年以上，仅基于当前燃料价格的选择可能使运营商在未来面临巨大的监管和财务风险。甲醇推进系统在应对日益收紧的温室气体法规方面展现出更强的韧性。

研究结论部分声明：在尾气层面，甲醇机将NO_x排放从1637 kg/天降至438.5 kg/天（降幅73.21%），并完全消除SO_x排放；但TtW CO₂排放仅从79.7 t/天降至75.4 t/天（降幅5.4%），脱碳效益实际体现在WtW层面。柴油的GFI自2028年起即超过两个合规阈值，将面临每年91万至385万美元的合规成本，而可再生电制甲醇在3.8至28.2 gCO₂eq/MJ的GFI范围内始终保持直接合规。电制甲醇在绝对成本上仍更昂贵，年度成本差距至2035年收窄至1220万美元，其最终弥合取决于2035年后的减排目标、尚未确定的补救单位价格以及燃料价格走势。研究同时指出其局限性在于仅针对单船稳态工况进行分析，未来研究应纳入实际航次负荷曲线、瞬态发动机性能、全生命周期技术经济评估，以及甲醇与氨、氢、混合动力等方案在各类牲畜运输船型上的比较。