从减少黑碳排放到在整个跨北极航运走廊范围内协调燃料使用

《Environmental Impact Assessment Review》：From black carbon reduction to coordinated fuel adoption on a trans-Arctic shipping corridor

　　

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  整合生命周期评估（LCA）、生命周期成本（LCC）、可再生能源评估（REE）和进化博弈分析来研究北极燃料。
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  在六种北极燃料路径中，液化天然气（LNG）的生命周期全球变暖潜力（GWP）最低。
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  北极黑碳（BC）的变化会改变燃料的气候影响排名和政策优先级。

引言

随着北极海冰的退缩，东北航道、西北航道和跨极海路的商业可行性正在提高（Ports Europe, 2024；Zhao等人，2025）。对于某些特定的起点和终点对，北极航道可以缩短航行距离，减少燃料消耗，并为亚洲和欧洲之间提供额外的运输选择（Chen等人，2025b）。然而，这些航道也受到冰况、冰级要求、燃料供应和港口基础设施的严格限制（俄罗斯联邦政府，2020；DNV，2024）。因此，北极航道的商业吸引力与其运营的不确定性同时增加（图1）。

北极航运还带来了独特的燃料排放问题。燃烧船用柴油和重燃料油（HFO）会释放温室气体、二氧化硫、二氧化氮和颗粒物，其中黑碳（BC）是与北极冰冻圈直接相关的污染物（IMO，2020；Geels等人，2021；Ji和El-Halwagi，2020）。黑碳会吸收太阳辐射，并在沉积后降低冰雪的反照率（Bond等人，2013；Hofmann，2015；Srivastava和Ravichandran，2021；Zhang等人，2025b；Yi等人，2025）。与二氧化碳（CO₂）不同，黑碳的环境影响取决于其排放量、排放地点、燃料类型以及接收它的北极环境（IPCC，2021，IPCC，2023；Qi等人，2024b）。因此，黑碳应该作为一个独立的指标进行报告，而不是被归入单一的温室气体指标中。

国际海事组织（IMO）最近发布的法规为船用燃料和北极黑碳提供了差异化的核算框架。MEPC.391(81)建立了船用燃料的生命周期温室气体评估指南；MEPC.393(82)建议建立北极黑碳的清单和管理计划；MEPC.394(82)提供了关于黑碳测量、监测和报告的指导（IMO，2024a，IMO，2024b，IMO，2024c）；MEPC.403(83)规定了测量船用发动机排放的甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）的方法（IMO，2025b）。基于这一监管背景，本研究将黑碳作为一个明确的燃料转型筛选标准，而不是作为监管上限、数学约束或特定航道的辐射强迫的直接测量指标。

关键问题是，船上黑碳的减少并不一定会在整个生命周期和实施过程中带来均匀的改善。船用燃料的生命周期评估表明，虽然船上减少了黑碳的排放，但这种减少可能会伴随着上游负担的转移，这取决于燃料生产方式、发动机类型和甲烷泄漏情况（Brynolf等人，2014；Gilbert等人，2018；Al-Douri等人，2022；Kuittinen等人，2024；Fang等人，2025；Ha等人，2025）。技术经济评估表明，燃料价格、改造资本成本和运营成本会影响替代路径的相对可行性（Law等人，2021；Per?i?等人，2021；Bayraktar等人，2023；Yuksel，2023）。港口和绿色走廊的研究进一步表明，可靠的燃料补给依赖于基础设施、供应链协调和需求形成（Guo等人，2024；Wang等人，2025b；Fullonton等人，2025）。这一观察结果对决策具有直接意义：只有当降低黑碳的环境效益与可接受的成本、可用的港口服务以及协调的利益相关者回报相一致时，北极航运才能支持可持续的燃料转型。因此，评估降低黑碳的路径不仅需要识别其环境优势，还需要确定政府支持、港口投资和企业采用在时间上的协调条件（Goh等人，2023；Chen等人，2025a）。

现有研究已经考察了北极黑碳、替代燃料的生命周期、航运成本、多标准评估和低碳技术的采用情况，但它们的功能单位、系统边界和分析层次并不一致。存在三个主要的空白：北极黑碳的证据尚未充分转化为燃料路径的评估标准；生命周期评估（LCA）、生命周期成本（LCC）和可再生能源评估（REE）尚未充分说明降低黑碳如何影响路径选择；进化博弈很少直接与黑碳或温室气体排放、燃料成本差异以及港口投资条件联系起来。本研究通过评估摩尔曼斯克-上海走廊上的六条燃料路径是否能够在综合考虑生命周期、成本、资源准备情况和利益相关者回报的条件下实现可持续的采用来解决这些空白。首先，本研究建立了走廊层面的黑碳质量清单，并将其与标准的GWP100指标进行对比。然后，应用生命周期成本（LCC）和非重叠的可再生能源评估来分析环境、资源和经济方面的权衡。最后，使用三方进化博弈来确定在何种回报条件下可以实现降低黑碳的路径的协调采用。

本文的其余部分安排如下：第2节回顾了北极航运中的黑碳问题、替代船用燃料的综合性评估以及低碳燃料的采用情况。第3节介绍了系统边界、生命周期评估、生命周期成本（LCC）、可再生能源评估（REE）和三方进化博弈。第4节报告了环境、成本、排名、采用情况和稳健性结果。第5节总结了研究结果和政策意义，第6节指出了研究的局限性和未来研究方向。

章节摘录

北极航运中的黑碳与燃料转型

关于北极航运中黑碳的研究通过排放源、辐射吸收、冰雪反照率效应和治理框架确立了该地区的重要性，同时也探讨了空间分布、季节变化、利益相关者动态和缓解措施（Qi等人，2024a，Qi等人，2024b；Aalto等人，2025；Chen等人，2024；Zhang等人，2019，Zhang等人，2025a；Zhao等人，2025）。这些研究证实，黑碳在环境和政治层面都具有重要性

研究框架、系统边界和模块接口

为了确保环境、成本和采用分析指的是同一运输任务，研究将船舶、走廊、载货量和年度运营作为共同的案例边界。研究对象是一艘在14,000公里的摩尔曼斯克-上海走廊上运行的代表性强的大型班轮，其主发动机功率为15,000千瓦。这定义了一艘具有透明性的案例船舶，而不是北极船队的统计平均值。15节的设计速度设定了一个参考性能边界，并不代表所有船舶的情况

生命周期环境性能和黑碳信号

在相同的功能单位和生命周期边界下，建立了环境基准（图4a）。它将所有六种路径的标准GWP100结果分解为上游和船上两部分。液化天然气（LNG）的标准GWP100最低，为64.68公斤二氧化碳当量/燃料单位（kg CO₂-eq/FU），比重燃料油（HFO）/非常规重燃料油（VLSFO）的81.61公斤二氧化碳当量/燃料单位低20.7%；甲醇（CO₂-Methanol）的GWP100也为70.53公斤二氧化碳当量/燃料单位。生物甲醇（Bio-Methanol）和煤基甲醇（Coal-Methanol）由于上游生产过程中的负担较大，其GWP100较高。然后对这个基准进行了测试

结论和政策意义

本研究使用不同的指标评估了摩尔曼斯克-上海走廊上一艘代表性大型班轮的六种燃料路径的船舶上黑碳质量、生命周期气候排放、私人成本、资源准备情况和三方采用情况。主要结论是，北极燃料转型应通过三个相互关联的阶段进行：环境筛选、成本可行性和协调采用。液化天然气的标准GWP100为64.68公斤二氧化碳当量/燃料单位，甲醇的GWP100为70.53公斤二氧化碳当量/燃料单位

局限性和未来研究

环境和成本结果是基于一艘代表性的大型班轮、60,000吨的有效载货量以及14,000公里的摩尔曼斯克-上海走廊得出的。GaBi清单和船上排放清单支持了上述比较，但不应推广到其他类型的船舶、季节、冰况或全球燃料市场。走廊层面的补充黑碳情景保持了黑碳差异的可见性；它并不代表区域大气传输或沉积过程的模拟

在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT来提高文本的语言清晰度。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容负全部责任。

杨邦顺：概念化、方法论、撰写-初稿；李成江：撰写-审稿与编辑、可视化；郝倩文：撰写-审稿与编辑、形式分析；顾秀：形式分析、撰写-审稿与编辑；李文波：形式分析、撰写-审稿与编辑；徐国腾：形式分析、撰写-审稿与编辑；娄磊：形式分析、撰写-审稿与编辑、验证；杨静：形式分析、撰写-审稿与编辑；张伟：形式分析

资金支持

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号72464005和72564011）的支持。

作者声明他们没有已知的会影响本研究工作的财务利益或个人关系。

Bangshun Yang|Chengjiang Li|Qianwen Hao|Xiu Gu|Wenbo Li|Guoteng Xu|Lei Lou|Jing Yang|Wei Zhang