1、前言
隨著IMO結合2018年GHG減排目標，出臺了GHG減排初步戰略，日本在設立中長期GHG減排對策計劃的基礎上制定了路線圖，并提出了達成中長期目標的概念船舶設計。
此外，圍繞EEDI議題，MEPC就EEDI第四階段的設定值等展開了討論，日本進行了廣泛的調查和研究，通過將現有技術進行優化組合，試設計了能大幅優化EEDI的概念船。
2、設計概念
以EEDI較2008年優化80%以上為目標，實施了80000DWT散貨船和20000TEU集裝箱船的概念設計。
概念船是在原有船型（相當于2008年的EEDI Reference Line）基礎上，采用船型改良、減速設計、大型化、混合動力對轉螺旋槳、LNG燃料，以及創新節能技術（風力推進系統和空氣潤滑系統），其EEDI值較母型船優化了86%。
3、概念船規格
3.1散貨船（80000DWT船）
3.1.1基本參數
該概念船的基本參數如表1所示。
表1 基本參數（散貨船）
3.1.2船型改良、減速設計及大型化
基于最新的環保船運營數據，對2019年船舶進行船型改良，EEDI值與2008年相比約優化了21%。
下一步措施是實施減速設計和大型化。目前，由于低速航行的常態化，暫且不論設計航速與實際航速不符的情況，若不進行船舶的大型化而僅降低設計船速，則必需增加船舶數量，以設計航速進行運輸的成本將上升，從經濟性上來看并不現實，因此該概念設計是在不增加船舶數量的前提下，以大型化來補償因減速導致的運輸能力的下降。
另外，由于受與母型船同等的港口限制等條件，在不改變船長及吃水的同時，采用寬幅船型實現大型化，以最大限度避免推進性能和操縱性能的大幅降低。該寬幅船型的船寬從32.24m增加到42.0m，載重噸增至102000DWT。在這一條件下，設計航速從14.5kn降至11.5kn，能夠確保運輸能力。通過大幅降低主機功率，EEDI值優化了約41%，再通過船舶大型化，EEDI值進一步優化了約10%。
由于主機功率大幅降低，不能滿足IMO最小功率條件，所以該設計以采用緊急時刻功率的概念為前提。緊急時刻功率的概念是為優化EEDI，對主機的輸出功率加以限制，僅在緊急時刻（如暴風雨天氣）才能夠解除限制。通常情況下，船舶在限定的輸出功率范圍內航行，EEDI以限定功率來計算；在緊急時刻解除限制，則能夠達到登記功率。因此，該概念設計可同時滿足EEDI規定和最小功率條件。
3.1.3推進系統的變更
由于低功率和大型化可能引起船舶在靜水中和波浪中操縱性能的不佳，為提高操縱性能，采用以POD推進器和單軸電力推進組成的混合動力型對轉螺旋槳，如圖1所示。
雙螺旋槳提升了效率，EEDI值優化了約10%。
圖1 混合動力型對轉螺旋槳系統
另外，隨著電力推進的普及，發電機、變頻器、馬達的損失使EEDI上升了9%，減速機的輸出功率損失使EEDI上升了1.5%，能效變差。并且，主推進用發動機由二沖程變更為四沖程，導致燃耗變大，EEDI值約上升了6%。綜上，該推進系統總體使EEDI值上升了約6%。
雖然可以選擇雙機雙槳、電力化等各種措施來彌補寬幅船型和低功率帶來的操縱性能的惡化，但該概念設計船基于以下理由仍采用上述推進系統： ①如果僅考慮減排，直接采用雙機雙槳最優，但POD推進及電力推進使機艙配置的自由度更高，可大幅提升操縱性能，與雙槳船相比，推進效率（船殼效率ηH）更優。 ②電力推進難以避免能效惡化，但從未來發展的角度來看，實現可再生能源發電效率的提升及大容量電池性能的提高后，溫室氣體排放有望進一步得到削減。
3.1.4LNG燃料
采用LNG燃料，CO2換算系數降低且提高了燃油效率，EEDI值優化了約23%。LNG燃料艙采用IMO Type-C型，配置于上甲板煙囪的兩舷側，以往返南北航線（日本—澳大利亞）計算，艙容為3800立方米。
3.1.5創新節能技術（風力推進系統）
以風能降低能耗，如圖2所示，在相鄰兩貨艙之間裝載1個具有4檔伸縮結構的風帆，共裝載6個，為確保船橋視野的開闊，將船橋置于船首。
圖2 散貨船外觀概念圖
在風力效能方面，根據日本“Wind challenger”項目，1個風帆試算的EEDI優化效果約5%（日本—澳大利亞東海岸航線），考慮該概念船裝載的風帆數量，主機功率降低的效果計為2000kW。
另一方面，為將風力推進系統帶來的主機功率降低的效果計入EEDI，必須有該系統的推進特點及風的出現頻度數據等，由于這些必須在MEPC等國際會議上進行討論并獲得認可后才能計入EEDI，目前還不能實現，因此該課題需留待今后解決。
3.1.6創新節能技術（空氣潤滑系統）
為實現更好的節能效果，裝載“掃氣回路空氣潤滑系統”，將一部分氣體導入船底，能夠降低船體與海水之間的摩擦阻力。在日本建造的100000DWT散貨船上已經證實了其具備約4%左右主機功率降低的效果，假設該概念船具有同等的降阻效果，還有風力推進系統的加持，其EEDI值總計可進一步優化61%。
3.1.7EEDI優化率的變化（散貨船）
通過以上措施的累積，最終達成了EEDI值優化86%的目標，如表2所示。
*1：推進馬達的額定功率 表2 采用技術概要及EEDI優化率（散貨船）
3.2集裝箱船（基于20000TEU船型）
3.2.1基本參數
該概念船的基本參數如表2所示。
表2 基本參數（集裝箱船）
3.2.2船型改良、減速設計及大型化
根據最新環保船的數據，通過對2019年船舶進行船型改良及減速設計，其EEDI值比2008年優化了50%。
下一步措施和散貨船相同，在考慮經濟性的基礎上，設計為最佳寬幅大型船舶，船寬從58.8m增至69.2m，載箱量為30000TEU。在上述條件下，為確保運輸能力，設計航速由22.8kn降至15.2kn。在上一步的基礎上，EEDI值通過大幅降低主機功率優化約51%,再通過大型化進一步優化約23%，能效總計優化了81%。
該概念船假定投入歐洲—亞洲航線運營，船寬69.2m的船舶通行蘇伊士運河的最大航行吃水為12.9m，但考慮到航行至蘇伊士運河之前的燃油消耗等原因造成的吃水減少的部分，設計吃水為13.0m。此外，為確保集裝箱空間，在隨船寬擴大而擴大的煙囪兩側的空間設置居住區，為保證船橋視野，將船橋置于船首。
3.2.3推進系統的變更
集裝箱船同樣存在因低功率及大型化帶來操縱性能的大幅下降、無法滿足操縱性能標準的可能性，因此，為提高操縱性能，采用與上述散貨船概念船相同的推進系統。雙螺旋槳雖然能夠提高螺旋槳效率，但由于螺旋槳載荷的影響，無法達到到散貨船的優化程度，EEDI值優化僅停留在約6%左右。
另外，隨著電力推進的普及，與散貨船相同，發電機、變頻器、馬達等的損失為9%，減速機導致的輸出功率的損失為1.5%，都使能效變差。并且，主推進用發動機由二沖程變更為四沖程，導致燃耗變大，EEDI值反而上升了約7%。總的來看，采用該推進系統，整體使EEDI值在上一步措施的基礎上，上升了約11%。
該概念設計船基于以下理由采用上述推進系統： ①電力推進無法避免上述損失，但同散貨船概念船一樣，從發展的角度來看是適用的。 ②像該概念船這樣的低功率集裝箱船，由于裝載冷藏集裝箱等原因，相對需要更多的電力，通過全電化提高電力的靈活性。另外，直接推進+輔機發電機的配置也更能節省空間。
3.2.4LNG燃料
采用LNG燃料，CO2換算系數降低且提高了燃油效率，EEDI值進一步優化了約26%。LNG燃料艙采用配置在機艙周圍的薄膜型，以往返亞歐航線計算，艙容為11000立方米。
3.2.5創新節能技術（風力推進系統）
由于集裝箱船無法安裝風帆，采用圖4所示的風力推進用風箏。風箏的展開、滑翔空中的動作、收帆等全部由電子控制，能夠適應風力狀況的變化獲得最大效果。在巴拿馬型散貨船上，制造商給出了23.7%的能效優化結果，加上概念船的功率裕度，可計入1000kW的功率降低效果。
圖4 集裝箱船外觀概念圖
3.2.6創新節能技術（空氣潤滑系統）
與散貨船概念船相同，該概念船也裝載了“掃氣回路空氣潤滑系統”，并獲得了同樣的效果。空氣潤滑系統與風力推進系統總共對EEDI值進一步優化了11%。
3.2.7EEDI優化率的變化（集裝箱船）
經過以上幾步措施，如表3所示，最終達成了EEDI值優化86%的目標。
*1：實際上2008年還沒有20000TEU船，假定設計與Reference Line相當的20000TEU集裝箱船。 *2：推進馬達的額定功率 表3 采用技術概要及EEDI優化率變化（集裝箱船）
4、概念船需解決的課題
由于概念船是將目前可以應用的各項技術進行了優化組合，所以認為技術層面沒有太大的問題，但實現應用，還需要在IMO相關法規及導則的修訂等制度層面進行完善。
4.1電力推進船舶的EEDI計算
現行的EEDI規則并不適用于除LNG船/豪華郵輪以外的電力推進船舶，導則中也沒有規定計算方法。要實現該概念船的應用，必須對相應的規則和導則等做出修訂。
4.2低功率船舶的海上功率裕度（sea margin）和PME
在現行的EEDI計算導則中，由20% margin與持續功率90% MCR的關系得出，EEDI計算用到的PME定為75% MCR（0.9 MCR/1.2=0.75 MCR）。但對于該概念船這樣的低功率船舶，如果同樣取20% sea margin的話，則裕度過低，在惡劣海況條件下有出現故障的隱患。因此，在實際設計中，設想是能夠取更大的sea margin。對于低功率船舶的PME，其數值是切合船舶實際運行狀態的，所以今后有必要對導則進行修訂。
4.3緊急時刻功率概念的認可
該概念船是通過采用減速設計及創新節能技術，實現主機功率的大幅降低，所以并不滿足現行的最小功率條件，目前MEPC正在討論緊急時刻功率概念，該概念獲得認可是本文提出的概念船實現應用的前提條件。
4.4風力推進系統EEDI的計算
若將風力推進系統實現的主機功率降低的效果計入EEDI，則今后在MEPC上，有必要對該系統相關的推進性能的計算、認證、風的出現頻度分布等進行進一步討論，并獲得認可。
