文丨波波百谈

编辑丨波波百谈

自2005年以来，观察到北极海冰面积急剧下降，导致航运活动增加，尽管这提供了商业和社会发展机会，但由此产生的环境影响需要调查和监测。

为了了解航运对北极地区的影响，研究方法确定了在北极水域航行的船舶的行驶时间，燃料消耗和由此产生的废气排放，所调查的案例研究正在考虑船舶细节以及环境条件，特别关注冰情景。

在1960年，2000年和2040年的不同季节，使用北海航线（NSR）的不同通道调查了三艘不同船舶的旅行时间，燃料消耗和废气排放，所展示的结果显示了船舶性能和废气排放量的敏感性，以优化北极交通的效率，安全性和环境影响。

自2005年以来，北极海冰面积明显减少，在2011-2012年北极夏季达到创纪录的最小值。

这些情况引起了人们对建立新贸易路线的高度兴趣，确保在这种环境下勘探，获取和开采资源对于海洋工程和经济的前景具有重要价值。

尽管增加北极航运可能提供商业和社会发展机会，但由此产生的环境影响需要详细调查，一些研究评估了国际航运对气候和空气污染的潜在影响。

并证明船舶通过排放二氧化碳（CO2），甲烷（CH4），氮氧化物（常开） x ），硫氧化物（SO x ），一氧化碳 （CO） 和各种颗粒物 （PM），包括有机碳 （OC） 和黑碳 （BC），虽然目前北冰洋的航运占全球航运排放量的比例相对较小，但BC和臭氧（O3）变得很重要，需要量化和理解。

船舶在运行期间遇到的环境条件会影响船舶的总阻力，从而影响燃料消耗率和相应的废气排放，在海头海域，强风和冰条件下作业的船舶会遇到更大的阻力。

因此燃烧更多的燃料以保持与在平静海面和避风水域作业的船舶相同的速度，船舶的运行场景和概况，如速度，路线，机动，停泊时间和辅助系统的使用，也会影响整体油耗。

在研究中，分析了北海航线（NSR）的四种不同可能路线的性能依赖性：主要通过俄罗斯主要岛屿以南的近岸航线，一条中间路线通过较大的俄罗斯岛屿，北部航线和一条穿越北极的跨极通道（TPP）。

其中，我们考虑了从1960年到2040年的三个时期内不同冰等级的几艘船，用于研究的环境条件基于CMIP5气候模型，讨论了不同案例计算的结果，并给出了从过去到未来沿NSR航运的排放可能趋势。

路线计划ICEROUTE基于半经验分析公式，用于预测不同环境条件下的船舶阻力，包括冰覆盖，特定推进装置（即发动机、轴和螺旋桨）的数据用于计算所需的功率，从而获得最大可达到的速度。

根据环境条件变化的空间分辨率，路线分为多个路段，不同的冰况，如粗冰，破碎（浮冰）和山脊（在使用的气候模型中没有可用的数据）与等效水平的冰厚相关，作为计算的输入参数。

在第二步中，可以通过每段行程的行驶时间之和来确定整条路线的行驶时间，在第三步中，可以根据特定的发动机数据确定油耗。

海洋船舶通常设计为特定的操作配置文件，即在环境条件（风，海况，冰）下达到一定距离的服务速度，主机类型和尺寸的选择经过优化，以满足这种操作配置文件的需求。

与旧船相比，新建船舶通常具有更好的燃油效率，造成这种情况的主要原因是船体劣化和发动机技术改进优化的快速发展。

除了对船舶阻力的影响外，环境条件也会影响主机，螺旋桨组合的效率，在强海，风或冰中以中等速度运行的船舶可能表现出类似的燃料燃烧速率。

在冰雪覆盖水域航行的船舶的燃料消耗除海冰条件外，还取决于船舶类型及其破冰能力，当局和船东或管理层的航行指示以及辅助系统的使用。

自 1990 年代以来，国际海事组织 （IMO），欧盟（EU）和美国环境保护署（EPA）为现有发动机制定了 Tier I 废气排放标准，以减少氮氧化物和硫氧化物。Tier II（自2011年起生效）和Tier III（计划于2021年生效）对这些排放进行了更严格的限制，后来宣布用于新建船舶。

船用发动机中常用的柴油燃料是残余燃料的一种形式，也称为渣滓或重质燃料油（HFO），目前，有不同等级的HFO可供选择，硫限制仅在排放控制区域有效。

北极目前不是排放控制区，但国际海事组织宣布从0年或5年开始实施2020，2025的全球硫含量上限，重质燃料油，即使它含有低硫也比船用馏分燃料便宜，但含有更多的氮，硫和灰分含量。

氮氧化物是由氮气和氧气反应形成的一组有毒气体，在极高的燃烧温度下，这两种气体与二氧化氮（NO2）和氮氧化物（NO），这些气体是地面臭氧的主要来源，也是酸雨和烟尘形成的重要来源。

对于每种船型，可以考虑许多可用的配置，关于螺旋桨类型，船舶可以配备可控螺距螺旋桨（CPP），固定螺距螺旋桨（FPP）或吊舱驱动器。

在计算中，使用 FPP、CPP 或豆荚配置的效果将对设计在恶劣冰条件下保持速度的能力产生强烈影响，配备FPP的船舶通常针对单个特定速度进行优化，这通常是平静水域的设计条件，对于较重的海况，余量很小。

因此，FPP在某些其他操作条件下过载或欠载，CPP 是一种螺旋桨布置，可以沿其纵轴调整叶片的螺距，带有CPP的配置能够对特定的负载工况做出反应，因此避免降低总可用主机功率，而带有电驱动的吊舱配置也能够在更高的负载下运行。

同样，更复杂，因此更昂贵的推进配置使得在非常不同的环境条件下高效运行成为可能，但对于单个螺旋桨工作点来说可能不太经济。

考虑到发动机类型，最常见的类型是以重质燃料油为燃料的柴油发动机，但如今为了满足敏感区域（排放控制区）对废气的严格规定。

所以船舶有时会配备新型发动机作为双燃料配置，许多能够在重冰条件下运行的船只都配备了柴油电机。

对于这些方案计算，安全速度曲线不适用于每个船只和冰况，使用一种简化的方法，仅使用相对于冰的发生7-8节的单一速度限制（代表平均冰厚）。

此外，还定义了在开放水域旅行的经济速度，并将其用于无冰水域的消耗分析，由于开阔水域的安全速度和经济速度，仿真显示了大多数模拟中的部分负载条件。

北海航线（NSR）是俄罗斯政府正式定义的一条航道，从大西洋（卡拉门）到太平洋，沿着俄罗斯北极海岸从巴伦支海的摩尔曼斯克，沿着西伯利亚到白令海峡和远东。

整条路线穿过北极水域，有几个部分每年有 2 个月不结冰，在NSR的西端，从摩尔曼斯克穿过巴伦支海和喀拉海。

沿叶尼塞河到杜丁卡的路线自1980年代以来一直定期使用，但直到2009年才被商业运输使用。

无论明确的路线如何，NSR都延伸到约3000海里，在每种特定情况下，路线的实际长度取决于冰况和导致个别腿长通过变体的选择。

近年来，冰况为NSR的运行提供了更多的机会，目前，所有NSR路线都位于第一年冰的冰态中，除了这些路线之外，还分析了一条穿越北极的路线，以调查未来的冰况和情景。

在北极条件下，第一年的冰长到大约1.6-2.0米，在1月初，在航行季节开始时，冰没有加压，冰在浮冰中破碎，具有合适冰级的船只可以轻松通过。

在8月，NSR海道可以完全无冰，船只通常可以达到与开放水域条件下相同的速度，从新地岛的热拉尼亚角到白令海峡的航行可以匀速进行。

考虑到几乎无冰的航行，行进时间，油耗和废气排放的模拟对环境参数非常敏感，如冰厚度和浓度，海脊威力和频率，风速和风向，水流速度和方向以及由此产生的冰漂移速度和方向以及侧向冰压，基于BSFC和排放因子的污染计算，以及使用半经验公式确定冰阻力。

气候模型的全球方法很好地概述了北冰洋的一般情况，对岛屿附近和大陆海岸附近的当地气候的预测可能不精确。

在 5 月的航程中，观察到从过去到现在到未来的旅行时间和燃料消耗减少的趋势，结果强调，过去在北极冬季开始时，冰级PC3的冰船不可能在NSR上进行导航。

但将来将成为可能，PC舰艇过去和现在使用NSR都没有问题，将来，这条路线在运输货物时将有利可图。

调查路线中最短的是跨极通道TPP，我们的研究结果表明，PC5级船舶未来没有理由使用TPP而不是其他航线选择。

因为旅行时间更短，而且燃料消耗更高，使用TPP的PC3液化天然气运输船有一个优势，因为沿着NSR航行的行驶时间和燃料消耗都较低。

当将苏伊士航线所需的行驶时间和燃料消耗与北海航线的不同情景进行比较时，很明显，主要影响参数是冰的发生，与苏伊士航线相比，2月份的所有路线的行驶时间更短，油耗更低。

由于海冰的存在，导致更高的阻力，船只在沿NSR或TPP行驶时将消耗更多的燃料。

总共研究了三种不同的船型，油轮，散货船和液化天然气运输船，具有不同的冰航行能力，冰和破冰。

所有提出的四条路线都分别检查了1960年，2000年和2040年5月，3月发生的冰况，仅对一艘冰基原油油轮（冰级PC）和破冰液化天然气运输船（冰级PC）的结果进行比较和呈现。

两艘船在1号航线上1960月份的总航程显示了2000年，2013年，2040年的航行时间和燃料消耗，而棕色显示了2040月航行的相同数据集。

对于1960月的航行，数据显示2000年和2013年之间几乎没有区别，同样适用于 2040 年，这两组之间的显着差异可以在油耗上看到，而行驶时间仅发生微小变化。

这一发现可以用在存在冰的情况下生效的速度限制来解释，比较基于这些特定年份的单个数据点，可能无法反映周围年份的平均值。

与遥感数据以及过去五年中船上的实际观测结果相比，海冰模型显示了NSR沿线几个位置存在冰，对两艘船的比较表明，对于PC级冰上油轮来说，旅行时间和燃料消耗都有很小的好处。

在路线上导航时的行驶时间和油耗，很明显，Tanker 01无法完成过去（1960年）和现在（2000年）冰况的路线，但能够完成未来（2040年）预测的冰况的大部分路线。

如果旅行时间超过 50 天，则路线定义为“未完成”，超过此阈值的行程时间表示不适用于所分析船只的冰况。

过境模拟显示，由于北极海冰延伸和厚度的减少，使用NSR的所有船型的旅行时间都有明显的减少趋势，这一发现加上由于较低的功率要求而节省的燃料，从而降低了船舶的废气排放。

将NSR与苏伊士航线的行驶时间和油耗进行比较，可以明显节省时间和燃料，现在甚至将来更是如此，结果受到以下事实的影响：即使在冰覆盖率很小的地区，船舶速度也限制在安全速度，从而导致低油耗，因此废气排放量小。

通过对安全速度的限制，与苏伊士航线等传统航线相比，慢速航行情景可降低油耗和废气排放，在9月以外的某些时期沿其他航线行驶，低冰级船舶的燃料消耗迅速增加。

为了预测未来情景，海冰预报是计算的主要不确定性，实际上，恶劣和不可预测的冰况可以保护该地区免受污染，因为商业服务在经济上是不可行的。

所以说预测北极地区未来的废气排放，必须确定在合理的安全和经济条件下沿NSR行驶的船舶数量，除冰况外，船舶数量将取决于该地区的发展及其基础设施，以及运费和沿北海航线沿西到东和东西方向运输的货物类型。