王鑫 鐘偉 樊菲 隋江華 張祝利

（1.大連海洋大學航海與船舶工程學院，遼寧 大連 116023；2.中國水產科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092）

0 引言

我國是漁業(yè)大國，漁船基數(shù)較大，特別是海洋捕撈漁船，能源消耗較高，產生碳排放較多，對海洋漁業(yè)和生態(tài)環(huán)境的影響較大。因此，國內外學者在漁船領域的減排方面也做了很多研究。ZIEGLER F 等［1］對全球漁業(yè)燃料燃燒產生的二氧化碳排放進行了建模研究，提出要重視小規(guī)模漁業(yè)領域的減排。蔡學廉等［2］提岀了提高漁船柴油機的熱利用率、發(fā)展遠洋漁業(yè)、控制捕撈漁船數(shù)、研制新型節(jié)能漁船以及改進船體涂料等減排建議。CONOR B 等［3］研究了冰島漁業(yè)的燃料強度和減少排放的機會，通過分析單位漁獲物使用的燃料量，通常稱為燃料強度，指出了捕撈收獲期間的化石燃料使用是漁業(yè)溫室氣體排放的主要驅動因素。劉龍［4］提出了使用主機燃用重油技術、燃油添加劑技術、節(jié)油器裝置、優(yōu)化推進系統(tǒng)以及使用節(jié)能捕撈作業(yè)方式等建議。YANG T L 等［5］研究了酶助燃劑對柴油機發(fā)動機尾氣排放的影響，提出在燃料中添加酶比其他類型的添加劑更有助于改善尾氣的含量。TADEUSZ S 等［6］提出通過添加球鼻艏來改裝船體，以減少燃料消耗，提出在船速較高的情況下，安裝球鼻艏可以有效減小漁船的水動力阻力，從而可以大幅度降低漁船的燃料消耗和溫室氣體排放。

通過估算海洋捕撈漁船領域的能耗量及碳排放強度，分析目前海洋捕撈漁船碳達峰過程中遇到的主要問題，提出漁船實現(xiàn)碳達峰的主要減排路徑，為提高海洋捕撈漁船節(jié)能減排水平，促進漁業(yè)領域實現(xiàn)碳達峰目標提供借鑒。

1 中國海洋捕撈漁船的燃油消耗量及碳排放計算

1.1 中國漁船能耗概況

漁船領域的碳排放主要由機動漁船產生，圖1 為2016—2020年不同類型的機動漁船總功率對比，由圖1 可以看出，近5年來，海洋捕撈漁船的功率雖然由1 434.4 萬kW 下降到1 343.8 萬kW，但是下降幅度較小，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，且與其他類型的機動漁船相比，海洋捕撈漁船仍然是漁業(yè)領域中功率消耗較大的部分，由此可以判斷，海洋捕撈機動漁船是捕撈漁業(yè)的能耗主體和重要碳排放源［7］。因此，估算我國海洋捕撈機動漁船的燃油消耗量和碳排放情況，分析目前我國海洋捕撈漁船實現(xiàn)碳達峰的主要問題，并最終遴選出我國實現(xiàn)碳達峰的有效路徑，對于海洋資源的保護、漁業(yè)領域的綠色發(fā)展以及國家碳達峰政策目標的實現(xiàn)具有重要意義。

圖1 2016—2020年不同類型機動漁船總功率對比

1.2 燃油消耗量計算

海洋捕撈漁船的燃油消耗量主要以拖網、刺網、張網、圍網和釣具作業(yè)等5 種典型作業(yè)方式的功率和耗油系數(shù)來計算［8］。不同作業(yè)方式的功率來自《2021年中國漁業(yè)統(tǒng)計年鑒》統(tǒng)計數(shù)據，耗油系數(shù)參見農業(yè)部發(fā)布的《國內機動漁船油價補助用油量測算參考標準》，如式（1）所示：

式中，Ec為海洋捕撈漁船燃油消耗量；ai為不同作業(yè)方式漁船耗油系數(shù)；xi為不同作業(yè)方式漁船的總功率；b 為與xi無關的常數(shù)項，取2.892。

計算得出中國海洋捕撈漁船的燃油消耗量如表1 所示，總計594.28 萬t。拖網漁船耗油280.22 萬t，占比47.2%；刺網漁船次之，耗油162.27 萬t，占比27.3%；圍網和釣具作業(yè)漁船耗油量相近，分別為64.16 萬t和51.59 萬t，兩者合計占比19.5%；張網作業(yè)耗油較少，占比僅3.1%。

表1 海洋捕撈漁船不同作業(yè)類型燃油消耗量

1.3 碳排放量計算

1.3.1 ORNL 化石燃料燃燒法

海洋捕撈漁船碳排放的估算過程首先采用美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）提出的化石燃料燃燒排放二氧化碳計算方法，公式如下：

式中，QC為燃燒i 燃料時的碳排放量，Qi為消耗i 燃料的量，VO為有效氧化分數(shù)，IC為燃料i 的標準含碳量。

根據常用能源指標折算標準［9］，將船用柴油消耗量折算為標準煤當量進行計算，則應用于本文海洋捕撈漁船碳排放的計算公式可變形為［10］：

式中，QCO2為海洋捕撈漁船碳排放量；E*為海洋捕撈漁船燃油消耗量為燃油折算標準煤系數(shù)，取1.457 1；VO為有效氧化分數(shù)，取0.982；IC為每噸標準煤含碳量，取0.732 57；為在獲得相同熱能的情況下，燃油與燃煤排放二氧化碳的比值，取0.813；為根據相對原子質量而來的碳換算二氧化碳常數(shù)，約等于3.67。

結合上述ORNL 化石燃料燃燒法計算公式，可以估算出我國海洋捕撈漁船二氧化碳排放量如下：

1.3.2 IPCC 排放因子法

海洋捕撈漁船碳排放的估算也可以采用基于燃料熱值的IPCC 排放因子法來計算，然后與上述ORNL 化石燃料燃燒法的估算結果進行對比［11］，具體公式如下：

式中，GHG 表示溫室氣體的排放量，GHGi表示不同溫室氣體的排放量，i 為1、2、3；AD 指活動數(shù)據，表示不同排放源的全年能源使用量；EF 指排放因子，表示單位活動的溫室氣體排放量系數(shù)；GWP 指氣體的溫室效益指數(shù)，表示把其他溫室氣體排放量轉換為二氧化碳當量的指數(shù)。

根據《常用能源平均低位發(fā)熱量參考表》，可以計算出海洋捕撈漁船柴油機全年的能源使用量，再結合《IPCC 國家溫室氣體清單指南》，則應用于本文海洋捕撈漁船柴油發(fā)動機碳排放的計算公式可變形為［12］：

式中，QCO2為海洋捕撈漁船碳排放量；E*為海洋捕撈漁船燃油消耗量；為柴油平均低位發(fā)熱量，取42 652 kJ/kg；EFCO2為CO2排放因子，取74 100 kg/TJ；GWP 為CO2溫室效益指數(shù)，取1。

可以估算出我國海洋捕撈漁船二氧化碳排放量如下：

利用ORNL 化石燃料燃燒法和IPCC 排放因子法計算得出2020年我國海洋捕撈漁船生產過程中的CO2排放總量分別為1 858.65 萬t 和1 878.23萬t，兩者的差值比率僅在1%左右，影響可忽略不計，因此，最終可以得出2020年我國海洋捕撈漁船的二氧化碳排放總量約為1 900 萬t。

1.4 碳排放強度計算

本文中海洋捕撈漁船的碳排放強度是用海洋捕撈漁船的二氧化碳排放總量與其生產總值的比值來表示［13］，計算公式如下：

式中，Cg為海洋捕撈漁船碳排放強度；QCO2為海洋捕撈漁船二氧化碳排放總量；Gf為海洋捕撈漁業(yè)生產總值。

由《中國漁業(yè)統(tǒng)計年鑒》中的數(shù)據可知，海洋捕撈漁業(yè)生產總值達2 197 億元，則計算我國海洋捕撈漁船碳排放強度結果如下：Cg=1 900/2 197=0.86（t/萬元）

根據《中國農村統(tǒng)計年鑒》數(shù)據可知，2020年我國農業(yè)二氧化碳排放總量約為7 800 萬t，碳排放強度約為0.11 t/萬元［14］。即海洋捕撈漁船的二氧化碳排放總量占我國農業(yè)二氧化碳排放總量的24%，碳排放強度約為整個農業(yè)碳排放強度的8 倍，由此可以看出，我國海洋捕撈漁船在整個農業(yè)的能耗占比較大，碳排放強度較高，是實現(xiàn)國家碳達峰目標的重要研究方向。

2 中國海洋捕撈漁船實現(xiàn)碳達峰的主要問題

2.1 船體老化現(xiàn)象嚴重，捕撈裝備技術落后

根據2020年國內海洋捕撈漁船基本情況數(shù)據可知，中國現(xiàn)有的登記在冊的海洋捕撈漁船中，10 a 內的新船只有占35.6%，10 ～20 a 占25.5%，20 ～30 a占37.17%，30 a 以上占1.7%，說明我國的海洋捕撈漁船船齡普遍偏高，老齡化程度十分嚴重，同時，也說明我國60%以上的柴油機已經使用了10 a 以上，燃油消耗率大幅度提高，各種捕撈機械裝備隨著使用年限和捕撈次數(shù)的增加，部分機件磨損嚴重，自身性能和工作效率也都明顯下降，能耗損失嚴重［15］。此外，大多數(shù)海洋捕撈漁船的漁機裝備比較落后，甚至經常出現(xiàn)船體、主機和網具不匹配的情況，信息智能化和機械自動化嚴重不足，導致主機能源利用率較低，漁船燃油消耗量不斷提高，碳排放量顯著增加［16］。

2.2 船體建造材料落后，高耗能木質漁船較多

中國海洋捕撈漁船的構成不合理，圖2 為2020年國內不同材質海洋捕撈漁船基本情況，由圖像可知，在現(xiàn)有的海洋捕撈漁船中，木質漁船有54 872 艘，占比50%，鋼質漁船有33 786 艘，占比31%，玻璃鋼漁船有19 266 艘，僅占比17.6%，這說明高耗能的木質漁船仍然是我國海洋捕撈漁船的主體，具有節(jié)能效應的玻璃鋼漁船普及率較低［17］。此外，木質漁船的建造與使用需要消耗大量的木材資源，這會嚴重影響森林對二氧化碳等溫室氣體的吸收作用。而且木質漁船的安全性較差，可設計性有限，維修費用較高，船型較為混亂，船體與水的接觸阻力較大，導致漁船的航行速度較慢［18］。這些因素都會大大增加主機的燃油消耗率，間接或直接增加二氧化碳排放量，嚴重影響漁船領域碳達峰目標的實現(xiàn)。

圖2 不同材質海洋捕撈漁船基本情況

2.3 船舶動力以柴油燃燒為主體，碳排放量較大

目前，中國海洋捕撈漁船的主要動力是柴油發(fā)動機，以柴油為主的化石燃料燃燒仍然占據著我國漁船能耗的主體地位，海洋捕撈漁船柴油燃燒會產生大量的二氧化碳，而其他綠色清潔能源，在燃燒熱值同樣滿足漁船正常運行的情況下，碳排放值遠遠低于傳統(tǒng)柴油，詳見圖3，但是在海洋捕撈漁船領域的實際應用卻嚴重不足［19］。根據市場調研數(shù)據，我國現(xiàn)在的新能源漁船占比竟不足0.1%，國內與其配套的漁船充電站、加氣站等基礎設施建設和能源再利用研究更是基本處于空白階段［20］。能源消費結構過于單一，新能源開發(fā)水平嚴重不足，使得海洋捕撈漁船的能耗及碳排放一直居高不下。

圖3 不同類型燃料的碳排放水平和燃燒熱值情況

2.4 捕撈作業(yè)方式不合理，拖網和刺網能源利用率較低

海洋捕撈漁船的不同作業(yè)方式能耗差別較大，由于拖網、圍網和刺網捕撈作業(yè)在漁網具釋放，網形擴張固定以及漁獲物起吊作業(yè)時需要利用曳綱絞機、起網機和輔助類絞車等各種捕撈機械裝備，對動力系統(tǒng)依賴程度較高，且大部分存在體積龐大、材料冗余、質量過重、阻力過大等問題，使得捕撈漁船的起網效率較低，作業(yè)周期較長，捕撈作業(yè)過程中的燃油消耗較多［21］。尤其是拖網和刺網作業(yè)，兩者能耗合計占海洋捕撈總能耗的75%，釣具在作業(yè)過程中雖然對動力系統(tǒng)的依賴程度較低，但其產量較小，單產能耗依然較高，詳見表1。總體來說，捕撈作業(yè)能源利用水平遠低于其他領域，捕撈裝備的優(yōu)化更新和捕撈產業(yè)的轉型升級也是海洋漁業(yè)節(jié)能減排的重要方向。

3 中國海洋捕撈漁船實現(xiàn)碳達峰的路徑分析

3.1 節(jié)能環(huán)保材料建造技術的應用

針對中國目前基數(shù)較大的高能耗木質捕撈漁船，建議研發(fā)推廣節(jié)能環(huán)保型船體建造材料，如玻璃鋼、鋁合金、聚乙烯和碳纖維等。玻璃鋼材料雖然耐磨性和耐高溫性較差，回收降解困難，但是可設計性較好、建造周期短，自身質量較輕、船體阻力較小、維修費用低、節(jié)能作用顯著，可以應用于中小型近海捕撈漁船。聚乙烯材料雖然剛度較小，表面硬度較低，但是自身質量較輕、生產成本較低、建造成型方式多樣、抗沉性和耐磨性較好，且表面光滑、航行阻力較小，可以應用于小型海洋捕撈漁船的建造。鋁合金材料加工性能好、焊接性能好、強度較高、安全性較好，可回收利用，但是生產成本較高，技術成熟度較低，可以應用于某些大型捕撈漁船的上層結構建筑。碳纖維材料的自身質量較輕，強度較高，耐腐蝕性和耐高低溫性好，抗沖擊性好，但是技術不夠成熟，生產周期較長，目前僅可以用于某些捕撈漁船用螺旋槳的建造。

3.2 低碳清潔能源動力技術的應用

針對海洋捕撈漁船動力以柴油燃燒為主體的高碳排放量現(xiàn)狀，建議積極發(fā)展低碳清潔能源動力。LNG燃料動力碳排放水平較低，熱值較高，可以滿足較大功率的輸出，但是靜態(tài)能力密度小于柴油，續(xù)航需要頻繁進行加注，因此，可以應用于沿海、近海等便于補充燃料的捕撈漁船。甲醇燃料動力的應用技術形式多樣，包括甲醇內燃機技術，柴油甲醇組合燃燒技術，直接甲醇燃料電池技術，甲醇制氫燃料電池技術等，與傳統(tǒng)柴油相比，甲醇的燃燒速度更快，CO和HC 排放減少，生產和儲運也更為方便，可以應用于短中遠各種航線的捕撈漁船。氫燃料內燃機輸出功率較大，燃燒時幾乎無碳排放，但是體積能量密度較小，占用空間較大，可以應用于航程較短，體積較大，且高負荷運行工況較多的捕撈漁船。氫燃料電池和鋰電池動力雖然輸出功率較小，續(xù)航能力會受到充電設施等因素的限制，但是具有碳排放量少、污染小、操縱靈活、工作效率高等特點，可以應用于航線固定、航程較短、負荷較小以及對電池冗余度要求低的近海小型捕撈漁船。

3.3 新型節(jié)能捕撈裝備技術的應用

針對海洋捕撈機械裝備落后，體積龐大，作業(yè)效率低等問題，建議首先加快捕撈裝備的輕量化研究，如使用高強度鋼、鎂合金、鈦合金、工程塑料等輕量化建造材料，激光拼焊成型、液壓成型、熱沖壓成型等先進制造工藝等以及進行尺寸、形狀和拓撲優(yōu)化等結構輕量化設計。其次，建議加快推廣新型節(jié)能捕撈裝備的應用，如利用聲波傳播特性和電聲轉換特性，對水下目標魚群的存在、分布和位置等進行探測的聲吶技術；具有船舶自動識別和網具動態(tài)識別功能，能夠遠程監(jiān)控漁網具實況，防止捕撈網具被船舶碰撞破壞的AIS網位儀技術；能夠接收北斗、GPS、雷達等通導設備的導航信息，同時能夠進行信息融合處理，實現(xiàn)綜合顯示的INS 綜合導航系統(tǒng)以及結合二氧化碳捕集、利用與封存技術（CCUS）和漁獲制冷保鮮兩個因素研發(fā)的尾氣余熱吸收式循環(huán)制冷裝置等，不僅可以有效減輕漁船的整體重量，減小航行阻力，而且可以大幅度提高漁民的捕撈效率，降低整個捕撈過程的燃油消耗量，進一步減少海洋捕撈業(yè)的碳排放。

3.4 新型產業(yè)——海洋休閑漁業(yè)的發(fā)展

針對海洋捕撈作業(yè)方式能源利用水平較低，漁業(yè)資源被過度開發(fā)利用等問題，建議改變傳統(tǒng)的以海洋捕撈為主要謀生手段的單一產業(yè)模式，積極探索生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的新型產業(yè)，促進海洋捕撈業(yè)減船轉產轉型，如能夠充分利用海洋自然資源、漁業(yè)漁具產品以及漁業(yè)文化傳統(tǒng)，以海洋旅游休閑和海洋文化體驗為核心的海洋休閑漁業(yè)。首先，明確各部門職責，科學構建海洋休閑漁業(yè)管理體系，完善法律法規(guī)；其次，因地制宜，科學編制海洋休閑漁船技術標準體系，提高安全保障；第三，統(tǒng)籌“旅游＋吃、住、學、行、購、娛”等市場需求，積極發(fā)展旅游觀光型、特色餐飲型、競技體育型、展示教育型、精品購物型、娛樂垂釣型等多元化現(xiàn)代海洋休閑漁業(yè)，并利用“互聯(lián)網＋休閑漁業(yè)”擴大宣傳力度，同時加強海洋休閑漁業(yè)基礎設施、配套設施、綜合服務設施建設；第四，要大力發(fā)展海洋牧場休閑漁業(yè)，同時與增殖放流、人工魚礁和魚馴控制技術等相互融合，提高海洋漁業(yè)資源的可持續(xù)化程度，從而促進國家碳達峰目標的早日實現(xiàn)。

4 結論

通過對中國漁船領域的功率情況進行對比，并利用ONRL化石燃料燃燒法和IPCC排放因子法重點對中國海洋捕撈漁船的燃油消耗量和碳排放強度進行核算，從多個角度出發(fā)，分析影響海洋捕撈漁船實現(xiàn)碳達峰的主要因素，主要包括船體老化現(xiàn)象嚴重，捕撈裝備落后，船體建造材料落后，木質漁船較多以及柴油燃燒占據主體，能耗和污染嚴重等。從而針對性地提出具體的減排路徑，如玻璃鋼、鋁合金和聚乙烯等新型節(jié)能材料的應用，鋰電池動力、LNG 動力、甲醇動力和氫動力等低碳清潔能源技術的應用，捕撈機械裝備輕量化、魚群聲吶探測、AIS網位儀、INS 綜合通導和尾氣余熱制冷等新裝備技術的應用以及新興產業(yè)——海洋休閑漁業(yè)的發(fā)展等，進一步促進中國漁船領域碳達峰目標的實現(xiàn)，也為中國海洋漁業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展提供參考和借鑒。