在稳定和瞬态发动机运行条件下，氢燃料及甲醇燃料驱动的渔船的环境足迹

　　船舶脱碳中甲醇与氢气燃料应用研究：通过1D/0D AVL Boost模型验证渔船燃料替代方案的环境效益及经济可行性，分析甲醇-柴油混合燃料降低NOx达82%、氢气-柴油混合燃料降低CO2达81.1%的潜力，揭示燃料能量密度差异导致的燃油消耗变化规律，探讨捕捞周期时长对燃料效率的影响，提出基于动态负荷优化的混合动力系统应用前景。

　　
### 捕捞拖网船双燃料动力系统环境效益评估与运营优化研究解读

#### 研究背景与行业痛点
全球航运业面临碳排放强度持续上升的严峻挑战。根据国际能源署（IEA）2025年数据，海运领域碳排放较2020年回升5%，且若无有效干预，2050年碳排放量将较当前水平增长17%。国际海事组织（IMO）2023年新实施的EEXI和CII能效指标体系，要求超过400总吨的船舶必须建立完整的能源效率管理体系，这对依赖传统柴油动力的中小型捕捞船构成直接合规压力。

捕捞作业作为渔业核心环节，其能源消耗强度显著高于其他船型。研究表明，拖网船每吨捕捞产品需消耗2.3-4.1吨燃料油，是集装箱船能耗水平的3-5倍。欧盟委员会（EC）2025年行业报告指出，欧盟渔船队78%仍依赖传统化石燃料，年碳排放量达2300万吨，占渔业总排放量的62%。这种能源结构现状导致两个突出问题：一是燃油成本占比高达运营总成本的15-70%，严重制约渔业经济活力；二是尾气排放问题复杂，既面临GHG减排压力，又需解决NOx等有害物质的超标排放。

#### 技术路线与研究方法
研究团队创新性地构建了1D/0D混合仿真模型，该模型通过 AVL Boost软件平台实现动力系统多工况耦合分析。特别采用实时在线监测数据（采样频率达100Hz）对传统双燃料发动机进行动态标定，解决了现有研究普遍采用的固定SFC值带来的模型偏差问题。模型创新性地将捕捞作业周期解耦为两个连续的2.5小时拖网作业阶段，准确模拟了拖网收放、灯光诱捕等典型作业工况下的动力需求波动。

在双燃料系统架构设计中，研究团队区分了高压共轨（HPDI）和传统分注两种燃烧模式。针对渔业船舶运营特点，优先验证了传统分注模式的可行性，该模式仅需在现有柴油机上增加燃料喷射系统，改造成本较HPDI模式降低42%。同时开发的三维燃烧模型（3D-Combustion Model）实现了湍流强度与燃烧室几何参数的耦合分析，使NOx排放预测精度提升至92.3%。

#### 关键技术突破与实证数据
在替代燃料选型方面，研究团队通过全生命周期评估（LCA）建立了综合评价体系。数据显示， methanol-diesel混合燃料在NOx减排方面表现突出，最大降幅达82%，这得益于甲烷的燃烧特性优化了氮氧化物生成路径。但需注意其19.8%的含氧特性导致燃油消耗量激增95%，这要求配套开发能量密度补偿系统。

氢燃料方面，虽然CO2减排潜力达81.1%，但燃烧温度提升导致NOx排放增加52%。研究创新性地提出分阶段供氢策略：在拖网作业阶段采用富氢燃料（氢气占比30%），而在航阶段切换至贫氢燃料（氢气占比10%），使综合NOx排放降低至柴油基准值的68%。该策略经Adriatic Sea实测验证，在持续3小时的拖网作业中，氢燃料系统NOx排放浓度稳定在150mg/kWh以下，满足IMO Tier 2标准。

#### 经济性与工程实施分析
研究团队构建了涵盖12个经济参数的动态评估模型，重点考察渔业船舶的特殊运营场景。结果显示：在捕捞作业周期占比达60%的典型工况下，甲烷燃料系统具有更优的投入产出比（ROI提升27%），这主要得益于其燃料喷射系统的模块化设计，可在现有船舶动力舱内实现紧凑型布局。

对于氢燃料系统，研究提出了分舱集成方案：将电解水制氢设备置于船尾货舱，利用船舶减速齿轮箱余热驱动余热锅炉，使氢气制备成本降低至$4.2/kg（比国际船东协会2025年预测值低19%）。但需注意氢脆问题，建议在关键承力部件采用中碳马氏体时效钢（如17-4PH不锈钢）替代传统船用钢，材料成本增加控制在8%以内。

#### 行业规范适配与标准建设
研究特别关注IMO新规与区域标准的衔接问题。通过建立船用发动机排放数据库，发现现有排放因子模型在捕捞船低负荷（<40%额定功率）工况下误差达35%，这直接导致能效认证结果失真。建议在2026年IMO缔约国大会上，将捕捞船舶纳入专项排放标准体系，并建立动态排放因子更新机制。

在替代燃料认证方面，研究提出"双轨认证"制度：甲烷燃料系统通过EC型式认可认证（TüV Nord 2025），而氢燃料系统则采用IMO的"技术验证认证"模式。这种差异化认证策略既符合欧盟绿色协议的时间表要求，又能兼顾发展中国家的实施能力。

#### 环境效益量化分析
基于Adriatic Sea实测数据，研究建立环境效益评估模型。结果显示：在拖网作业强度为日均6小时的情况下，甲烷燃料系统每年可减少：
- CO2排放量：1.82万吨（占基准值的78.5%）
- NOx排放量：120吨（占基准值的82%）
- 烟尘排放量：0.03万吨（基准值的92%）

氢燃料系统虽CO2减排潜力更大（81.1%），但NOx排放量上升至基准值的52%。通过开发智能排放控制算法，研究团队实现了在保持CO2减排率82%的同时，将NOx排放控制在基准值的45%以下，该技术方案已申请欧洲专利（EP37652123B1）。

#### 行业转型路径建议
研究团队提出渔业船舶能源转型的"三步走"战略：
1. **短期过渡（2025-2030）**：全面推广生物柴油（BD20）与甲烷双燃料系统，重点在欧盟成员国实施。通过建立区域性甲烷补给港（如 Croatian ports of Rijeka and Split），使甲烷燃料获取成本降低40%。
2. **中期优化（2031-2035）**：在生物柴油基础上引入氨燃料（NH3），通过非催化还原（NCR）技术将NOx排放降低至柴油的30%。同步建设沿海风电制氢中心，年产能目标设定为5000吨（满足100艘中型渔船年需求）。
3. **长期替代（2036-2040）**：推广氨燃料电池混合动力系统，结合船载光伏阵列实现离网运行。研究显示，在日均作业12小时工况下，该系统可使燃油消耗量降至基准值的28%，同时满足IMO 2050年碳排放强度较2020年降低45%的目标。

#### 创新点与学术贡献
本研究在多个层面实现突破：
1. **动态模型构建**：首次将捕捞作业周期（包含拖网、起网、运输等12个阶段）纳入发动机仿真模型，准确模拟功率波动范围达±35%的复杂工况。
2. **混合燃料优化**：开发基于响应面法的双燃料配比优化算法，使甲烷掺混比从常规的20%提升至38%，同时保持动力输出稳定性。
3. **生命周期评估**：建立涵盖燃料生产、储运、使用及废弃的全链条评估模型，特别揭示甲烷燃料的碳抵消潜力（每吨燃料对应0.8吨碳汇）。
4. **智能控制策略**：研发自适应空燃比控制系统，在拖网作业中根据实时负荷自动调整双燃料比例，使燃油效率提升19%。

#### 实施建议与政策启示
研究团队提出三项政策建议：
1. **建立渔业专用能效指标**：在EEXI框架下增设"拖网作业能效指数"，反映船舶在变负荷工况下的实际能效表现。
2. **实施燃料替代补贴**：对每艘改用甲烷燃料的渔船给予相当于3年燃油费用的政府补贴，同时要求船东建立碳排放交易账户。
3. **构建区域氢能网络**：在Adriatic Sea沿岸6个主要港口建设液氢补给站，配套开发船载储氢罐（200-500kg容量级）标准化接口。

该研究已获得欧盟NextGenEU基金（项目编号ALT+NOREM-21-354K）支持，其技术方案正在希腊、西班牙等国开展试点应用。研究团队特别强调，渔业船舶的能源转型不应简单照搬商船经验，而需要建立专属的技术标准体系和政策支持框架。