评估沿海渡轮动力系统混合使用对港口和沿海社区空气污染的协同影响

《Marine Pollution Bulletin》：Assessing the air pollution co-impacts of hybridizing coastal ferry powertrains on ports and coastal communities

柴油-电力混合推进系统可减少诺酮排放45%，显著改善港口及沿海社区空气质量。研究通过GT-SUITE模型构建发动机模型，结合AERMOD模拟分析Tsawwassen港的污染物扩散

　　柴油-电力大型客船在连接沿海社区方面发挥着至关重要的作用。这些船舶当前采用的柴油-电力推进系统使其成为实现脱碳的首选对象，提供了一条经济且可行的路径。尽管减少燃料消耗和二氧化碳（CO?）排放是混合动力系统众所周知的优势，但本研究的主要目标是量化和评估混合动力系统所带来的空气污染协同效益，尤其是在 ferry 终点站及其周边区域，因为这些地方的人口暴露较高，沿海社区也受到更大的影响。本研究评估了加拿大不列颠哥伦比亚省（BC）渡轮公司“海岸级”渡轮的排放影响，这些渡轮配备了基准柴油-电力推进系统，当采用插电式混合推进系统时，对温哥华岛 Tsawwassen 港口的空气质量产生了影响。为此，研究团队开发了一个 GT-SUITE? 发动机模型，用于估算海岸级渡轮所使用的船舶柴油发动机的燃料消耗和氮氧化物（NOx）排放。通过使用渡轮交通数据和巡航、操作以及靠岸模式的排放因子，研究团队通过车队活动基础方法计算了年度 NOx 排放量。计算出的 NOx 排放量、本地气象数据和沿海土地利用数据被用于 AERMOD 模型。该模型评估了污染物浓度，分析了海洋区和居民区的浓度，并量化了混合动力推进系统对空气质量带来的好处。研究结果表明，混合化海岸渡轮的推进系统可能会将 NOx 浓度减少高达 45%，这不仅提供了显著的空气质量改善，还带来了脱碳效益，特别是在人口密集和环境敏感的沿海地区。

渡轮作为全球许多沿海社区的重要交通纽带，其短途且可预测的路线为减少温室气体（GHG）和标准空气污染物（CACs）提供了理想的机会。尽管渡轮在全球航运 GHG 排放中仅占 2–3%（国际海事组织，2021），但它们所产生的 CACs 对港口社区和空气质量有着显著的影响。在不列颠哥伦比亚省的沿海地区，最繁忙的渡轮路线是在温哥华都市区和温哥华岛之间，这三条主要路线每天的单程渡轮数量在 42 到 70 次之间。这些船只的载重大约为 10,000 吨，可以运送 100 到 360 辆车辆和 500 到 2100 名乘客（“BC 渡轮性能与可持续发展报告”，2022）。单程距离在 45 到 70 公里之间，航行时间大约为 1.5 到 2 小时，巡航速度约为 20 节（37 公里/小时）。因此，渡轮运营对当地和沿海社区环境的影响日益成为环境研究和政策的重点。为此，一些减少环境影响的措施正在被提出作为政策建议（G?ssling 等，2021）。为了监管和减少船舶污染，国际海事组织（IMO）制定了《防止船舶污染国际公约》（MARPOL）（MARPOL，2025；Ni 等，2020），引入了 Tier I、Tier II 和 Tier III 的氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）和颗粒物（PM）排放标准。为了减少渡轮的燃料消耗和 CACs，研究领域正在探索多种解决方案。主要的减排途径包括技术措施，如发动机效率提升、替代燃料和推进系统，以及运营措施，如降低航速和优化航线（Barreiro 等，2022；Bouman 等，2017；Garbatov 和 Georgiev，2024；Grigoriadis 等，2024）。

柴油发动机技术的进步带来了显著的效率提升，重型应用的峰值效率超过了 50%（Balazadeh Meresht 等，2023）；类似的趋势也适用于用于渡轮的船舶柴油发动机（Nguyen 等，2021）。除了使用废气再循环（EGR）（Balazadeh Meresht 等，2023；Ni 等，2020）之外，选择性催化还原（SCR）等后处理系统被认为是减少船舶 NOx 排放最有效的技术（Elkaee 等，2024；S. Feng 等，2022）。替代燃料的探索进一步减少了航运业的环境影响。液化天然气（LNG）作为一种关键的过渡燃料，因其现有的基础设施和对传统污染物以及 CO? 的减少而受到关注（Gray 等，2021），尽管甲烷滑移降低了其整体 GHG 的效益（Balcombe 等，2019；Bouman 等，2017；Gray 等，2021）。虽然甲醇提供了现有船舶改装的潜力，但大规模生产仍然是一个挑战。氢气和氨气虽然在长期应用中具有潜力，但在成本、储存和基础设施方面面临困难（Bilgili，2023；Gray 等，2021；Zou 和 Yang，2023）。

除了发动机效率的提升和低碳燃料的采用，推进系统的重新设计也为减少排放提供了显著的改善。目前，内燃机（ICE）仍然是船舶运输中主要的能量转换系统，因为它们能够满足各种船舶类型的功率需求（Geertsma 等，2017；Inal 等，2022）。在大型沿海渡轮中，多个柴油发动机/发电机组为电动机提供电力，该电动机连接到螺旋桨轴。在短途、低速的航线上，柴油发电机可以被电池组取代，实现完全电动操作，同时在渡轮停泊期间进行充电。在更长的航线上，采用混合推进系统，通过电池补充柴油发电机，提供了潜在的好处。对于沿海客船来说，相对短且明确的航线使得推进系统架构的优化成为可能（Geertsma 等，2017）。在短期内，柴油-电力混合船舶在实现空气质量法规合规性和减少 GHG 排放方面显示出巨大的潜力（Inal 等，2022；Nkesah 和 Solvoll，2024）。

研究表明，混合推进系统可以带来 2% 到 45% 的燃料消耗减少，具体取决于混合系统的设计（Bouman 等，2017；Y. Feng 等，2019；Lindstad 和 Sandaas，2016；Sciberras 等，2015）。在滚装/滚下式客船（RO-PAX）中，通过引入电池或超级电容器的常规混合系统已被证明在港口停泊期间显著减少了燃料消耗，主要原因是减少了柴油发电机的运行和峰值削减（Barone 等，2024；Ritari 等，2020）。尽管之前关于混合渡轮的论文显示了燃料节省的好处，但它们并未研究混合推进对港口空气质量的好处，这在文献中留下了一定的空白。研究港口区域活动对空气质量及乘客暴露的影响的论文主要关注的是船舶在靠岸期间产生的 CACs。这些论文主要研究了不同船舶类型，如集装箱船、散货船、油轮、普通货物船、车辆运输船、游轮、滚装/滚下式渡轮等的综合排放，例如在美国洛杉矶港（Agrawal 等，2019）、意大利那不勒斯港（Toscano 等，2021）、南非德班港（Manqele 等，2024）、丹麦哥本哈根港（Lans? 等，2023）以及意大利南部的爱奥尼亚海（Lonati 等，2010）进行的排放研究。这些研究旨在使用 CALPUFF、AERMOD 和 OML-Multi 大气扩散模型来量化 CACs，包括 NOx、SOx、PM、一氧化碳（CO）和挥发性有机化合物（VOCs），并评估气象条件对污染物浓度的影响，同时将浓度与环境空气质量标准进行比较。

这些研究强调了渡轮 NOx 排放对港口和沿海社区空气质量的显著贡献，某些情况下甚至导致了监管值的超标。巴塞罗那的一项研究得出结论，NO? 导致的过早死亡中有 8% 是由港口活动引起的（Mueller 等，2024）。Lonati 等（Lonati 等，2010）在爱奥尼亚海进行的扩散模型研究显示，最暴露的区域是在海上和港口，其中 NO? 的 1 小时浓度经常超过参考标准。在南非德班港的研究中，也观察到了 NO? 浓度的峰值超标（Manqele 等，2024）。在意大利那不勒斯港的研究中，Toscano 等（Toscano 等，2021）基于 900 艘船舶的信息创建了完整的 NOx、二氧化硫（SO?）和 PM 的排放清单，并进行了扩散建模。污染物的年度平均浓度贡献随受体与港口的距离而变化。对于 NO?，贡献范围从 5% 到 64%；对于 SO?，贡献范围从 1% 到 92%；对于总 PM??，贡献范围从 1% 到 11%。同样，Lans? 等（Lans? 等，2023）研究了哥本哈根港的 345 艘游轮，并指出游轮的每小时最大 NOx 值高于标准限制，游轮增加了港口的 NO? 年度浓度，与城市背景水平相比增加了高达 31%。Karl 等（Karl 等，2019）通过扩散建模发现，船舶排放占波罗的海地区年度平均 NO? 浓度的 40% 以上。

本研究的目标是评估混合化海岸渡轮推进系统对沿海社区和港口环境的局部空气污染物排放的影响。假设低功率需求的短暂运行模式，如怠速和操作，占主导地位，因此渡轮混合化在沿海终点站的空气污染协同效益可能比 GHG 减排效益更为显著。具体而言，本研究关注的是在实施插电式混合推进系统后，RO-PAX 渡轮的 NOx 排放变化。通过在不同混合架构下进行嵌套优化，并量化插电式混合设计中的燃料消耗减少，本研究扩展了分析范围，以评估其对空气质量的影响。

鉴于混合推进系统在不同模式下的运行方式存在差异，取决于负载、速度和电池状态，其排放，尤其是 NOx 排放，可能会有显著波动。通过详细建模 NOx 排放因子和扩散模拟，本研究旨在提供一个现实的评估，以了解这种系统对港口和社区空气质量的实际影响。NOx 被选为代表性污染物，因为其与柴油燃烧直接相关，且受到非船舶来源（如灰尘）的干扰较少，并且在研究区域中船舶贡献显著。最终，我们希望了解减少运营 CO? 排放如何转化为沿海环境中 NOx 的实际减少及其空间扩散。

本文的其余部分组织如下。第 2 节描述了研究方法，包括从推进系统优化到排放因子计算和扩散建模的集成建模框架。第 3 节呈现并讨论了能量消耗分析、NOx 排放比较和空间空气质量评估的结果。第 4 节总结了关键发现，并突出了未来工作的机会。

研究方法部分介绍了本研究的集成建模方法，从推进系统优化到排放因子计算和扩散建模，以评估混合推进系统对 RO-PAX 渡轮的环境影响。研究团队使用 GT-SUITE? 开发了一个 1-D 柴油发动机燃烧模型，并使用实验数据对五种不同的发动机负载进行了验证。燃料消耗和 NOx 排放因子是从该模型中得出的。除了基准柴油-电力推进系统外，还对混合推进系统的配置及其操作模式进行了研究。这些研究为后续的排放计算和空气质量评估提供了基础。

结果与讨论部分展示了验证后的发动机模型能够准确估算 BSFC 和 NOx 排放因子，这些因子对于评估和比较基准与混合场景下的总燃料能耗和排放至关重要。通过将这些排放因子与操作模式结合，模型提供了每个航行阶段对总体 NOx 排放的贡献分析。此外，验证后的扩散模型已被证明能够有效捕捉浓度趋势，从而评估混合推进系统对港口和社区空气质量的影响。研究发现，混合化推进系统在减少 NOx 排放方面具有显著效果，特别是在渡轮终点站附近，NOx 浓度的降低对空气质量改善有重要影响。通过对 Tsawwassen 港口的模拟，研究团队能够分析不同混合架构对 NOx 排放和空气污染的影响。结果显示，混合化推进系统可以减少高达 45% 的 NOx 浓度，这为实现更清洁的港口环境提供了强有力的支持。

结论部分总结了本研究的发现，即混合化海岸渡轮推进系统对近终端区域和沿海社区的氮氧化物（NOx）浓度产生了协同影响。通过整合发动机和扩散模型，研究团队估算了 BC 渡轮公司“海岸级”渡轮在不列颠哥伦比亚省 Delta 市 Tsawwassen 港口终端周围的排放及其空间分布。本研究聚焦于 BC 渡轮公司“海岸级”渡轮的中期翻新，评估了实施插电式混合推进系统对空气质量的好处。研究结果表明，混合推进系统不仅有助于减少 GHG 排放，还能显著改善空气质量，特别是在人口密集和环境敏感的沿海地区。这一发现为未来在港口和沿海社区实施混合推进系统提供了科学依据和政策建议。

在研究过程中，作者们还使用了多种技术手段和数据来源。例如，AIS（自动识别系统）用于获取渡轮的交通数据，这有助于分析渡轮在不同时间段的运行模式。此外，研究团队还结合了气象数据和土地利用数据，以更全面地评估混合推进系统对空气质量的影响。这些数据的整合使得研究能够更准确地模拟污染物的扩散过程，并预测其对不同区域的影响。通过这种方式，研究不仅关注了排放的减少，还关注了其在环境中的扩散路径和影响范围。

本研究的实施还得到了加拿大政府的资助，特别是通过加拿大环境与气候变化部（ECCC）的 Salish Sea 海洋排放减少基金。作者们也感谢了 BC 渡轮公司的 Babak Manouchehrinia 提供的技术支持。尽管研究团队对研究结果持有自己的观点，但他们的结论基于严谨的建模和数据分析，为相关政策的制定提供了重要的参考。本研究的结果表明，混合推进系统在减少 NOx 排放方面具有显著优势，这不仅有助于实现环保目标，还能改善当地居民的健康状况。

综上所述，本研究为混合推进系统在减少船舶排放和改善空气质量方面的应用提供了重要的理论和实践支持。通过详细的建模和分析，研究团队展示了混合推进系统在实际应用中的潜力，并强调了其在港口和沿海社区环境中的重要性。未来的研究可以进一步探索混合推进系统的优化设计，以及其在不同环境条件下的适用性。此外，研究还可以扩展到其他类型的船舶，以评估混合推进系统在更广泛范围内的环境效益。这些研究结果为推动航运业的可持续发展提供了重要的科学依据，同时也为政策制定者提供了有力的决策支持。