* エネルギー効率設計指標 (EEDI) 規制と対応技術動向 * エネルギー効率設計指標 (EEDI) 規制と対応技術動向 ** ** 1. はじめに 2011 年 7 月に開催された IMO 第 62 回海洋環境保護委員会 (ME 62) において, エネルギー効率設計指 標 (EEDI) 及び船舶エネルギー効率管理計画書 (SEEM) の強制化に関する MAROL 条約附属書 VI 改正案が採択され,2013 年 1 月 1 日に発効した. これにより, 同日以降に新たに建造契約が結ばれる船舶または 2015 年 7 月 1 日以降に引渡しが行われる船舶にあっては, 一定サイズ以上の船舶に対し船種毎に設定された EEDI の規制値を満足することが要求され, 第三者認証機関による EEDI の認証が義務付けられている. 本稿では,IMO にて策定された規則及び関連ガイドラインに基づき,EEDI 規制の概要, 個船の EEDI 計算の基本的な考え方,EEDI 規制への対応状況について解説する. 2. EEDI 規制の概要 2.1 EEDI の基本コンセプト新造船のエネルギー効率評価指標として用いられる EEDI は, 船舶のエネルギー効率のポテンシャルを表す数値であり, 概念的には (1) 式のように表される. ただし,(1) 式は本来の EEDI 算定式を簡略化した形で示しており, 実際の算定式は, これに省エネ機器搭載による排出量の控除項等を加えたもう少し複雑な式構成になる ( 後述 ). EEDIg/ton mile O2換算係数 燃料消費率 g/kwh 機関出力 kw (1) DWTton 速力 mile/h すなわち EEDI とは, 規定されたある一定の条件下において,1 トンの貨物を 1 マイル運ぶ際に排出される O2 のグラム数として定義される. この値は, 当該船舶が有するエネルギー効率のポテンシャルを表す指標として見なすことも可能であり, 例えて言えば, 自動車のカタログ燃費に相当するものである. * 原稿受付平成 29 年 4 月 20 日. ** 正会員一般財団法人日本海事協会 2.2 EEDI 規制 EEDI に関する規定は, 条約が指定する特定の船種における新船のみが適用対象となり, 各船について EEDI の計算が要求されるほか, さらに一定のサイズ以上の新船には,EEDI 計算値 (Attained EEDI) が規制値 (Required EEDI) 以下となることが要求される. 改正 MAROL 条約附属書 VI における新船は, 以下のとおり定義される. (1) 2013 年 1 月 1 日以降に建造契約が結ばれる船舶 (2) 建造契約がない場合,2013 年 7 月 1 日以降に起工される船舶 (3) 2015 年 7 月 1 日以降に引き渡しされる船舶なお,EEDI 規制対象船種を自動車運搬船や LNG 運搬船等に拡大する条約改正が ME 66 において採択され,2015 年 9 月 1 日以降に建造契約が結ばれる船舶が適用対象として追加されている. EEDI の規制値は, 船種毎に計算された過去 10 年間 (1999 年 ~2008 年 ) の建造船の EEDI 平均値 (DWT または GT の指数関数として表される EEDI の平均線でリファレンスラインと呼ばれる ) に一定の削減率 X(%) を考慮した値として式 (2) のように与えられる. Attained EEDI X Required EEDI Ref. line value 1 100 また,EEDI 規制値は, 建造契約日と完工日に応じ て段階的 ( フェーズ方式 ) に厳しい値となることが決定しており,2025 年 1 月 1 日から適用されるフェーズ 3 においては削減率 30% の適用が予定されている. EEDI 規制値への適合が要求される船種について, リファレンスライン値を求める数式及び削減率を表 1 に, また, 一例として, ばら積み貨物船のリファレンスラインを図 1に示す. 2.3 EEDI 規制のレビュー MAROL 条約附属書 VI 第 21 規則により,EEDI 規制フェーズ 1 の開始時点 (2015 年 ) 及びフェーズ 2 の中間点 (2022 年 ) において,EEDI の改善に寄与する技術の開発動向をレビューし, 必要と認めれば, フェーズ 2, フェーズ 3 の開始時期, リファレンスライン算定パラメータ及び削減率を改正することが規定されている. (2) Journal of the JIME Vol.00,No.00(2005) -1- 日本マリンエンジニアリング学会誌第 00 巻第 00 号 (2005) Journal of the JIME Vol. 52, No. 4(2017) 83
481 エネルギー効率設計指標和文表題 (EEDI) 規制と対応技術動向 IMO の通信部会により実施された当該 EEDI 規制レビュー ( 最初のレビュープロセス ) の最終報告が ME 70 において審議され,Ro-ro 貨物船と Ro-ro 旅客船以外の船種については, フェーズ 2 の開始時期, 削減率を維持することが合意された. 表 1 リファレンスライン算式と削減率 図 1 ばら積貨物船のリファレンスライン 3. EEDI の計算方法 3.1 EEDI 計算式 EEDI の計算方法については,IMO から EEDI 計算ガイドラインが発行されている. 具体的な EEDI 算定式は図 2 に示す形で表される. 省エネ装置搭載による排出量の控除項等が加わることにより一見複雑な式構成になっているが, その考え方は先の式 (1) で示した基本的概念に基づいている. 3.2 EEDI 計算式の各要素従来型の直結ディーゼル推進機関を対象として, 以下に EEDI 計算ガイドラインで規定される各パラメータの定義, 考え方について述べる. 3.2.1 主機及び軸モータ図 2 中に示した数式の分子第 1 項は, 主機に起因する O2 排出量を見積もるためのものであり, 機関出力 ME としては, 主機最大出力 MR の 75% の値を使用 することが規定されている. 燃料消費率 SFME については, 海上試運転時の計測値ではなく,MAROL 条約附属書 VI により従来から要求されている NOx 排出量確認時に試験台において計測された所謂親エンジンの燃料消費率を用いて,75%MR 時の計測値を ISO 標準大気条件及び標準低位発熱量 (42,700kJ/kg) に補正した値を採用する.O2 換算係数 FMEは,NOx 排出量確認時の燃料に対応する値を使用するため, 一般にはDiesel/Gas Oil に対応するF = 3.206 を用いることになる. なお, 推進加勢用の軸モータが搭載されている場合には, これに起因する O2 排出量を第 3 項で別途考慮する必要がある. 3.2.2 補機分子第 2 項は, 補機に起因する O2 排出量を見積もるためのものであり, 基本的な考え方は第 1 項の主機の場合と同様である. 機関出力 AEについては, 通常航海中における推進及び居住区に関わる所要電力を賄うための補機関出力として定義され, 主機 MR の一次関数として簡易的に見積もるよう規定されている. 燃料消費率 SFAE については, 主発電機関の 50%MR 時の値を用いる. ただし, 実際の電力需要が簡易算式により見積もられる値と著しく異なる場合には, 電力調査表に基づいて AEを決定することが要求される. この場合, 燃料消費率 SFAE については, 主発電機関の 75%MR 時の値を用いる. 3.2.3 革新的省エネ技術分子第 4 項と第 5 項は, 省エネ装置を搭載した場合の O2 排出量控除項で, 補機又は主機に起因する O2 排出量からの省エネ効果による削減分をそれぞれ減算することができる. これら第 4 項又は第 5 項で考慮すべき省エネ装置の具体例としては, 前者であれば補機駆動用電力を供給するための排熱回収装置や太陽電池等が, 後者であれば風力推進システムや船体抵抗を減じるための空気潤滑システム等が挙げられる. これら省エネ装置については, 個船毎にその効果を検証することが要求されており, その計算方法 ( 第 4 項及び第 5 項の算出方法 ) や認証方法について,IMO より関連のガイダンスが発行されている ( 後述 ). 3.2.4 apacity EEDI 計算式の分母における積載能力 apacity には, 客船を除き, 夏期満載喫水における載荷重量 DWT を用いることが規定されている. ただし, コンテナ船に限っては 70%DWT の値を使用する. 一方, 客船の場合には,DWT ではなく総トン数 GT を用いる. 3.2.5 船速 (V ref ) 船速 Vrefに関しては, 上記の EEDI 計算条件下, すなわち一般には主機出力 75%MR, 夏期満載喫水における平水中速力を用いることが規定されている. Journal of the JIME Vol.00,No.00(2005) -2- 日本マリンエンジニアリング学会誌第 00 巻第 00 号 (2005) Journal of the JIME Vol. 52, No. 4(2017) 84
エネルギー効率設計指標日本マリンエンジニアリング学会執筆要項 (EEDI) 規制と対応技術動向 482 主機に起因する O 2 排出量 補機に起因する O 2 排出量 推進加勢する軸モータに起因する O 2 排出量 省エネ装置による 補機起因の O 2 排出量 の削減分 省エネ装置による 主機起因の O 2 排出量 の削減分 M fj nme ME( FME( SF ME( AE FAE SF AE M nti neff fj TI i f ( ) fi f f capacity f V j1 i1 j1 i1 i1 i1 c l w eff ( ref AEeff ( FAE SF AE neff f eff ( eff ( FME SF ME 積載能力に関する補正係数 ケミカルタンカー, Ro-ro 旅客船, チップ船等のタンク容積補正係数 積載能力 一般貨物船の荷役装置に係る補正係数 実海域における速力低下係数 船速 図 2 EEDI 計算式詳細 3.2.6 主機出力補正係数 (f j ) EEDI 計算式中で用いられる補正係数の内, 分子にある出力補正係数 fj は,Ro-ro 貨物船,Ro-ro 旅客船, アイスクラス適用船舶や推進システムに冗長性を有するシャトルタンカー等に適用されるもので, 特殊な事情により比較的大きな推進出力を有する船舶の EEDI が不利な値とならないよう,1.0 未満の係数を乗じることにより EEDI 計算上の推進出力値を下方に補正するものである. 3.2.7 apacity 補正係数 (f i,f l,f c ) 分母にある積載能力の補正係数のうち,fi はアイスクラス適用船や共通構造規則 (SR) 適用船舶に対して適用されるもので, 船体構造強化に伴う積載能力減少分を補うために導入されている. また, 船主要求等により自主的な船体構造強化が行われる場合にも, 一定の条件を満たす場合, 同補正係数の適用が認められる. 補正係数 fl は一般貨物船に対して適用されるもので, 荷役装置等の搭載に伴う積載能力減少分を考慮できる. 同じく分母にあるタンク容積の補正係数 fc は, ケミカルタンカー, チップ船,Ro-ro 旅客船等に適用されるもので, 比重の小さな貨物を運ぶことにより, 同一船種の中で比較的小さな DWT を有する船舶の EEDI が不利な値とならないよう,DWT とタンク容積の比に応じて積載能力を補正するものである. 3.2.8 実海域速力低下係数 (f w ) 実海域における速力低下係数 fw は, 平水中速力をベースとする通常の EEDI 値の計算とは別に, 指定された海象 ( 風力階級 6 相当 ) における速力低下を考慮した EEDI 値 (EEDIweather) を算出するための係数であり, 通常 ( 平水中 ) の EEDI 計算においては fw=1.0 を用いる. なお,EEDIweatherの計算は任意であり, 計算を行 った場合には参考値として,EEDI テクニカルファイルに記載することになっている. 3.3 二元燃料 (Dual fuel) 機関の取り扱い二元燃料機関を搭載する船舶においては, 関連設備等の条件によりガス燃料が primary fuel とみなされる場合, ガス燃料の O2 換算係数を使用して EEDI 値を計算できる. また, ガス燃料が primary fuel とみなされない場合であっても, ガス燃料の利用可能分を考慮して, ガス燃料の O2 換算係数を重みづけにより EEDI 計算に反映することができる.EEDI 計算ガイドラインに,primary fuel の判定基準として fdfgas (fuel availability ratio) が与えられている.EEDI 計算式分子第 1 項の主機を例に, 具体的な取扱いを以下に示す. fdfgas 0.5 の場合 ( ガス燃料 = primary fuel) ME 1.0 FMEgas SF MEgas FMEpilot SF MEpilot i fdfgas = 0.2 の場合 ( ガス燃料 20% 相当が利用可能 ) ME 0.2 0.8 FMEliquid SF SF FMEgas MEgas MEliquid FMEpilot SF MEpilot 3.4 革新的省エネ技術の EEDI 計算への反映 GHG 削減技術を適切に評価するための取扱いを定めたガイダンス ( 革新的省エネ技術ガイダンス ) が IMO において策定されている. 本項では, 当該ガイダンスに基づき, 省エネ技術の EEDI への反映方法について述べる. 3.4.1 革新的省エネ技術のカテゴリー革新的省エネ技術は, 以下の 3 つのカテゴリーに分類される. (A) 速力馬力曲線を向上させるもの Journal of the JIME Vol.00,No.00(2005) -3- 日本マリンエンジニアリング学会誌第 00 巻第 00 号 (2005) Journal of the JIME Vol. 52, No. 4(2017) 85
483 エネルギー効率設計指標和文表題 (EEDI) 規制と対応技術動向 (B) 主機出力 (ME) を低減させるもの () 電力を発生させるもの さらに, カテゴリー B と については, それぞれ 航海時に常に利用可能なもの と 限られた状況においてのみ, 最大の効果が得られるもの の 2 つのサブカテゴリーに分類される. 各カテゴリーについて, 具体的な例とともにまとめたものを表 2 に示す. 表 2 革新的省エネ技術のカテゴリー 主推進出力低減 補機出力低減 A B-1 B-2-1 -2 船舶の抵抗推進性能と分離船舶の抵抗限定されして取扱い可能なもの常時推進性能とた状況で常時限定された状利用可分離不可能利用可利用可況で利用可なもの feff = 1 feff < 1 feff = 1 feff < 1 低摩擦塗排熱回空気潤滑風力利用 ( 帆, 太陽光料, 船尾付収シスシステム凧等 ) 発電加物等テム 革新的省エネ技術ガイダンスの付録では, 以下の省エネ技術について EEDI 計算及び認証方法の具体例が示されている. なお, 新しい技術が開発された際には, 随時この具体例が追加される予定となっている. (1) 空気潤滑システム : 船底前方部からブロワー等を用いて注入する気泡により船体表面を覆うことにより, 船舶の摩擦抵抗を低減するシステム (2) 風力利用 : 風の状態に応じて推進力を生み出す各種の風力推進技術 ( 帆, 翼, 凧など ) (3) 排熱回収システム : 排ガス, 冷却水等の熱エネルギーを回収して発電することにより, 機関内での燃料燃焼から生み出されるエネルギーを有効利用するシステム (4) 太陽光発電 : 船舶の推進用電力または船内使用のための電力の一部を供給する太陽電池発電システム 3.4.2 各カテゴリーにおける EEDI 計算方法各カテゴリーの省エネ技術における EEDI の計算手法の概略は以下のとおりである. (1) カテゴリー A 船体の推進性能自体を向上させる技術であるため, 単純に船速 (Vref) の向上によりその効果が EEDI 計算値に反映される. (2) カテゴリー B 機器の On/Off によって低減される出力 (eff) により EEDI 計算値への反映を行う. また機器を On にする場合に消費される電力等も考慮しなけれ ばならない. カテゴリー B-2 に分類される技術については,Availability Factor (feff < 1.0) により稼働効率が考慮される. (3) カテゴリー 通常航海時において省エネ機器により生成される電力分 (AEeff) を,EEDI 計算式における補機からの O2 排出量 ( 分子第 2 項 ) から控除することができる. カテゴリー -2 に分類される技術については,Availability Factor (feff < 1.0) により稼働効率が考慮される. 4. 最低推進出力要件 4.1 概要先に述べたとおり,EEDI 規制ではフェーズ 3 で従来比 30% の EEDI 低減が求められている.IMO における審議において,EEDI 規制導入時より,EEDI 規制値を満足するために安易に計画速力を落とした, 過度に出力の小さな船舶が建造される可能性があるとして, 一部の国や機関から荒天下における船舶の操縦性 ( 安全性 ) に対する懸念が示されていた. そのため, 改正 MAROL 附属書 VI の第 21 規則により EEDI 規制値への適合が要求される船舶にあっては, 同 21.5 規則により, 荒天下における操船性を維持するため, IMO が策定するガイドラインに従って一定以上の推進出力を有することが規定された. ME 65 において, 船舶が備えるべき最低推進出力を決定するための暫定ガイドライン ( 最低推進出力暫定ガイドライン ) が策定され, 更に ME 68 において当該ガイドラインの一部改正が採択された. なお, 欧州や日本で実施されている学術的な調査研究の成果を基に, 今後ガイドラインの全面的な見直しを行うことが予定されている. 4.2 適用最低推進出力暫定ガイドラインは, 改正 MAROL 附属書 VI の第 21 規則によりフェーズ 0 及びフェーズ 1 の EEDI 規制値が適用される 20,000DWT 以上のばら積貨物船, タンカー及び兼用船に対し, ガイドラインで規定するレベル 1 もしくはレベル 2 のいずれかの評価手法による適合確認が要求される. 4.3 最低推進出力の評価手法 4.3.1 レベル 1 評価手法レベル 1 の評価手法として, 最低推進出力ラインが船種毎に表 3 に示す数式 (DWT の関数 ) により設定されており, 搭載主機出力の合計が最低推進出力ラインの値以上であることが要求される. Journal of the JIME Vol.00,No.00(2005) -4- 日本マリンエンジニアリング学会誌第 00 巻第 00 号 (2005) Journal of the JIME Vol. 52, No. 4(2017) 86
エネルギー効率設計指標日本マリンエンジニアリング学会執筆要項 (EEDI) 規制と対応技術動向 484 表 3 最低推進出力ライン 船種 最低推進出力 (kw) ばら積貨物船 (20,000 DWT) 0.0687 DWT + 2924.4 タンカー及び兼用船 (20,000 DWT) 0.0689 DWT + 3253.0 なお, 当該ガイドラインの一部改正により,2015 年 11 月 16 日以降に建造契約が結ばれる船舶は, 表 4 に示す最低推進出力ラインが適用される. ばら積貨物船 表 4 最低推進出力ライン ( 改正 ) 船種最低推進出力 (kw) (20,000 DWT < 145,000) 0.0763 DWT + 3374.3 (145,000 DWT) 0.0490 DWT + 7329.0 タンカー及び兼用船 (20,000 DWT) 0.0652 DWT + 5960.2 4.3.2 レベル 2 評価手法レベル 2 は, ガイドラインが定義する荒天海象 (adverse condition) において, 正面からの向波 向風の条件下で船舶が一定の前進速力で航海できる推進出力を有しており, かつ, その状態が搭載主機のトルクリミット以下 ( 作動範囲内 ) であれば, 全方位からの波や風の条件下でも船舶が針路を保つことができるとの仮定に基づいた間接的な評価手法である. 実際の計算は, 船舶の平水中抵抗, 波浪中抵抗増加, プロペラ性能, 搭載主機等の諸元を基に行われる. 5. EEDI 規制への対応状況 5.2 EEDI 規制への対応状況 EEDI 規制レビュープロセスにおいて IMO が公表した EEDI 値の実績データ 1) によると,EEDI 適用船 ( フェーズ 0 適用 ) では, 船種やサイズカテゴリーで差はあるものの, 概ねフェーズ 2 のレベルに到達している状況にある. ただし, 前述した革新的省エネ技術のうち, カテゴリー B または に該当する主機や補機出力を直接的に低減する省エネ機器 ( 排熱回収装置など ) の採用実績はほとんど報告されていない. 6. おわりに 数年来の燃料油高により減速運航が常態化し, 燃費性能を重視したいわゆるエコシップが開発されている. EEDI 規制の導入もその流れに寄与しているものと考えられる. EEDI 規制はゴールベースであり, プレーヤーがとるべき手段を細かく指定するのではなく, 種々の策により総合的に達成された結果に着目するものといえる. もっとも, 将来的に 30% の効率改善が求められる EEDI 規制はまだ開始段階であり, 機関, 推進プラント及び船体に係る種々の技術開発により高いハードルを越えることが業界に求められている.NK としても公正な EEDI 認証業務はもとより, 速力試験解析ソフト (eimeship-green/rosta) や最低推進出力評価ソフト (rimeship-green/minower) の提供等, 関連の技術サービス,IMO/IAS における活動を通じて業界に積極的に貢献していきたいと考える. 5.1 EEDI 改善手法とトレンド EEDI 計算式中の分子を小さく, 分母を大きくすることで EEDI 値を低減することができるため, その改善手法としては, 一般に,DWT の増加, 主機の燃費効率改善, 抵抗推進性能の改善 ( 船型改良 ), 各種省エネ機器の採用, 適切な計画速力の設定等が挙げられる. 特に, 近年の建造船では電子制御式エンジンの採用が主流となってきている. 電子制御式エンジンでは, シリンダへの燃料噴射タイミング, 排気弁開閉タイミングやシリンダ注油タイミングを適切に調整できるため, 全負荷域での燃費効率が改善される. また, 同一型式のエンジンにおいても回転数と出力 ( レーティング ) の設定により燃費効率は異なるが, 近年の建造船では, 低回転 低出力のポイント付近での出力設定とする, いわゆるディレーティング仕様の主機を採用する傾向にあり, 大型ロングストローク化, 低回転大口径プロペラの採用による船舶全体の効率向上に加え, 主機単体としても燃費効率が改善されている. 参考文献 1) IMO meeting document, ME 70/INF.14 著者紹介 日本マリンエンジニアリング学会正会員 1975 年生. 所属.( 一財 ) 日本海事協会技術本部 EEDI 部 Journal of the JIME Vol.00,No.00(2005) -5- 日本マリンエンジニアリング学会誌第 00 巻第 00 号 (2005) Journal of the JIME Vol. 52, No. 4(2017) 87