基于全壽命周期的船舶硫化物減排措施的經(jīng)濟(jì)性

朱現(xiàn)場(chǎng)，周 珊，陳偉民

(1. 上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200135；2. 上海海事大學(xué) 國(guó)際海事(中國(guó))研究中心， 上海 201306)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，在貿(mào)易全球化的驅(qū)動(dòng)下，船舶的數(shù)量不斷增多、噸位不斷增大，由此帶來的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，相關(guān)國(guó)際組織對(duì)比不斷提出新的要求，以減少船舶大氣污染物的排放[1-2]。根據(jù)國(guó)際海事組織(International Maritime Organization, IMO)的要求：對(duì)于硫排放控制區(qū)(Emission Control Area, ECA)內(nèi)的船舶所使用燃油的硫含量，自2015年1月1日開始，不能超過0.1% m/m；對(duì)于ECA外的船舶所使用燃油的硫含量，自2020年1月1日開始，不能超過0.5% m/m(見圖1)。為便于描述，本文所指低硫油包括硫含量小于0.1%的輕柴油(MGO)和硫含量小于0.5%的低硫重油(LSFO)。目前ECA包括波羅的海、北海、北美和加勒比海等。這些規(guī)定對(duì)船舶所有人采取更多措施減少船舶硫排放提出了更高的要求。

圖1 IMO全球硫排放限制

當(dāng)前，船舶硫排放限制的應(yīng)對(duì)措施主要有使用低硫油、使用重油并安裝脫硫塔和使用液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)燃料等3種[3-6]。已有很多學(xué)者對(duì)這些措施的有效性進(jìn)行分析，但很少有學(xué)者從投資成本的角度對(duì)這些措施進(jìn)行定量分析。因此，本文在對(duì)這3種措施進(jìn)行定性分析的基礎(chǔ)上，以全壽命周期理論為基礎(chǔ)，考慮資金的時(shí)間價(jià)值，對(duì)費(fèi)用現(xiàn)值法模型進(jìn)行研究，提出基于費(fèi)用現(xiàn)值法的硫排放限制應(yīng)對(duì)措施經(jīng)濟(jì)性模型，為船舶所有人及有關(guān)部門進(jìn)行投資決策提供參考。

1 硫排放限制的主流應(yīng)對(duì)措施

1.1 使用低硫油

對(duì)于ECA內(nèi)的船舶而言，在使用低硫油時(shí)需對(duì)供油系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使其適應(yīng)低硫油的應(yīng)用需求，如設(shè)置燃油轉(zhuǎn)換程序、安裝燃油冷卻器設(shè)備等。對(duì)于只在ECA內(nèi)航行的船舶而言，全部采用MGO可去除重油加熱設(shè)備，大幅度降低船舶主機(jī)的維護(hù)成本和使用成本。

1.2 使用重油并安裝脫硫塔

安裝脫硫塔是目前主要的船舶尾氣處理方法。截至2018年6月，全球范圍內(nèi)已有約1 000艘船舶安裝或訂購(gòu)脫硫塔。脫硫塔的工作原理是利用氫氧化鈉等物質(zhì)中和煙氣中的硫化物。在采用該措施時(shí)，需配置相應(yīng)的冷卻或洗滌水系統(tǒng)和清潔系統(tǒng)，這會(huì)增加較多設(shè)備，占用較大的空間，初期投資成本較高。此外，運(yùn)行洗滌器系統(tǒng)需消耗燃料和其他資源，這也會(huì)增加船舶運(yùn)營(yíng)成本。

相比使用低硫油，安裝脫硫塔可繼續(xù)使用HFO，這將大大降低船舶燃油成本。在ECA內(nèi)航行的時(shí)間越長(zhǎng)，節(jié)約成本的效果越顯著。

1.3 使用LNG燃料

LNG作為一種清潔燃料，自身不含硫和粉塵，因此其燃燒物中沒有硫氧化物(SOx)和顆粒物(PM)；使用LNG作為船用燃料可有效減少SOx和PM的排放。此外，LNG的價(jià)格相對(duì)較低，使用LNG燃料可使船舶的燃油成本降低20%～30%，經(jīng)濟(jì)性較好。

但是，LNG作為一種低溫液化物，其存儲(chǔ)對(duì)材料的要求非常高，其使用與加注是非常復(fù)雜的過程。一旦LNG發(fā)生泄漏，會(huì)對(duì)人員和船舶造成重大傷害。因此，需采取特殊的預(yù)防措施避免LNG與人和船體結(jié)構(gòu)接觸。此外，目前LNG加注設(shè)施尚不完善。對(duì)于長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)拇岸?，若采用LNG燃料，需充分考慮其續(xù)航能力和加注的便利性。

1.4 3種措施的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3種措施的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 3種措施的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

2 3種燃油方案的經(jīng)濟(jì)性影響因素

2.1 航行區(qū)域

2020年1月1日以后，全球的船舶航區(qū)主要分為ECA(硫含量不超過0.1% m/m)和非ECA(硫含量不超過0.5% m/m)2種。在不同航區(qū)航行的船舶所采用燃油的硫含量要求和燃油成本不同，采用脫硫塔或采用LNG燃油節(jié)約的燃料成本也不同。表2為不同航區(qū)船舶可選的燃油方案。

表2 不同航區(qū)船舶可選的燃油方案

對(duì)于航行區(qū)域包含ECA和非ECA的船舶，ECA占航行航區(qū)的比例對(duì)方案的經(jīng)濟(jì)性有重要影響。

圖2 世界主要港口油價(jià)平均價(jià)格走勢(shì)

2.2 燃油價(jià)差

根據(jù)2010—2018年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：MGO與重油的差價(jià)維持在200美元/t以上(見圖2)；LSFO與重油的差價(jià)維持在130美元/t左右。

燃油費(fèi)用在航運(yùn)企業(yè)營(yíng)運(yùn)成本中占有很大的比例，燃油價(jià)差直接影響3種方案的經(jīng)濟(jì)性。

2.3 船舶剩余使用壽命

船舶的剩余使用壽命直接影響計(jì)算周期。由于脫硫塔和LNG系統(tǒng)的初始投資和改造費(fèi)用比較高，因此計(jì)算周期越長(zhǎng)，節(jié)約的成本越多，經(jīng)濟(jì)性越好。

對(duì)于剩余使用壽命比較短的船舶而言，通常在ECA內(nèi)采用0.1% m/m低硫油，在非ECA內(nèi)采用0.5% m/m低硫重油，經(jīng)濟(jì)性較好；對(duì)于新造船而言，由于計(jì)算周期較長(zhǎng)，節(jié)約的燃油成本較多，采用脫硫塔+重油或LNG的方案經(jīng)濟(jì)性較好。

通過以上分析可知，3種方案的經(jīng)濟(jì)性和成本有效性很大程度上取決于船舶航行區(qū)域、燃油價(jià)差和船舶剩余使用壽命等因素。在航運(yùn)市場(chǎng)持續(xù)低迷、航運(yùn)企業(yè)營(yíng)運(yùn)成本不斷增加的形勢(shì)下，選擇合適的方案降低硫排放限制帶來的船舶投資和運(yùn)營(yíng)成本增加具有重要意義。

3 基于費(fèi)用現(xiàn)值法的硫排放限制應(yīng)對(duì)措施經(jīng)濟(jì)性模型

全壽命周期是指產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、銷售、使用、維護(hù)和回收處理的整個(gè)周期。全壽命周期不單純考慮某個(gè)階段的成本和利潤(rùn)，而是通過對(duì)整個(gè)過程中所需的成本進(jìn)行整合得出最佳方案。目前，全壽命周期理論廣泛應(yīng)用于工程業(yè)、制造業(yè)和商業(yè)等領(lǐng)域中。

現(xiàn)值法的原理是計(jì)算各方案的凈現(xiàn)金流量的現(xiàn)值，在此基礎(chǔ)上比較各方案。該方法要求各方案的所有現(xiàn)金流入和現(xiàn)金流出能估計(jì)出來，常用來對(duì)改建、擴(kuò)建項(xiàng)目進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。

3.1 經(jīng)濟(jì)性模型構(gòu)建

用現(xiàn)值法構(gòu)建硫排放限制應(yīng)對(duì)措施經(jīng)濟(jì)性模型，有

(1)

At=C1+C2+C3

(2)

C1=λ(u1k1+u2k2)

(3)

式(1)～式(3)中：P為費(fèi)用現(xiàn)值；A0為初始投資；At為第t年的凈現(xiàn)金流量(3種方案下的凈現(xiàn)金流變化值)；n為計(jì)算周期(船舶剩余使用壽命期限)；i為折現(xiàn)率；C1為方案一增加的年度燃料成本；C2為運(yùn)行洗滌器系統(tǒng)所需的燃料消耗和消費(fèi)品成本及維護(hù)成本；C3使用LNG節(jié)約的年度燃料成本；λ為年航次數(shù)；u1為航次消耗的低硫油噸數(shù)；u2為航次消耗的低硫重油噸數(shù)；k1為低硫油與HFO價(jià)格差；k2為低硫重油與HFO價(jià)格差。

對(duì)于在ECA內(nèi)消耗的低硫油和在非ECA內(nèi)消耗的低硫重油，分別按其與重油的差價(jià)計(jì)算增加的年度燃油成本。

3.2 初始投資

1) 在選擇使用低硫油時(shí)，無(wú)需對(duì)現(xiàn)有船舶進(jìn)行大的改動(dòng)，初始投資可忽略不計(jì)；

2) 在選擇使用船用重油并安裝脫硫塔時(shí)，初始投資成本包括脫硫塔及其輔助設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)用、安裝費(fèi)用和船舶改裝費(fèi)用等；

3) 在選擇使用LNG燃料時(shí)，初始投資包括船舶主機(jī)改造成本、LNG儲(chǔ)存設(shè)備和加注系統(tǒng)購(gòu)置及安裝費(fèi)用等。

4 算例分析

4.1 實(shí)例分析

以航行于中國(guó)—美東航線的某集裝箱船為例，根據(jù)其實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的數(shù)據(jù)可得計(jì)算參數(shù)見表3。

表3 計(jì)算參數(shù)

脫硫塔初始投資費(fèi)用按2 000萬(wàn)美元計(jì)，年消費(fèi)品成本和維護(hù)成本按20萬(wàn)美元計(jì)。LNG主機(jī)改造成本、LNG儲(chǔ)存設(shè)備和加注系統(tǒng)購(gòu)置及安裝費(fèi)用等按5 000萬(wàn)美元計(jì)。脫硫塔和LNG存儲(chǔ)加注設(shè)施等殘值忽略不計(jì)。分別繪制不同方案下的費(fèi)用現(xiàn)值-周期曲線，結(jié)果見圖3。

由圖3可知：當(dāng)船舶剩余使用年限(計(jì)算周期)小于8.8 a時(shí)，選擇使用低硫油的經(jīng)濟(jì)性較好；當(dāng)船舶剩余使用年限在8.8～20.2 a時(shí)，選擇安裝脫硫塔的經(jīng)濟(jì)性較好；當(dāng)船舶剩余使用年限大于20.2 a時(shí)，選擇使用LNG燃料的經(jīng)濟(jì)性較好。

4.2 燃油價(jià)差波動(dòng)的影響

考慮到低硫油和低硫重油的價(jià)格走勢(shì)與HFO的成本優(yōu)勢(shì)存在較大的不確定性，針對(duì)燃油價(jià)差的波動(dòng)對(duì)方案選取的影響進(jìn)行量化分析。分別設(shè)定燃油價(jià)差降低10%(180美元/t和117美元/t)和降低20%(160美元/t和104美元/t)進(jìn)行分析。繪制不同方案下的費(fèi)用現(xiàn)值-周期曲線，結(jié)果見圖4。

圖3 不同方案下的費(fèi)用-現(xiàn)值-周期曲線1

圖4 不同方案下的費(fèi)用現(xiàn)值-周期曲線2

由圖4可知：當(dāng)燃油價(jià)差降低20%、船舶剩余使用年限小于12.2 a時(shí)，選擇使用低硫油的經(jīng)濟(jì)性較好；當(dāng)船舶剩余使用年限大于12.2 a時(shí)，選擇安裝脫硫塔和使用LNG燃料相比使用輕油仍有一定的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)；隨著燃油價(jià)差降低，脫硫塔的生存空間被進(jìn)一步壓縮；當(dāng)燃油價(jià)差降低到一定程度時(shí)，采用脫硫塔的方案不具有經(jīng)濟(jì)性。

對(duì)于特定的船舶而言，在不改變航區(qū)的情況下，關(guān)注燃油價(jià)差走勢(shì)和選用脫硫塔/LNG燃料系統(tǒng)時(shí)的成本變化十分重要。

5 結(jié) 語(yǔ)

燃油方案的經(jīng)濟(jì)性取決于船舶剩余使用年限、ECA內(nèi)的航行距離和燃油差價(jià)等因素。對(duì)于在ECA內(nèi)航行時(shí)間占比大、剩余使用年限長(zhǎng)(如新造船)的船舶而言，使用LNG燃料(充分考慮沿線LNG加注的可行性)或安裝脫硫塔的經(jīng)濟(jì)性較好；對(duì)于在ECA內(nèi)航行時(shí)間占比小、剩余使用年限較短的船舶而言，使用低硫油的經(jīng)濟(jì)性較好。不同類型、不同噸位的船舶安裝脫硫塔和改造LNG系統(tǒng)所需的費(fèi)用相差較大，在實(shí)際操作過程中，要針對(duì)具體船舶具體分析。

本文以全壽命周期理論為基礎(chǔ)，運(yùn)用費(fèi)用現(xiàn)值法對(duì)硫化物減排措施的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，可為船舶所有人及相關(guān)部門進(jìn)行投資決策提供參考。