排放管控下班輪減排措施的選擇和成本分析

韋鳳華, 宋炳良

(上海海事大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院， 上海 200120)

船舶排放的硫氧化物對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響越來(lái)越引起國(guó)際社會(huì)重視，為此，國(guó)際海事組織(IMO)和各國(guó)海事機(jī)構(gòu)均提出了有關(guān)硫排放限制的規(guī)定。IMO發(fā)布的《國(guó)際防止船舶造成污染公約》規(guī)定：自2020年1月1日起全球范圍內(nèi)船舶使用燃料油硫含量由原來(lái)的不超過(guò)3.5%調(diào)整為不超過(guò)0.5%，排放控制內(nèi)使用的燃料含硫量不得超過(guò)0.1%。我國(guó)海事局發(fā)布的《2020年全球船用燃油限硫令實(shí)施方案》要求：自2020年1月1日起，國(guó)際航行船舶進(jìn)入我國(guó)管轄水域應(yīng)當(dāng)使用硫含量不超過(guò)0.5%的燃油，進(jìn)入我國(guó)內(nèi)河大氣污染排放控制區(qū)應(yīng)當(dāng)使用硫含量不超過(guò)0.1%的燃油。

更嚴(yán)格的硫排放限制必然會(huì)導(dǎo)致船公司成本增加。船公司目前面臨著兩個(gè)亟待解決的問(wèn)題，一是如何達(dá)到硫排放限制的要求；二是如何盡可能地減少減排成本。表1Alphaliner Newsletter公布的數(shù)據(jù)顯示了截止到2019年7月份12家集裝箱班輪公司擁有的加裝脫硫塔船舶、LNG動(dòng)力船舶和總船舶數(shù)量分布情況。顯然，這12家公司均有加裝脫硫塔的船舶，僅有少數(shù)公司擁有LNG動(dòng)力船舶。可見(jiàn)船公司對(duì)減排措施的選擇沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。毋庸置疑，種種減排措施必然都會(huì)使得成本增加，Cariou等指出船舶航速是影響船舶運(yùn)營(yíng)成本的主要變量，因而可通過(guò)降低航速來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本的目的[1]。DianSheng等人在排放限制下對(duì)船舶航速和配船進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明，在排放限制時(shí)商船隊(duì)會(huì)通過(guò)調(diào)整航速和配船來(lái)減小成本[2]。

表1 12家集裝箱班輪公司加裝脫硫塔和LNG動(dòng)力船數(shù)量分布(2019.07)

1 文獻(xiàn)綜述

現(xiàn)有很多文章研究船速和配船優(yōu)化問(wèn)題，如Dian Sheng(2019)基于硫排放限制背景，對(duì)使用燃油轉(zhuǎn)換的商船做航速和船隊(duì)規(guī)模優(yōu)化，并且評(píng)估了減排效果[1]。Wang和Meng在考慮集裝箱路線的情況下，對(duì)班輪運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中各航線上集裝箱船的最優(yōu)航速進(jìn)行研究[3]。Yao等從單一路線的角度，針對(duì)燃油管理策略中的加油港的選擇、加油量的確定和船速的調(diào)整進(jìn)行了聯(lián)合優(yōu)化，建立模型以確定最優(yōu)的燃料管理策略，從而使單個(gè)班輪服務(wù)的總?cè)剂舷嚓P(guān)成本降至最低[4]。當(dāng)前對(duì)班輪運(yùn)輸航速和配船的研究主要集中在貨物分配、船舶部署和燃料補(bǔ)給等方面，很少涉及關(guān)于減排措施經(jīng)濟(jì)性的研究。

關(guān)于減排措施方面，Yewen Gu(2017)提出LNG動(dòng)力船舶的發(fā)展還存在很多問(wèn)題，如運(yùn)行設(shè)備占用空間大、前期投資不可估量，他研究了固定航線上燃油轉(zhuǎn)換和加裝脫硫塔兩種減排措施在燃油價(jià)格變動(dòng)下的成本差值以及航線調(diào)整時(shí)兩種減排措施在燃油價(jià)格變動(dòng)下的成本差值，研究表明，與考慮航線在排放控制區(qū)內(nèi)分布的情況相比，不考慮航線分布的情況下加裝脫硫塔技術(shù)的重要性被高估了[5]。楊少龍等對(duì)船舶氧化物排放控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀做了總結(jié)，并在技術(shù)層面對(duì)排放控制技術(shù)的原理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，他認(rèn)為研發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效的廢氣處理系統(tǒng)是未來(lái)技術(shù)的發(fā)展方向[6]。Lindstad和Eskeland(2016)認(rèn)為，在2020年實(shí)施全球硫限制后，脫硫塔和燃油轉(zhuǎn)換將成為主要的減排方案。然而，從根本上能解決問(wèn)題的減排方案還是開(kāi)發(fā)更清潔的燃料和提高能源效率。

任遠(yuǎn)從環(huán)保效果、配套設(shè)施、方案成本等方面對(duì)三種減排措施適用的船型進(jìn)行了分析和探究[7]。趙春林在對(duì)低硫油技術(shù)、LNG替代燃料技術(shù)和脫硫技術(shù)詳細(xì)介紹的基礎(chǔ)上，采用模糊層次分析法選出綜合評(píng)分前三的減排技術(shù)進(jìn)行實(shí)船成本對(duì)比分析，最終選出最經(jīng)濟(jì)環(huán)保的減排技術(shù)[8]。陳紅彬等采用了費(fèi)用年值分析法和投資回收期分析法，針對(duì)亞歐航線上20 000TEU型集裝箱船計(jì)算出主要減排措施的經(jīng)濟(jì)效益，研究發(fā)現(xiàn)在當(dāng)前環(huán)境下，超大型集裝箱船采用加裝脫硫設(shè)備更經(jīng)濟(jì)；而當(dāng)能源價(jià)格以相同幅度上升時(shí)，班輪企業(yè)采用LNG動(dòng)力船舶更為經(jīng)濟(jì)[9]。

限硫政策的改變導(dǎo)致減排措施應(yīng)用的變化，表2對(duì)2015年與2020年減排措施實(shí)施情況做了比較。目前的研究大都依據(jù)以往的限硫背景，對(duì)減排措施的技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)性做研究，但是很少結(jié)合航速優(yōu)化對(duì)減排措施作經(jīng)濟(jì)性分析。

表2 2015年與2020年減排措施實(shí)施情況對(duì)比

鑒于現(xiàn)有研究的缺口，本文將基于新的限硫背景，建立關(guān)于減排措施的成本模型；其次，在函數(shù)連續(xù)時(shí)求出最優(yōu)航速和配船；之后，對(duì)配船數(shù)量取整并相應(yīng)調(diào)整航速使得成本最低；然后，計(jì)算出使用各減排措施時(shí)的成本；最后，選出最經(jīng)濟(jì)的減排措施。

2 減排措施的特點(diǎn)

2.1 加裝脫硫塔

我國(guó)2020年全球船用燃油限硫令規(guī)定，自2020年1月1日起船舶不得在我國(guó)船舶大氣污染物排放控制區(qū)內(nèi)排放開(kāi)式廢氣清洗系統(tǒng)洗滌水。閉式脫硫塔在排放控制區(qū)內(nèi)外均可使用，其工作機(jī)理是通過(guò)脫硫塔對(duì)排放氣體的內(nèi)部處理將其轉(zhuǎn)化成泥漿等，再使用防污船對(duì)泥漿進(jìn)行處理進(jìn)而達(dá)到防污目的。目前，脫硫塔的使用存在一些問(wèn)題，如一艘大型集裝箱船舶加裝脫硫塔需要花費(fèi)約2至3個(gè)月，而一個(gè)脫硫塔的使用期僅僅為3至5年，而且脫硫塔的安裝費(fèi)用較昂貴，小型的脫硫塔價(jià)值就高達(dá)200至300萬(wàn)美元?？傊?，選擇加裝脫硫塔會(huì)面臨著高昂的投資成本。

2.2 燃油轉(zhuǎn)換

燃油轉(zhuǎn)換主要是用低硫油替代原有的高硫油來(lái)實(shí)現(xiàn)減排的目的，是最直接的減排措施。目前低硫油的提純面臨著技術(shù)上的問(wèn)題，一旦低硫油生產(chǎn)技術(shù)壁壘被攻破，低硫油將會(huì)取代重硫油，船公司將更傾向于燃油轉(zhuǎn)換。然而，低硫油的使用存在一定劣勢(shì)，由于粘度低、相容性差、穩(wěn)定性差等特性，低硫油在使用過(guò)程中可能會(huì)造成主機(jī)堵塞和腐蝕。由于船舶過(guò)去一直使用重硫油，且重硫油與低硫油不能混合使用，故船公司必須對(duì)其儲(chǔ)油罐進(jìn)行人工或化學(xué)清理。

2.3 新造LNG動(dòng)力船舶

LNG動(dòng)力船舶的使用一般是采用新建造的方式，因?yàn)長(zhǎng)NG動(dòng)力船舶與傳統(tǒng)船舶有很大的差異，所以對(duì)舊船進(jìn)行改造存在很大的不經(jīng)濟(jì)性。理論上講LNG動(dòng)力船舶是絕對(duì)低排放的運(yùn)輸方式，但是由于液化天然氣儲(chǔ)存條件要求高，儲(chǔ)存不當(dāng)會(huì)造成甲烷逃逸或引起安全事故。目前新能源使用正處在探索階段，還存在著能源供應(yīng)不足等問(wèn)題，但其今后發(fā)展趨勢(shì)越來(lái)越明顯。

3 提出假設(shè)及構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

3.1 基本假設(shè)

1)在船舶航行路線一定的情況下，當(dāng)船舶采用加裝脫硫塔(措施一)時(shí)主機(jī)全程使用重硫油(HFO)；當(dāng)采用燃油轉(zhuǎn)換(措施二)時(shí)主機(jī)在排放控制區(qū)外使用含硫量低于0.5%的低硫油(LSFO)，在排放控制區(qū)內(nèi)使用含硫量低于0.1%的船用輕柴油(MGO)，靠港時(shí)副機(jī)消耗MGO；當(dāng)選用LNG動(dòng)力船舶(措施三)時(shí)主機(jī)全程使用液化天然氣燃料；

2)航線上航行的船舶為新船；

3)同一航線上船舶類(lèi)型相同；

4)LNG動(dòng)力船與普通船在構(gòu)造上只有動(dòng)力的區(qū)別；

5)LNG船舶初始成本和固定運(yùn)營(yíng)成本是普通船舶的1.2倍；

6)班輪每年航行時(shí)間為270天，航線上年運(yùn)輸需求量一定，并且班輪按需配船。

3.2 變量與參數(shù)

本文涉及變量、參數(shù)的描述見(jiàn)表3。

表3 相關(guān)變量與參數(shù)

3.3 參數(shù)關(guān)系

3.3.1單位循環(huán)航次燃油成本

燃油成本包括主機(jī)燃油成本和副機(jī)燃油成本。普通船舶主機(jī)燃料消耗與航速的三次方成正比；由于不能直接建立LNG動(dòng)力船的能源消耗量與速度的關(guān)系，本文通過(guò)重硫油(40.5 kJ/kg)與LNG(50 kJ/kg)的熱值轉(zhuǎn)化來(lái)表示；考慮到燃油價(jià)格差異，本文燃油成本包括副機(jī)的消耗。自限硫令生效起，三種減排措施的具體實(shí)施情況如表2所示，針對(duì)措施一、措施二和措施三這三種減排措施的燃油成本如公式(1)、(2)和(3)所示：

(1)

(2)

Corbett指出ρ1，ρ2分別表示船舶主機(jī)燃料消耗常數(shù)和副機(jī)燃料消耗常數(shù)；SFOCM是主機(jī)油耗率，為206 g/kw·h；ELM是主機(jī)負(fù)荷，為0.8；PSM為主機(jī)馬力數(shù)(KW)；SFOCA是副機(jī)油耗率，為221 g/kw·h;ELA是副機(jī)負(fù)荷，為0.5；PSA為副機(jī)馬力數(shù)(KW)[10]。

3.3.2脫硫塔年分?jǐn)偝杀?/p>

本文的目標(biāo)函數(shù)是年總成本，在構(gòu)建脫硫塔成本公式時(shí)考慮到脫硫塔的使用年限，本文使用年金的計(jì)算方法在已知脫硫塔固定成本及殘值的情況下進(jìn)行成本分?jǐn)偅摿蛩哪晷蘩沓杀菊己苄∫徊糠挚梢院雎圆挥?jì)，由此得到脫硫塔的安裝成本見(jiàn)公式(7)：

Cs=Cp1(A/P,i,n1)-R1(A/F,i,n1)

(7)

Cp1為脫硫塔的固定成本；R1為脫硫塔的殘值；(A/P,i,n1)為等額系列資金回收因子[11]；(A/F,i,n1)為等額系列償債基金因子[11]；折舊率取5%；i為企業(yè)基準(zhǔn)收益率，取8%；n1為脫離塔使用年限，設(shè)為5年。

3.3.3船舶的年分?jǐn)偝杀?/p>

同樣的，本文使用年金的計(jì)算方法在已知船舶固定成本及殘值的情況下進(jìn)行成本分?jǐn)?，得到普通船舶和LNG動(dòng)力船的年分?jǐn)偝杀竟饺绻?8)、(9)：

CL1=Cp2(A/P,i,n2)-R2(A/F,i,n2)

(8)

CL2=Cp3(A/P,i,n2)-R3(A/F,i,n2)

(9)

Cp2指普通船舶的固定成本；Cp3指LNG船舶的固定成本；R2是普通船舶的殘值；R3是LNG船舶殘值，取5%；(A/P,i,n2)，(A/F,i,n2)分別為等額系列資金回收因子和等額系列償債基金因子[11-12]；i為企業(yè)基準(zhǔn)收益率，取8%；n2為L(zhǎng)NG動(dòng)力船使用年限，設(shè)為15年。

3.4 經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

3.4.1模型構(gòu)建

Dian Sheng構(gòu)建了商船使用燃油轉(zhuǎn)換措施時(shí)的成本函數(shù)，包括燃油成本、固定運(yùn)營(yíng)成本及商船特有的在途庫(kù)存成本[1]。本文的研究對(duì)象是班輪，在考慮燃油成本時(shí)加入副機(jī)油耗成本，但不考慮在途庫(kù)存成本以及在港成本這些不會(huì)造成減排措施間存在很大成本差異的因素。同樣地，本文還構(gòu)建了船舶使用脫硫塔和LNG船時(shí)的船隊(duì)年成本函數(shù)。使用各減排措施時(shí)的成本目標(biāo)函數(shù)如公式(10)、(12)、(14)所示：

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

3.4.2當(dāng)目標(biāo)函數(shù)連續(xù)時(shí)優(yōu)化求解

目標(biāo)函數(shù)連續(xù)時(shí)，對(duì)成本進(jìn)行最小化求解得到三種減排措施對(duì)應(yīng)的最優(yōu)船速見(jiàn)等式(16)、(17)、(18):

(16)

(17)

(18)

將速度與配船的最優(yōu)值代入公式(10)、(12)、(14)，即可求得使用三種減排措施對(duì)應(yīng)的成本。

3.4.3配船數(shù)量取整及航速調(diào)整

建立船隊(duì)的年成本模型中燃油消耗成本與航速有關(guān)，船隊(duì)的年固定成本分?jǐn)偱c船隊(duì)規(guī)模有關(guān)，而且受航線上年運(yùn)輸需求量的限制，船隊(duì)規(guī)模與航速也建立了關(guān)系。所以，本文首先通過(guò)成本最小化計(jì)算出船舶最優(yōu)航速，進(jìn)而通過(guò)航速計(jì)算出船隊(duì)規(guī)模。這里求得的船隊(duì)規(guī)模為小數(shù)值，本文將其作為船舶取整的上下限，從而計(jì)算出在船隊(duì)規(guī)模為整數(shù)值時(shí)的最小成本，如式(19)。在使用減排措施一、三的情況下，可以直接代入船舶的優(yōu)化等式(16)、(17)求得船舶的最優(yōu)航速，由于減排措施二對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同的速度，本文首先令兩速度的偏導(dǎo)相等求得速度的關(guān)系如式(20)，之后代入船舶優(yōu)化等式求得兩段航線上的最優(yōu)航速。

(19)

(20)

4 選定航線上班輪航速優(yōu)化與減排措施經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 數(shù)據(jù)收集與處理

考慮到數(shù)據(jù)的可得性和完整性，本文在數(shù)據(jù)收集困難的情況下選用了Doudnikoff文章中用到的四條航線的各指標(biāo)數(shù)據(jù)。所選四條航線根據(jù)ECA占比可分為比例大和小兩個(gè)維度，并且兩個(gè)維度的航線分別對(duì)應(yīng)著大、小型集裝箱船，數(shù)據(jù)整理如表4。由于缺乏航線具體掛靠港信息，如表5所示，在燃油價(jià)格方面，本文選用具有代表性的上海港、鹿特丹港和新加坡港3月9日的當(dāng)日油價(jià)均值來(lái)表示。在上海石油天然氣交易中心獲取了3月9日中國(guó)LNG綜合進(jìn)口到岸價(jià)格，本文通過(guò)對(duì)上海港油價(jià)與油價(jià)均值的等比例換算出LNG價(jià)格，如表6。假設(shè)船舶年航行時(shí)間為27天，脫硫塔初始安裝成本為135美元/kw[5]，在船舶主機(jī)功率已知的情況下可以計(jì)算出脫硫塔的初始投資成本。由于沒(méi)有找到船舶的購(gòu)買(mǎi)成本相關(guān)數(shù)據(jù)，本文用船舶造價(jià)來(lái)表示船舶的初始投資成本。根據(jù)克拉克森2020年2月份新船價(jià)格月報(bào)以及《中國(guó)船檢》提供的LNG動(dòng)力船比普通船舶造價(jià)高20%的數(shù)據(jù)關(guān)系，本文估算出普通船舶的新船造價(jià)和LNG動(dòng)力船的新船造價(jià)如表7所示。

表4 航線和船舶參數(shù)

表5 三大代表性港口燃油價(jià)格(2020.03.09)

表6 LNG價(jià)格(2020.03.09)

表7 新船的造價(jià)

4.2 結(jié)果與分析

基于上述模型和數(shù)據(jù)，本文得出目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果如表8和表9。在3月份油價(jià)情況下，對(duì)于四條航線上的班輪來(lái)說(shuō)選擇加裝脫硫塔時(shí)的成本最低，使用燃油轉(zhuǎn)換的成本次之，選擇用LNG動(dòng)力船的成本最大。與加裝脫硫塔的班輪航速與配船情況相比，對(duì)使用燃油轉(zhuǎn)換的大型集裝箱船來(lái)說(shuō)，無(wú)論航線上排放控制區(qū)占比多少，更愿意通過(guò)調(diào)整配船來(lái)降低成本；對(duì)于使用燃油轉(zhuǎn)換的小型集裝箱來(lái)說(shuō)，當(dāng)航線上排放控制區(qū)占比較小時(shí)，它選擇調(diào)整配船來(lái)降低成本，當(dāng)航線上排放控制區(qū)占比較大時(shí)，它選擇調(diào)整航速來(lái)降低成本；使用LNG動(dòng)力船舶與加裝脫硫塔的船舶配船和航速相同。

表8 目標(biāo)函數(shù)連續(xù)時(shí)優(yōu)化結(jié)果

表9 配船數(shù)量取整后優(yōu)化結(jié)果

4.3 敏感性分析

由于燃油價(jià)格是波動(dòng)的，而且上述的優(yōu)化結(jié)果是：對(duì)于四條航線上的班輪來(lái)說(shuō)使用減排措施一更優(yōu)。所以本文將減排措施一對(duì)應(yīng)的重硫油價(jià)格設(shè)為固定值，并不斷調(diào)整它與低硫油、輕柴油、液化天然氣的價(jià)差，價(jià)差調(diào)整后對(duì)應(yīng)的成本結(jié)果如表10，可見(jiàn)隨著燃油價(jià)差的降低減排措施二、三的成本不斷降低，當(dāng)燃油價(jià)差的降低幅度為45%時(shí)，對(duì)于四條航線上的班輪來(lái)說(shuō)選擇減排措施二更經(jīng)濟(jì)。如表11，當(dāng)液化天然氣的價(jià)格是重硫油價(jià)格的78%時(shí)，選用LNG動(dòng)力船比加裝脫硫塔更有優(yōu)勢(shì)。

表10 降低燃油價(jià)差得到的成本結(jié)果

表11 LNG價(jià)格調(diào)整對(duì)應(yīng)的成本結(jié)果

5 結(jié)論

在班輪減排措施選用以及經(jīng)濟(jì)性的研究過(guò)程中，本文通過(guò)實(shí)例分析得出3月份油價(jià)情況下四條航線上各班輪運(yùn)輸可選擇最經(jīng)濟(jì)的減排措施即為安裝脫硫塔，次優(yōu)的選擇是燃油轉(zhuǎn)換措施，最不經(jīng)濟(jì)的減排措施是使用LNG動(dòng)力船舶。

當(dāng)然，由于燃油價(jià)格的波動(dòng)沒(méi)有規(guī)律，船公司不可能根據(jù)某月的燃油價(jià)格數(shù)據(jù)就做出減排措施的選擇，所以，探討成本對(duì)油價(jià)的敏感度是有必要的，進(jìn)而幫助船公司在盡可能符合燃油價(jià)格波動(dòng)預(yù)期的情況下做出更加經(jīng)濟(jì)的選擇。當(dāng)然，未來(lái)LNG作為清潔的替代能源是一大趨勢(shì)，而且隨著船舶建造技術(shù)的發(fā)展以及規(guī)模效應(yīng)的凸顯，LNG動(dòng)力船舶的成本會(huì)降低，這也是接下來(lái)的研究方向。