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考慮廢氣洗滌系統(tǒng)限制的船舶減硫方案經(jīng)濟(jì)性分析

2022-06-26 13:33朱墨黃猛

朱墨 黃猛 

摘要:在運(yùn)價(jià)和燃油價(jià)格波動(dòng)、開(kāi)式廢氣洗滌系統(tǒng)受限等行業(yè)背景下,如何針對(duì)多種情景科學(xué)地選擇經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)的減硫方案,是航運(yùn)企業(yè)面臨的現(xiàn)實(shí)經(jīng)營(yíng)問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題,本文對(duì)使用低硫燃油和采用混合式廢氣洗滌系統(tǒng)這兩類可行方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析與對(duì)比,探討能體現(xiàn)各方案經(jīng)濟(jì)性的運(yùn)營(yíng)條件。建立考慮船舶航速、油耗等因素的船舶凈現(xiàn)值模型。從典型企業(yè)采集實(shí)際數(shù)據(jù)開(kāi)展實(shí)證分析發(fā)現(xiàn),基準(zhǔn)情景下采用混合式廢氣洗滌系統(tǒng)比使用低硫燃油的經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。為了說(shuō)明主要運(yùn)營(yíng)要素對(duì)船舶整體經(jīng)濟(jì)性的影響,對(duì)船齡、航速、油價(jià)、排放控制區(qū)(emission control area, ECA)航程等要素進(jìn)行敏感性分析,得出區(qū)分兩種方案經(jīng)濟(jì)性優(yōu)劣的臨界條件。

關(guān)鍵詞:? 船舶硫排放; 減排方案; 經(jīng)濟(jì)性分析; 廢氣洗滌系統(tǒng)

中圖分類號(hào):? F553文獻(xiàn)標(biāo)志碼:? A

Economic analysis of ship sulphur reduction scheme considering

exhaust gas scrubber restriction

Abstract: Under the background of freight rate and fuel price fluctuations, as well as the limited open exhaust gas scrubber, how to choose a more economical sulphur reduction scheme scientifically for a variety of scenarios is a realistic operation problem faced by shipping enterprises. In view of this problem, this paper analyzes and compares the economy of using lowsulphur fuel oil and using the mixed exhaust gas scrubber, and discusses the operating conditions that can reflect the economy of each scheme. A ship net present value model considering the ship speed and fuel consumption is established. The empirical analysis on the actual data from typical enterprises shows that, using the mixed exhaust gas scrubber is more economical than using the lowsulphur fuel oil under the baseline scenario. In order to explain the impact of the main operating factors on the overall economy of a ship, the sensitivity analysis of the ship age, speed, oil price, and emission control area (ECA) mileage is carried out, and the critical conditions to distinguish the economic advantages and disadvantages of the two schemes are obtained.

Key words: ship sulphur emission; emission reduction scheme; economic analysis; exhaust gas scrubber

引言

船用燃油多為重質(zhì)渣油,含硫量高,燃燒后會(huì)排放出大量的硫氧化物、氮氧化物、顆粒物等污染物質(zhì),嚴(yán)重影響空氣質(zhì)量。我國(guó)作為航運(yùn)大國(guó),一直十分重視推進(jìn)航運(yùn)綠色發(fā)展和船舶節(jié)能減排,2006年就簽署了公約管控船用燃油質(zhì)量,且船舶排放控制區(qū)(emission control area, ECA)政策實(shí)施已成為降低船舶大氣污染物排放的重要手段。國(guó)際海事組織制定的全球限硫令已于2020年1月正式實(shí)施,該法令要求所有遠(yuǎn)洋船舶必須使用硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.5%的燃油,這給航運(yùn)企業(yè)帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)壓力與挑戰(zhàn)。

全球限硫令約束下,安裝廢氣洗滌系統(tǒng)、使用低硫燃油和液化天然氣(liquefied natural gas, LNG)等清潔燃料成為降低船舶硫排放的主要方案,但由于開(kāi)式廢氣洗滌系統(tǒng)排放的廢水會(huì)對(duì)海洋造成污染,部分國(guó)家已對(duì)其明確禁用。WANG等[1]認(rèn)為使用低硫燃油是減少船舶硫氧化物排放的最直接方法,但是SOLAKIVI等[2]指出低硫燃油存在供應(yīng)不確定和發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)保養(yǎng)成本高昂等問(wèn)題。VANT等[3]認(rèn)為加裝廢氣洗滌系統(tǒng)是對(duì)所有船舶都可行的方案,但LINDSTAD等[4]和PATRICKSSON等[5]認(rèn)為只有大型船舶安裝廢氣洗滌系統(tǒng)才具有經(jīng)濟(jì)性,且安裝該系統(tǒng)需要極高的初始成本。而BERGQVIST等[6]發(fā)現(xiàn)由于改裝成本高、前期投資大和供應(yīng)有限等問(wèn)題,LNG并未在船隊(duì)中廣泛使用。為了結(jié)合行業(yè)實(shí)際說(shuō)明方案選擇過(guò)程,本文基于從典型企業(yè)調(diào)研的數(shù)據(jù)進(jìn)行案例分析。研究結(jié)構(gòu)如下:首先梳理國(guó)內(nèi)外限硫法規(guī)與區(qū)域,對(duì)比分析各方案的優(yōu)劣,明確可行的船舶減硫方案;然后以船舶全壽命期凈現(xiàn)值(net present value, NPV)為目標(biāo)建立經(jīng)濟(jì)性分析模型,結(jié)合調(diào)研所得的實(shí)際數(shù)據(jù),進(jìn)行不同情景下的NPV計(jì)算;最后從船舶剩余可用年限、油價(jià)波動(dòng)、航速變化、限硫區(qū)域變化等角度,研究經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)策略的選擇。751ED905-B8B2-4E3F-89D3-75D727EA372E

1船舶硫排放限制法規(guī)與減硫方案

1.1限硫法規(guī)梳理

全球限硫令指國(guó)際海事組織規(guī)定自2020年1月起全球范圍內(nèi)航行船舶所使用的燃油硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.5%[7]。早在2015年1月1日,ECA就已經(jīng)開(kāi)始施行航行船舶所用的燃油硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.1%的規(guī)定。我國(guó)交通運(yùn)輸部規(guī)定,2019年1月1日起[8],海船在ECA應(yīng)使用硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.5%的船用燃油;2020年1月1日起,海船在內(nèi)河控制區(qū)應(yīng)使用硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.1%的船用燃油。此外,船舶可使用清潔能源、新能源、船載蓄電系統(tǒng)或尾氣后處理系統(tǒng)(廢氣洗滌系統(tǒng))等替代措施滿足船舶排放控制要求。

1.2船舶減硫方案

根據(jù)Clarkson SIN(2021)統(tǒng)計(jì),截至2020年底集裝箱船多采用低硫燃油或安裝廢氣洗滌系統(tǒng)來(lái)滿足排放要求,在全球所有集箱船中以LNG為動(dòng)力的集裝箱船僅占0.64%且集中于新船;全球約17%的集裝箱船完成了廢氣洗滌系統(tǒng)改造,其余多數(shù)船舶仍選擇使用低硫燃油方案。低硫燃油包含重質(zhì)低硫燃油(low sulphur heavy fuel oil, LSHFO)和船用輕質(zhì)柴油(如marine gas oil, MGO)。MGO硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)更低(通常低于0.1%)但油價(jià)也相對(duì)較高;LSHFO可通過(guò)混合不同含硫量的燃油獲得。

廢氣洗滌系統(tǒng),又稱脫硫塔,可以用來(lái)處理船舶燃油燃燒產(chǎn)生的硫氧化物,目前應(yīng)用于船舶的主要是濕法廢氣洗滌系統(tǒng)。濕法廢氣洗滌系統(tǒng)又包含開(kāi)式、閉式、混合式(下文簡(jiǎn)稱開(kāi)式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)和混合式系統(tǒng))等3類,其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

中國(guó)、新加坡、日本、美國(guó)、加拿大等國(guó)家由于擔(dān)心開(kāi)式系統(tǒng)排放的廢水會(huì)破壞水域生態(tài)環(huán)境,已對(duì)其明確禁用,這意味著航行在這些區(qū)域的船舶只能使用混合式系統(tǒng)中的閉式系統(tǒng)或者低硫燃油。因此,本文選擇低硫燃油及混合式系統(tǒng)兩種可行方案進(jìn)行分析。

2經(jīng)濟(jì)性分析模型構(gòu)建

以經(jīng)濟(jì)可行性分析中廣泛使用的NPV法為基礎(chǔ)[9],進(jìn)一步對(duì)燃油價(jià)格、船舶剩余可用年限、平均航速等硫排放主要影響因素進(jìn)行敏感性分析,探討區(qū)分兩類方案經(jīng)濟(jì)性優(yōu)劣的臨界條件。

2.1模型假設(shè)與參數(shù)

為求出應(yīng)用減硫方案后船舶全壽命期內(nèi)的NPV,假設(shè):(1)集裝箱船i在航線k上運(yùn)營(yíng);(2)研究期內(nèi)船舶運(yùn)行的船期固定;(3)船舶勻速航行;(4)航線上貨流保持不變且均勻發(fā)生;(5)低硫燃油或混合式系統(tǒng)都能滿足船舶剩余可用年限要求,不考慮更新。NPV模型參數(shù)見(jiàn)表2。

2.2低硫燃油方案下船舶NPV模型

(1)年度資金成本Ccaplikj。船舶使用低硫燃油方案時(shí)的資金成本包括船舶的建造成本、折舊成本、貸款利息以及船舶的低硫系統(tǒng)改造成本、油艙的清潔成本。因低硫系統(tǒng)改造費(fèi)用較低,不考慮使用銀行貸款。值得注意的是,在后續(xù)NPV計(jì)算中為避免重復(fù)計(jì)入,船舶年度資金只需計(jì)算利息成本。

(1)

(2)年度經(jīng)營(yíng)成本Coplikj。船舶經(jīng)營(yíng)成本包括維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)、船員工資伙食費(fèi)、船舶物料費(fèi)、保險(xiǎn)費(fèi)、年度檢查費(fèi)、管理費(fèi)等,以及低硫燃油系統(tǒng)的日常維護(hù)和定期維修成本。

(3)年度航次成本。船舶的航次成本包括主機(jī)燃油費(fèi)、發(fā)電機(jī)燃油費(fèi)、港口使費(fèi)和運(yùn)河費(fèi)等。主機(jī)每日燃油消耗與船舶的載貨量和航速有關(guān),同時(shí)還受主機(jī)的單位油耗率影響。船舶使用低硫燃油時(shí),主機(jī)航次燃油成本CMlik可表示為

(2)

船舶使用低硫燃油時(shí),發(fā)電機(jī)航次燃油成本CAlik可表示為

(3)年度航次數(shù)nikj為(4)使用低硫燃油方案時(shí),船舶第j年的燃油總成本COlikj為(5)由此可得出低硫燃油方案下,船舶NPV模型為(6)式中:Alij表示低硫燃油方案下i型船第j年收益;Rli為船舶期末殘值;Pi為計(jì)算期初船舶價(jià)值。

2.3混合式系統(tǒng)方案下NPV模型

(1)年度資金成本Ccapmikj。除船舶自身的資金成本外,船舶使用廢氣洗滌系統(tǒng)的資金成本包括:該系統(tǒng)造價(jià)、安裝費(fèi)、貸款利息等。因此使用混合式系統(tǒng)方案時(shí),船舶資金成本為

(7)

(2)年度經(jīng)營(yíng)成本Copmikj。除了船舶常規(guī)經(jīng)營(yíng)成本,混合式系統(tǒng)還需要日常維護(hù)和定期維修。

(3)年度航次成本CMmik。使用混合式系統(tǒng)時(shí),船舶主機(jī)航次燃油成本為? (8)相應(yīng)的船用發(fā)電機(jī)航次燃油成本(9)此外,混合式系統(tǒng)還需要使用氫氧化鈉脫硫劑,其航次成本Cmaik為(10)

則年度航次成本? ?(11)由此可得使用混合式系統(tǒng)時(shí)的船舶NPV模型:(12)

式中:Amij表示使用混合式系統(tǒng)方案下i型船第j年收益;Rmi為船舶期末殘值;Pi為計(jì)算期初船舶價(jià)值。

3實(shí)證分析

3.1基本數(shù)據(jù)搜集

通過(guò)對(duì)某船公司技術(shù)部門的調(diào)研,獲得詳細(xì)的船舶營(yíng)運(yùn)、低硫燃油轉(zhuǎn)換及混合式系統(tǒng)改造等成本資料,作為本節(jié)計(jì)算的基準(zhǔn)情景數(shù)據(jù)。選擇該公司在中國(guó)—?dú)W洲航線上營(yíng)運(yùn)的7 200 TEU的集裝箱船S(主機(jī)功率為35 600 kW)為例開(kāi)展實(shí)證研究。

3.1.1系統(tǒng)改造和維護(hù)成本

船舶使用低硫燃油前需進(jìn)行改造的項(xiàng)目有:清潔重油儲(chǔ)存柜、重油日用油柜、重油沉淀柜和溢油柜等,改造燃油管系,加裝燃油冷卻器等。具體成本數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

加裝廢氣洗滌系統(tǒng)的成本包括系統(tǒng)建造、安裝成本及船舶改造成本,上述成本主要與船舶主機(jī)功率相關(guān)。使用廢氣洗滌系統(tǒng)的成本包括運(yùn)營(yíng)固定成本和維修保養(yǎng)成本?;旌鲜较到y(tǒng)的安裝維護(hù)成本具體見(jiàn)表4。

此外,在禁用開(kāi)式系統(tǒng)的區(qū)域,混合式系統(tǒng)需啟用閉式系統(tǒng)工作,氫氧化鈉反應(yīng)劑的消耗量與燃油的消耗量和含硫量成正比。本文參考任遠(yuǎn)[12]的氫氧化鈉反應(yīng)劑的消耗系數(shù),即硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的船用燃油脫硫反應(yīng)劑的消耗系數(shù)為0.09。目前市場(chǎng)上的氫氧化鈉反應(yīng)劑的單價(jià)為300~350美元/t。751ED905-B8B2-4E3F-89D3-75D727EA372E

3.1.2航線、運(yùn)價(jià)、運(yùn)量與油價(jià)信息

船S現(xiàn)執(zhí)行中國(guó)—?dú)W洲航線的航次,依次掛靠上海港、深圳港、新加坡港、塞得港、比雷埃弗斯港和漢堡港,然后按順序回到上海港。調(diào)查得知,航線上ECA內(nèi)的港口都禁用開(kāi)式系統(tǒng),也即在這些區(qū)域只能開(kāi)啟混合式系統(tǒng)中的閉式系統(tǒng),而在ECA外都需開(kāi)啟開(kāi)式系統(tǒng)以滿足硫排放要求。另需注意的是,若船舶使用低硫燃油,則其在ECA內(nèi)必須改用MGO等含硫量更低的燃油以滿足排放控制要求。航線具體信息見(jiàn)表5。船S在港時(shí)間見(jiàn)表6。

近年來(lái)集裝箱運(yùn)價(jià)波動(dòng)極大,本文以Clarksons SIN數(shù)據(jù)庫(kù)所統(tǒng)計(jì)的2010—2020年的平均運(yùn)價(jià)為基準(zhǔn)值,即上?!?dú)W洲運(yùn)價(jià)取1 000美元/TEU。同時(shí),由于缺乏返程運(yùn)價(jià)數(shù)據(jù),經(jīng)行業(yè)調(diào)研后取返程運(yùn)價(jià)為去程運(yùn)價(jià)的50%,正向載箱量為船舶額定載箱

的80%,反向載箱量為額定載箱量的60%。本文不考慮集裝箱運(yùn)量的變動(dòng),假設(shè)運(yùn)量為確定值,正向貨運(yùn)量取值為280 000 TEU,反向貨運(yùn)量取值為210 000 TEU。

燃油價(jià)格也以Clarksons SIN數(shù)據(jù)庫(kù)所統(tǒng)計(jì)的近十年燃油均價(jià)為基準(zhǔn)值,即HSHFO價(jià)格取270美元/t,LSHFO價(jià)格取330美元/t,MGO價(jià)格取390美元/t。

3.1.3船S信息

船S的相關(guān)信息見(jiàn)表7。

船S主機(jī)、發(fā)電機(jī)在不同負(fù)荷下具有不同的單位油耗率,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。

3.2模型求解與敏感性分析

通過(guò)求解式(7)和(14),得出船S使用低硫燃油的NPV為85 048 051美元,混合式系統(tǒng)方案下的NPV為88 311 408美元,也即基礎(chǔ)航線條件下船S加裝混合式系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于使用低硫燃油的經(jīng)濟(jì)性。然而,船舶剩余可用年限、低硫燃油價(jià)格、平均航速、ECA內(nèi)航程等都是影響經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果的重要因素[13],本節(jié)針對(duì)這些因素進(jìn)行敏感性分析以探討減排方案選擇的臨界條件。

3.2.1船舶剩余可用年限

基礎(chǔ)情景下船S船齡為11 a。為考察船齡變化對(duì)方案經(jīng)濟(jì)性的影響,假設(shè)其他條件不變,計(jì)算船齡逐漸增加時(shí)船舶NPV的走勢(shì),結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知:隨著船齡增加,即船舶剩余可用年限減少,混合式系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)明顯減小;當(dāng)船齡為11.9 a,即船舶剩余可用年限為8.1 a時(shí),使用低硫燃油的經(jīng)濟(jì)性開(kāi)始優(yōu)于采用混合式系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。換言之,對(duì)于老舊船舶而言,使用低硫燃油方案的經(jīng)濟(jì)性明顯較優(yōu)。

3.2.2低硫燃油價(jià)格

由于安裝混合式系統(tǒng)后,船舶使用HSHFO就可滿足排放要求,所以低硫燃油價(jià)格變化不對(duì)此方案產(chǎn)生影響。然而,低硫燃油價(jià)格對(duì)使用低硫燃油的船舶影響較大,且這類船舶在ECA內(nèi)必須使用含硫量更低的MGO。在其他條件不變的情況下,LSHFO和MGO價(jià)格變化時(shí)的船舶NPV計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2和3。

結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)LSHFO價(jià)格超過(guò)330美元/t時(shí),MGO價(jià)格超過(guò)400美元/t時(shí),船舶使用低硫燃油方案失去經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì),此后混合式系統(tǒng)占優(yōu)。

3.2.3航速

基礎(chǔ)情景中假定船舶每年按平均速度航行,實(shí)際航行中船舶會(huì)按照運(yùn)輸需求和燃油成本微調(diào)航速,從而使得船舶的燃油消耗量發(fā)生變化。不同航速下船舶NPV計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。當(dāng)航速較低(12~13 kn)時(shí)船舶使用低硫燃油方案的NPV更高,隨著航速增加至17 kn及以上時(shí),混合式系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

3.2.4ECA內(nèi)航程

前述分析可知,應(yīng)用低硫燃油方案的船舶,在ECA內(nèi)需要使用含硫量更低、價(jià)格更高的MGO才能滿足排放控制要求,因此航程中ECA內(nèi)航程的變化也會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。本實(shí)證中所用的基礎(chǔ)航程信息如表5所示,其中ECA內(nèi)航程占總航程的7.72%;以此占比為變動(dòng)因素,可得出相應(yīng)的方案經(jīng)濟(jì)性臨界點(diǎn),如圖5所示。當(dāng)ECA內(nèi)航程占總航程比例達(dá)到10%及以上時(shí),低硫燃油方案便失去了經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

4結(jié)論

在全球限硫令約束與禁用開(kāi)式廢氣洗滌系統(tǒng)的趨勢(shì)下,選用經(jīng)濟(jì)可行的減硫方案是航運(yùn)企業(yè)急需決策的現(xiàn)實(shí)運(yùn)營(yíng)問(wèn)題。雖然已從調(diào)研得知在目前較低的燃油價(jià)格下,航運(yùn)企業(yè)大多選擇改用低硫燃油來(lái)滿足減排要求,但是隨著市場(chǎng)條件的變化,使用低硫燃油會(huì)失去經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),安裝混合式系統(tǒng)可能成為具有優(yōu)勢(shì)的策略。

結(jié)合所建立的凈現(xiàn)值(NPV)模型以及調(diào)研所得的7 200 TEU集裝箱船數(shù)據(jù),本文對(duì)船舶使用低硫燃油和混合式系統(tǒng)進(jìn)行了項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性論證,發(fā)現(xiàn)在基礎(chǔ)情景下船舶采用混合式系統(tǒng)的NPV更大,這與市場(chǎng)多數(shù)船舶所有人的選擇并不一致。為分析船齡、低硫燃油價(jià)格、航速和ECA內(nèi)航程對(duì)船舶NPV的影響,本文進(jìn)一步開(kāi)展了敏感性分析,得知在其他條件保持不變的情況下,混合式系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性占優(yōu)的臨界條件分別為:(1)船齡低于11.9 a;(2)LSHFO價(jià)格超過(guò)330美元/t;(3)MGO價(jià)格超過(guò)400美元/t;(4)船舶平均航速增加至17 kn及以上;(5)ECA內(nèi)航程占總航程的比例達(dá)到10%及以上。

雖然本文的實(shí)證結(jié)論是基于特定船舶及航線條件得出的,具有局限性,但是敏感性分析能揭示一定的趨勢(shì),為企業(yè)決策提供量化參考與啟示。同時(shí),本文所建立的NPV模型細(xì)化考慮了船舶航速和主機(jī)、發(fā)電機(jī)單位油耗率等基礎(chǔ)參數(shù),能具體反映船舶實(shí)際運(yùn)行情況,具有現(xiàn)實(shí)意義。此外,與船舶營(yíng)運(yùn)相關(guān)的許多因素(如油價(jià)、運(yùn)價(jià)等)具有不確定性,為簡(jiǎn)化計(jì)算,本文將其進(jìn)行了確定性處理,而不確定性條件下的經(jīng)濟(jì)性分析能反映更多行業(yè)情景,使企業(yè)能夠依據(jù)變化的條件作出決策,值得進(jìn)一步擴(kuò)展研究。

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(編輯賈裙平)

收稿日期: 20210527修回日期: 20210821

基金項(xiàng)目: 國(guó)家自然科學(xué)基金(72031005,71972128);國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金(18ZDA052)

作者簡(jiǎn)介: 朱墨(1984—),女,四川資陽(yáng)人,講師,博士,研究方向?yàn)榫G色航運(yùn)、航運(yùn)管理,(Email)mozhu@shmtu.edu.cn

*通信聯(lián)系人。(Email)657566634@qq.com751ED905-B8B2-4E3F-89D3-75D727EA372E