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LNG燃料船的可行性和商业考虑
1.绪论
学术界和商业界，对于液化天然气（LNG）作为船用燃料可行性的兴趣持续增加，特别是当传统船用燃料价格飙升，运费下降以及LNG区域价格降低。图1清晰地表述了这一点。从2004-2008年繁荣时期的市场指数，如克拉克海和波罗的海干散货指数（BDI）飙升，传统燃料价格（鹿特丹的HFO380cSt价格被指示性地考虑）处于较低水平，可以看出液化天然气作为船舶燃料在当时并不被考虑。相比之下，2008年底的货运市场经济衰退（BDI下降了近90％），以及燃油价格的上涨，使得常规船舶燃料缺货，液化天然气燃料成为了一个考虑因素。然而，尽管2015年传统燃料价格大幅下降，但由于监管要求上的严格，涉及商业可行性的替代燃料的技术解决方案仍然具有吸引力。
图1市场指数和传统燃料价格的演变。
除了价格之外，人们对液化天然气作为船用燃料越来越感兴趣的主要原因在于，监管方面的新方案的重点是减少船舶的空气污染，而这取决于低排放燃料的使用。早在1997年，就考虑了使用LNG作为船用燃料的环境问题（详见Cockett，1997）。从那时起，在学术领域进行了大量有关空气排放的研究-例如Miola和Ciuffo（2011年）；Miola等人（2011年）和Buhaug等人（2009年）;Faber等人（2009年）在空气排放法规领域，进行了与替代燃料相关的进一步研究以及出版了一系列刊物。Corbett等人(2007年)的工作总结了船舶排放的负面影响，提出了许多政策方面的倡议。自20世纪70年代初以来，液化天然气作为船用燃料，已应用于蒸汽轮机和双燃料柴油发动机-即液化天然气储存在船上的低温储罐中，但由于储罐容积恒定且保温效果也不是非常好，所以周围的热量会产生沸腾的LNG蒸汽（排气），这些蒸汽可以被推进系统使用。然而，这还不足以使得船东有广泛的投资兴趣。
对于船东来说，对液化天然气燃料船舶的担忧主要体现在以下几个方面:
（1）改造的成本
（2）船舶操纵上的变化
（3）对运营的影响
与安全、保障和职业危害相关的监管问题并未得到解决(见国际海事组织，2014)，这些问题要么被作为逃避投资的借口，要么仍然被潜在的投资者和运营商掩盖着。除此之外，使用液化天然气作为船用燃料并未解决各种操作场景和环境的所有问题，液化天然气也不是解决空气排放问题的最佳办法，特别是如果相关规定对甲烷的限制减少而对增加排放监管严格，液化天然气燃料船舶并不能解决这个问题（IPCC，2007;Corbett等，2014;Brynolf等，2014）。因此，全面了解LNG燃料船的风险和限制是必要的。
尽管液化天然气燃料对船东的运营成本具有很大的影响，但学术界尚未广泛讨论液化天然气作为船舶燃料的问题（Stopford，2009，见表6.1，第224页）。可以看出，除了Menachof和Dicer(2001)、Alizadeh等人(2004)、schina和Stefanakos(2013)、Stefanakos和schina(2014)、Stefanakos和schina(2015)等人的研究外，关于套期保值和价格预测的论文相对较少。本文以这些研究为基础，考察了与常规船用燃料-即重质燃料油（HFO），船用柴油（MDO）和船用瓦斯油（MGO）相比LNG作为船用燃料的价格优势。
使用液化天然气作为船用燃料引起了研究人员的兴趣，这主要是由于国际海事组织（IMO）在“国际防止船舶造成污染公约”（MARPOL）附件VI中规定的硫含量限制。附件VI规定了，船舶排放的温室气体(GHG)和非温室气体(nGHG)的限值，并对船舶在公海和排放控制区(ECAs)的限值作了区别。相关的学术出版物，表明液化天然气作为船用燃料的潜力很大（Ma等，2012;Yang等，2012;Burel等，2013;Holmgren等，2014;Thomson等，2015）。为了进一步探讨该法规的影响，Schina和Stefa-nakos(2012)提出了一个模型，该模型估计了ECA运营对资产生命周期成本的影响。Brynolf等人(2014)认为，液化天然气是一种选择，但他们强调了甲烷泄露的负面影响，并建议采取监管行动。Fagerholt等人(2015)提出了一个优化模型，该模型最小化了ECAs的成本，同时也指出了在转换燃料时二氧化碳排放增加可能带来的负面影响。在他们的研究中，液化天然气不作为一个考虑的选项。然而，Psaraftis（2016）编辑的书中用数据提出了下推，弹出的现象。这些近期的工作是基于Psaraftis和Kontovas(2010,2013,2014)的相关研究，解决了给定环境约束下的路由问题。关于慢速运行的相关工作——如Corbett等人(2009);Wang和Meng(2012)，以及Doudnikoff和Lacoste(2014)——进一步探讨了慢速运行的好处，以及在新的硫含量限制下，可供运营商选择的选项。最后，考虑到可能的ECA扩展-例如Schinas和Bani（2012）和Chang等人（2014）-突出了社会效益和问题的不同方面，而Panagakos等人（2014）的工作表明了模态转变的可能,增加了相关的外部性。
与商业问题相比，液化天然气作为海洋燃料对就业(租船和调度)和作业(加燃料设施、发动机性能和可靠性等)的影响，在文献中得到了广泛的讨论。下面的工作是为了显示相关分析的广度和深度：Burel等人(2013)分析了海上交通，并确定了更有可能转向低排放燃料的船舶类型和行业。Chang等人(2008)提供了推进系统的可靠性分析，Liva-nos等人(2014)提供了推进装置的技术分析和成本的生命周期分析。从技术角度来看，许多问题都得到了解决。
简而言之，由于以下事实和风险，大多数运营商不愿意改用LNG或更昂贵的传统船用燃料来减少排放量（例如MDO和MGO），并且不愿意改变运营模式和现有技术：
（1）没有市场趋势或承诺表明，减少排放的船舶将吸引更多货物或能够比竞争对手收取更高的运费以增加收入。因此，成本要素的任何增加都会导致利润率的下降（Psaraftis和Kontovas，2010）。
（2）MGO和液化天然气等燃料的全球可利用率存在风险。存在许多与液化天然气燃料补给设施的可用性的有关问题，特别是与使用液化天然气燃料船有关的地理和航线限制(即船只只能服务于特定的市场和航线)。
（3）目前，液化天然气燃料船没有售后市场。
（4）监管方面涉及不确定性，不仅涉及当前限制排放污染物的未来限制量，还涉及尚未限制的已知污染物的可能限制，LNG燃料船舶可能会或可能不会涉及到这些限制。
上述有效性及其管理操作方面的影响将在下一节中论述。
为了评估液化天然气燃料船舶的商业可行性，并提出一种评估促进液化天然气作为船用燃料所需的商业诱因，现考虑以下分析步骤：
第2节简要介绍了支持使用液化天然气作为船用燃料的国际监管框架和区域举措，以及与船舶大气排放相关的重要研究、学术成果和论据。
第3节着重分析了作为海洋能源的液化天然气价格。尽管广泛认为燃料价格是投资和技术选择的决定因素，但在文献中并没有这样的分析（schina和Stefanakos,2014)。
第4节，特别是第4.1节着重讨论了监管问题，确定了液化天然气燃料船相对于常规燃料船的竞争力的商业和操作属性，并得出与成本要素相关的条件，以评估液化天然气作为替代船用燃料的竞争力。这种关系可用于评估相关政策措施，以补贴费用折扣，鼓励使用替代技术并估计其市场影响。第4.2节论述了提高液化天然气作为海洋燃料的市场接受度的其余挑战和考虑因素，并评价了作为加速减少空气排放外部性手段的地方倡议的前景。
第5节重申了关键问题---监管框架（第2节），以及第3节和第4节的调查结果。
2.监管框架
除液化天然气运输船之外，引入液化天然气燃料船舶的理由源于减少温室气体排放的空气排放法规的出现，如二氧化碳（CO2）和nGHGs，如硫氧化物（SOx）和氮氧化物（NOx）。从早期阶段开始，显而易见的是，没有必要采用单一技术来减少温室气体和氮氧化物排放，因为减少氮氧化物燃料等技术的措施也会导致燃料消耗增加，从而增加二氧化碳排放（参见，例如Psaraftis，2016;Fagerholt等，2015）。考虑到整体技术解决方案的必要性，降低排放特性的液化天然气发动机技术已经具有了发展势头，并吸引了制造商、决策者和运营商的兴趣。然而，LNG的使用并不是减少排放的唯一选择，因此，LNG不一定必须作为船用燃料。也可以使用洗涤器和燃料转换，实际上一直到2020-2025在大多数地区都可以使用HFO。脱硫HFO-即含硫量小于0.5％-也是一种选择。使用LNG作为船用燃料的积极影响意味着，在所有操作过程中都可以实现对甲烷泄漏的严格控制。作为温室气体，甲烷被认为比二氧化碳更有害，因为甲烷会在大气中保存更多的热能（Myhre等，2013）。而且，甲烷从大气中消散的速度也比二氧化碳快。对于以液化天然气作为燃料的船舶，甲烷在发动机停止后由于不完全燃烧或从管道排出而逃逸出推进系统，特别是在奥托循环发动机中。通常，通过将LNG直接注入汽缸以更好地控制燃烧气体混合物，或通过使用所谓的稀薄燃烧来避免不完全燃烧，这其中添加了显著过剩的空气；任何未及时燃烧的甲烷都可能会在通往排气阀的途中与多余的空气发生反应。在处理废气时，也可以采用与Smith等人相似的洗涤方式（2014）。深入研究在船舶推进系统中使用甲烷的潜在问题，对于有效减少船舶产生的温室气体至关重要；然而，只要国际海事组织坚持以个别船舶为重点的排放标准，液化天然气燃料的推进装置就还是满足这些要求的一种方式。
有关nGHG和附件VI的相关问题，包括ECA，以及欧盟指令2012/33/EC和2005/33/EC以及加州航空资源修订的硫指令1999/32/EC董事会（CARB）规则将不再进一步分析。有许多文本和资源可以参考（参见例如欧洲委员会，2011年，1999年，2005年;2012b，欧洲委员会，2013年;Schinas，2013;DNV-GL，2014年;Schinas，2015年;Psaraftis，2016），图2和图3仅是为了提醒读者已确定的限制和实施日期。
图2 基于额定发动机速度的NOx还原目标示意图
图3 MARPOL附则VI和欧洲硫排放规则限制
尽管监管势头强劲，但液化天然气定价、液化天然气燃料的可用性(加注设施)，以及所需的高额额外投资相关的商业和金融不确定性，仍然是阻碍液化天然气作为船用燃料的最主要障碍。根据目前的市场情况，唯一可能采用液化天然气作为燃料的船舶是固定航线（集装箱船，滚装船）和从事区域贸易的相对较大的船舶，特别是在ECA（Burel等，2013;Acciaro，2014年）。尽管如此，将于2020年或2025年生效的全球硫排放上限，以及欧盟在2020年对欧盟水域实施的硫排放上限，正在强化液化天然气作为海洋燃料的地位。预计当这些法规生效时，较大的远洋船舶（散货船和油轮）将把LNG视为合规选择（DNV-GL，2014）。考虑到图2和图3目前的监管限制，运营商实际上有三种合规选择，分别是:
- 燃油开关：船东可以安装双燃料系统，允许船舶在ECA以外运行时使用高硫重质燃料油（HS-HFO）和低硫重质燃料油（LS-HFO），在ECA内运行时使用MDO或MGO。该解决方案符合SOx规则14;然而，它也增加了操作风险，特别是对于经常进入或在ECA内运行的船舶。此外，必须使用SCR，EGR或相关技术来减少NOx（参见例如Brynolf等人，2014;Burel等人，2013）。
- 附加技术：船东可以安装废气清洁系统（EGCS），使废气脱硫。此方案意味着可以在所有情况下使用HS-HFO。与前一个方案一样，也必须安装相关的NOx减排设施。
- 液化天然气燃料:运营商可以使用液化天然气作为海洋燃料。液化天然气可以大幅降低SOx和NOx排放，使运营商能够遵守现有和拟议的监管限制。
HS-HFO和LS-HFO之间的燃料价格与附加技术或初始投资时间之间的差异决定了以上选项的吸引力，这些在文献中有详细讨论（Schinas和Stefanakos，2013,2014）。出于本文的目的，认为没有必要在这些领域进行进一步的分析。然而，正如文献中所强调的那样，温室气体的问题，特别是从LNG燃料船舶排放的二氧化碳吸引了研究人员和市场的兴趣（由Burel等人，2013；Brynolf等人，2014指出），由政策制定者（例如欧洲委员会，2012）推动，并由专家（如DNV-GL，2014和Semolinos等人，2011）提出。在不久的将来，甲烷（CH4），氨（NH3）和颗粒物（PM2.5）排放问题预计将引起政策制定者和监管机构的关注，如欧洲议会（2015a，2015b）。因此，影响船上能源需求技术选择的决策也应考虑这些污染物的附带条件，作为主动运营规划举措的一部分。
图4 基于现有和建议需求的EEDI参考线
减少二氧化碳与群众的消费相关，而二氧化碳是目前引起监管机构关注的温室气体污染物。“防污染公约”附则VI第4章，特别是第19,20和21条，以及2014年第MEPC.245（66）号决议，为实施能源效率设计指数（EEDI）提供了必要的指导。EEDI背后的理念是根据每单位运输(吨/英里)的二氧化碳排放量(g)提供能源效率的测量(或指示)。同样清楚的是，根据国际分类，CF是燃料消耗和二氧化碳排放之间的无量纲转换因子（参见决议第2.1段），范围从3.114到3.206，具体取决于传统燃料的等级。相对而言，液化天然气的CF值为2.75，即还原电位约为14%。图4清楚地描述了EEDI背后的概念。每一艘新的或现有的船舶，根据第19条的条件，并根据第MEPC.245(66)号决议所规定的公式和第21条规则所规定的水平，计算EEDI的测量值
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