Sulphur Abatement Globally in Maritime Shipping
H. Elizabeth Lindstad1, Carl Fredrik Rehn2, Gunnar S. Eskeland
1Sintef Ocean AS (MARINTEK), Trondheim, Norway
2Norwegian University of Science and Technology (NTNU), Trondheim, Norway
3Norwegian School of Economics (NHH and SNF), Bergen, Norway
ABSTRACT
In 2016, the International Maritime Organization (IMO) decided on global regulations to reduce sulphur emissions to air from maritime shipping starting 2020. The regulation implies that ships can continue to use residual fuels with a high sulphur content, such as heavy fuel oil (HFO), if they employ scrubbers to desulphurise the exhaust gases. Alternatively, they can use fuels with less than 0.5% sulphur, such as desulphurised HFO, distillates (diesel) or liquefied natural gas (LNG). The options of lighter fuels and desulphurisation entail costs, including higher energy consumption at refineries, and the present study identifies and compares compliance options as a function of ship type and operational patterns.
The results indicate distillates as an attractive option for smaller vessels, while scrubbers will be an attractive option for larger vessels. For all vessels, apart from the largest fuel consumers, residual fuels desulphurised to less than 0.5 % sulphur are also a competing abatement option. Moreover, we analyse the interaction between global SOX reductions and CO2 (and fuel consumption), and the results indicate that the higher fuel cost for distillates will motivate shippers to lower speeds, which will offset the increased CO2 emissions at the refineries. Scrubbers, in contrast, will raise speeds and CO2 emissions.
Key words: Shipping and the environment; Abatement cost and options; CO2; Marine fuels; MARPOL; IMO
- Corresponding author: Lindstad@sintef.no
INTRODUCTION
The International Maritime Organization (IMO) decided at its 70th session of the Marine Environmental Protection Committee (MEPC) in October 2016 to reduce the maximum sulphur content in the exhaust gas to air from 3.5% to 0.5% from 2020. It can be viewed as an extension – a globalization – of the regionally motivated Emissions Control Areas (ECAs) already in place, though these impose a 0.1 % sulphur cap for areas near the coasts of North America and Northern Europe (North Sea and Baltic Sea).
Large seagoing vessels currently use heavy fuel oil (HFO) with a sulphur content of up to 3.5 %, while smaller vessels use distillates with sulphur content less than 1.0 %. Heavy fuel oil, i.e. residual fuel, consists of the fractions of crude that remains in the refinery process after its extraction of lighter and more valuable fractions, such as naphtha, petrol, diesel, and jet fuel. The advantage of HFO for the ship-owners is its low price compared to distillates.
For the refineries, selling residual fuel has been an alternative to making large investments (in process equipment) to convert more of the residual fuel to distillates.
The IMO 2020 regulation implies that ships can continue to use sulphur-rich fuels by vessels using exhaust gas cleaning systems (scrubbers). The function of a scrubber on a seagoing vessel is to use seawater to wash out the sulphur in the exhaust gas. Alternatively, vessels must use fuels with less than 0.5% sulphur, such as Light Sulphur Heavy Fuel Oil (LSHFO) with less than 0.5 % S, distillate (diesel), liquefied natural gas (LNG) or methanol. The two major studies on fuel availability performed prior to the MEPC decision (Faber et al., 2016; EnSys Energy and Navigistics Consulting, 2016) agreed on the need for increasing the
desulphurisation and conversion capacity at the refineries, to ensure sufficient availability for the shipping sector by 2020.
Previous studies of the of abatement options to comply with stricter fuel emission regulations have mainly focused on existing emission control areas (ECAs) such as in North Sea and the Baltic, and potential extensions (Campling et al 2013; Johansson et al 2013; Brynolf et al., 2014; Jiang et al., 2014; ; Acciaro, 2014; Lindstad et al., 2015b). Less attention has been on the climate impact of the 2020 global sulphur cap and the stricter NOx regulations (Lindstad et al., 2015a). Fuels considered are typically HFO, LNG, diesel, biofuels and methanol. Jian et al., 2014 and Zis et al., 2015 show that scrubbers increase their competitiveness relative to low-sulphur fuels at high fuel prices. Lindstad and Eskeland (2016) show that the “HFO and scrubbers” option gives lowest cost for large vessels even with low fuel prices. LNG is an option for new-buildings, if the LNG price is equal to or lower than the HFO price, while LNG tends to be too costly for retrofitting (Acciaro, 2014; Lindstad et al., 2015b). While the above-mentioned studies have had the perspective of the shipping industry, the actors in the refining industry have focused on their challenges and opportunities (Plain et al., 2006; Concawe: 2009, 2012, 2016; Shell, 2017; Silva, 2017), such as whether to desulphurise residue to less than 0.5 % sulphur (LSHFO), convert residue to distillates, or continue production of HFO. Here, the first two options come at capital and energy cost.
Under the present ECA regulations, the cost implication for a container vessels of using diesel when it serves ports like Aarhus, Gothenburg and Hamburg on its sailings to and from Asia is marginal. In contrast, costs of switching fuel on the whole voyage to comply with the 2020 regulation will give a major cost increase. Second, with a 20 to 30 years
lifetime of vessels, only a small share of the fleet in 2020 will be vessels built after the global sulphur cap was confirmed in October 2016. Third, refineries will introduce new LSHFO fuels which will come at a lower cost
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全球海运减硫
H. Elizabeth Lindstad1, Carl Fredrik Rehn2, Gunnar S. Eskeland
1Sintef Ocean AS (MARINTEK), Trondheim, Norway
2Norwegian University of Science and Technology (NTNU), Trondheim, Norway
3Norwegian School of Economics (NHH and SNF), Bergen, Norway
摘要
在2016年，国际海事组织制定了2020年开始实行的全球法规，从而减少海上运输产生的硫排放。该法规意味着船舶只有使用气体洗涤器对废气进行脱硫处理，才能继续使用硫含量高的残渣油，例如重油（HFO）。否则他们只能使用硫含量低于0.5％的燃料，比如脱硫的重油，蒸馏油（柴油）或液化天然气（LNG）。而选择轻质燃料和脱硫的会导致更高的成本，包括炼油厂的更高能耗。而本论文确定并比较了不同船舶类型和运营模式船舶的合适选择。
最终结果表明蒸馏油是较小船舶的更好选择，而气体洗涤器更适合较大船舶。在所有船舶中，除了燃料消耗极大者外，脱硫至0.5%硫含量以下的残渣油也是一个有竞争力的选择。此外，我们分析了全球SOX减少量与CO2（包括燃料消耗）之间的相互影响，结果表明蒸馏油的更高燃料成本促使运货人降低速度，而这将抵消炼油厂CO2排放量的增加。相反，气体洗涤器将提高船速和二氧化碳排放量。
关键词：运输与环境；减排成本和选择；二氧化碳；船用燃料；MARPOL; IMO
介绍
国际海事组织（IMO）在2016年10月的海洋环境保护委员会（MEPC）第七十届会议上决定自2020年起排放到空气中的废气最大硫含量从3.5％降低至0.5％。尽管在北美和北欧沿海（北海和波罗的海）附近地区实行了0.1％的硫含量上限限制，这次法规仍可以视作对过去部分排放控制区（ECAs）进行了扩展–全球化。
现如今大型海船使用的重油（HFO）硫含量高达3.5％，而小型海船使用的蒸馏油硫含量小于1.0％。重油，即残渣油，由原油炼化提取更轻和更有价值部分（如石脑油，汽油，柴油和航空燃料）后的剩余部分组成。对于船东而言，HFO的优势是与蒸馏油相比价格低。对于炼油厂而言，出售残渣油已成为除对工艺设备进行大量投资将更多的残渣油转化为蒸馏油之外的另一种选择。
IMO2020法规意味着船舶可以通过装备废气净化系统（气体洗涤器）来继续使用高硫燃料。而远洋船上气体洗涤器的功能是利用海水冲洗掉废气中的硫。否则船舶就必须使用硫含量低于0.5％的燃料，例如硫含量低于0.5％的轻硫重质油（LSHFO），蒸馏油（柴油），液化天然气（LNG）或甲醇。在MEPC决策之前的关于燃料可用性的两项主要研究（Faber et al., 2016; EnSys Energy and Navigistics Consulting，2016）赞同提高炼油厂的脱硫和转化能力来保证2020年前航运业的燃料供应。
之前应对更严格的燃油排放法规的减排方案的研究主要集中于已存的排放控制区（ECA），如北海、波罗的海和可能的扩展区(Campling et al 2013; Johansson et al 2013; Brynolf et al., 2014; Jiang et al., 2014; ; Acciaro, 2014; Lindstad et al., 2015b)。很少有人关注2020年全球硫含量上限限制以及更严格的NOx法规对气候的影响（Lindstad et al.,2015a）,大多考虑的燃料是HFO，LNG，柴油，生物燃料和甲醇。Jian et al., 2014 和 Zis et al., 2015指出气体洗涤器与价格更高的低硫燃料相比更有竞争力。Lindstad and Eskeland (2016)则表示即使燃油价格低，“ HFO和气体洗涤器”也可为大型船舶带来最低的成本。如果LNG的价格小于等于HFO的价格，那么LNG也可以作为新船的一种选择，毕竟LNG的翻新费用往往很高(Acciaro, 2014; Lindstad et al., 2015b)。虽然上述研究对航运业的观点不同，但是炼油工业的参与者却主要关注挑战和机遇(Plain et al., 2006; Concawe: 2009, 2012, 2016; Shell, 2017; Silva, 2017)，例如是否要将残渣油的含硫量减少到0.5 %以下(LSHFO)，把残渣油转化为蒸馏油，或者继续生产HFO。而现在前两种选择需要更多的资金和能源成本。
在目前的ECA规定下，集装箱船在亚洲和奥胡斯，哥德堡和汉堡等港口间往返时，使用柴油的成本很低，相反转而全程使用符合2020年法规的燃料会大幅增加成本。第二，船舶有20至30年的使用寿命，2020年只有小部分船舶建于2016年10月确认全球含硫量上限后。第三，炼油厂将引入新的LSHFO燃料，价格将比柴油更低，因此使用LSHFO比船舶减排方案更具竞争力。由于这些原因，本研究的重点是确定最优选择，即不同船型，大小及其运行方式下的最低减排成本。第2节中对使用的模型进行了说明；第3节中介绍了减排方案；第4节中展示了燃油消耗数据估算；第5节中有分析和结果；以及最后一节中的结论。
2.模型说明
我们需要根据船舶运行，减排方案和原油价格对燃料消耗，燃料成本和排放的影响进行评估，而且我们需要将注意力集中在船舶及其使用上，参见Lindstad et al. (2011, 2015a)。此外，我们会简化估算船队的最佳选择，其中不包括排放控制区（ECA）与世界的合规燃料之间未来价格差异的影响。
A船的油耗?包括航行中使用的燃料，以及在装卸，停泊时在港口使用的燃料，如公式（1）所示：
在往返航程中海况会有所不同，这可以通过将每个航程划分为多个航段（?）来解决，航程??，速度??和功率???i取决于海况，速度v和总装载重量m。这里的总重量包括：货物，空载货物，压载物，燃料和补给品。除此之外，???是每kWh耗油量（由发动机负荷函数确定），???? 是花费在港口装载、卸载和停泊的时间，? ??? 是在港口里的平均功率。
每次往返航程每吨每英里的运输成本（所有重量单位均为公制单位，1海里= 1852米）包括燃料成本以及货船的每日资本和运营成本，如公式（2）所示：
第一项将成本转化为每吨每英里成本。 这里?是往返航程运输中货物的平均重量，D是航行距离。大型散货船和油轮通常会满载航行并在返程时空载只装压舱物，而集装箱船用另一种方式来装载更多的货物，通常既不空载也不满载。在中括号内，第一项给出了每次航行的总天数，由船舶航行的天数和在港口的天数????的函数决定。 第二项根据船舶的运营成本和财务成本以及所使用的减排技术??????????得出船舶的每日成本。最后一项由燃料消耗率F乘以燃料价格?????得出每次航行的燃料成本。
本文中研究SOx 和 CO2时，假设燃料消耗按燃料类型严格呈比例关系，允许使用气体洗涤器降低SOx排放量。
3.减排方案
2012年，远洋船舶消耗了全球炼油厂总产量的7％至8％，即在总计40亿吨中占近3亿吨(Smith et al., 2014)。过去世界上海运消耗的燃油的大约75％是重油（HFO），主要由大型船舶使用。剩下的25％的燃油被一系列不同的船舶消耗，这些船舶通常体型较小，占全球船队的75％。这些较小的船舶现在基本上都使用柴油，而这些船舶在2020年的唯一改变是使用的燃料含硫量必须小于0.5％。
本文主要研究已有的使用HFO的船舶。与新建船舶相比，用减排技术改装旧船必须要能更快回本。另外，虽然LNG船是新船的一个选择，但是由于需要改造或更换新油箱和主机，改造旧船成本往往太高(Acciaro, 2014; Lindstad et al., 2015b)。
所以本文主要研究三种减排方案：1）改造船舶气体洗涤器，从而继续使用HFO； 2）转用脱硫残渣油（LSHFO lt;0.5％S）；或3）转用柴油。
船舶气体洗涤器分为三种：开环，闭环和混合式。开环气体洗涤器将富含硫的洗涤水直接排入海洋。闭环气体洗涤器对洗涤水进行化学处理，并过滤掉颗粒，重复使用洗涤水。混合式气体洗涤器结合了两种模式，可以在海上以开环模式运行，而在港口和敏感区则以闭环模式运行。现在气体洗涤器成本大约150万美元，主机功率每高一千瓦需要额外安装成本。成本比几年前更低(Lloyd Register 2012; Campling et al., 2013; Lindstad et al., 2015b)说明技术正变得更加成熟。混合式气体洗涤器的初始成本比开环式气体洗涤器高50％，每千瓦额外安装成本与开环式相同（Lindstad and Eskeland，2016; Faber 2016;Wauml;rtsilauml;，2017）。随着气体洗涤器使用量的增加，将会有一些港口禁止使用开环模式，而这时混合式气体洗涤器就可以在闭环模式下运行。由于以上原因，我使用了混合式气体洗涤器的成本进行估算，即225万美元，再加上船舶主机功率每高一千瓦的额外安装成本7万美元。此外，使用气体洗涤器能耗比使用低硫燃料高2%。
对残渣油进行脱硫意味着成本和复杂性，类似将残渣油转化为蒸馏油的过程—这是与所有炼油厂的常用技术蒸馏油脱硫对比。壳牌公司（主要石油公司）和Concave（炼油厂协会）(Concawe, 2009, 2012; Shell, 2016, Silva 2017) 公布的数据表明转化或脱硫消耗的能量相当于10％-15％的残渣油能源含量。转化和脱硫均需要大量的资金支持。Purvin and Gertz (2009) 估计到2020年时脱硫成本约为每吨含硫量低于0.5％燃油145美元，而按2020年的价格算转化蒸馏油的成本不到0.1％只有每吨305美元。与之相比，MEPC发布的资料(MEPC 59/6/5) 估计将残渣油转化为馏出液的成本为每吨145美元。Plain et al.(2006) 和 Shell (2016, 2017)则采用了不同的方法并转化成本与油价挂钩。壳牌公司的数据表明所有能源，营运和经济成本加在一起的总转化成本约为原油价格的15％。这次研究中估算出了脱硫成本占原油成本的12.5％加上25美元每吨，这反映了长期看来成本将被转移给用户，而且成本不会随数量和生产而降低（我们将看到HFO脱硫与气体洗涤器相比并不适合年耗油量大的船舶）。
如图1所示，为了着重显示更多与设备采购有关的方面，我们展示了近几年的船用柴油，原油（布伦特混合油）和HFO的每吨石油当量（TOE）的年平均燃料价格，并展示了2006至2016年间柴油和HFO之间的差价。我们还展示了煤炭价格，以表明残渣油还是更可能用于船舶而不是发电厂--因为烧煤时每TOE价格比其他几种更低。
图1：2006至2016年间每吨石油当量（TOE）价格变化
数据来源：Bunker World; EIA –US Energy Information Administration; BP Statistical Review of World Energy (2017); 所有数字均为年平均值。
我们可以看到柴油和HFO之间的价格差异在每吨100至350美元之间，而HFO价格约为原油价格的75％。柴油和原油之间的价差为每吨100美元左右，并且炼油厂利润变化与原油价格无关。这里假设每吨柴油价格比原油价格高100美元，HFO价格为原油价格的75％。
4. 燃油消耗
远洋海船的年燃油消耗量取决于运营模式，海况和船舶特征参数（式1和2）。由于航运市场的蓬勃发展，2007年的平均航速和航行天数高于2012年(Smith et al., 2014)。这五年里，由于新建船舶数量和平均尺寸增加，按吨-英里算总载运能力提高了50％。因为体型大大、速度慢的船舶每消耗1吨燃料会产生更大的吨英里数，所以2007到2012年间的总海运燃料消耗量有所减少(Smith et al., (2014),但吨英里数增加了20％。这里使用Smith et al., (2014)发布的2012年运营模式进行低油耗估算。用设计速度的95％进行高油耗估算，并且海上航行的天数与低油耗时相同，以此让每种船舶类型的燃料消耗更符合2007年的情况(Buhaug et al 2009; Lindstad et al 2012)。表1中有每种船舶的年燃料消耗量，第一列是船舶类型和大小，即平均载重吨。然后依次是：每种类型船舶的数量；装机功率；设计速度；经济航速占设计速度的百分比；航行天数；船舶轻载燃料消耗量；船舶重载燃料消耗量。
表1：各种船舶燃料消耗范围特性表
可以看到经济航速占设计速度的百分比从大型集装箱船的59％到大型LNG船的88％之间变化。船队中所有船舶的年平均燃料消耗量轻载时为7400吨，在重载时为12400吨。
5.分析
我们现在可以根据每吨燃油的价格和每吨原油价格，年燃料消耗量的函数来研究减排方案。这里
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