Investigation of Incentives for the Introduction of Low Carbon Fuels for Vessels Operating in the Arctic

Abstract

De siste årene har det vært stadig større fokus på marin aktivitet i nord-områdene og hvordan dette påvirker, og vil påvirke miljøet både lokalt og globalt. Isen har på kort tid trukket seg drastisk tilbake, og fjordene rundt Longyearbyen som tidligere var isdekte gjennom vinteren har de siste årene vært tilnærmet fri for is. Som en konsekvens av dette blir områdene mer tilgjengelige og flere faktorer tilsier at aktiviteten vil øke de kommende årene. Kombinasjonen av globalt bestemte klimamål, som Paris Avtalen, og nye, strengere reguleringer for utslipp fra skip, eksempelvis IMO2020, vil bransjen være nødt til å se på nye alternative løsninger for fremtiden.

Det finnes ulike tiltak for å redusere utslipp av både lokale og globale utslipp. Disse tiltakene er kategorisert i tre grupper; tekniske tiltak, operasjonelle tiltak og drivstoff- relaterte tiltak. Drivstoffrelaterte tiltak vil i denne oppgaven bli vurdert i form av bytte av drivstoff fra marin diesel (MGO) til natur gass (LNG) eller ved å bruke hydrogen eller batteri i hybride løsninger. Fordelene ved bruk av både LNG, batterier og hydrogen er knyttet til en betydelig reduksjon i utslipp av forurensende stoffer som CO2, NOx, SOx og partikler. Utfordringen med disse alternative energi kildene, er at de i ulik grad er relativt nye for bruk i skip og dette fører til høye kostander både i form av investeringskostnader, men også operasjonskostander.

I denne oppgaven er effekten av ulike avgifter på CO2 - og NOx utslipp vurdert. Ved å innføre avgifter på gitte utslipp, kan dette være med å påvirke hvilke valg redere tar angående installasjon av maskineri både i eksisterende og nye skip. En optimeringsmodell med mål om å redusere totale investering- og drivstoff kostnader, i tillegg til utslippsavgifter for typiske skip som opererer i områdene rundt Svalbard er utarbeidet. Ulike scenarier basert på avgiftsnivå er etablert for å se hvordan dette påvirker avgjørelsen om hvilket type maskineri som skal installeres; tradisjonell dieselmotor, dual-fuel motor for LNG, batterier eller brenselceller for hydrogen.

Resultatene viser at i de fleste tilfeller hvor en CO2 avgift er innført vil LNG eller LNG i kombinasjon med batterier være den beste løsningen. Denne løsningen vil ha høyere investeringskostnader enn tradisjonelt maskineri med diesel, men de variable kostnadene i form av drivstoff og avgifter vil totalt være lavere gjennom skipets levetid. Ved sammenligning av to ulike scenarier hvor avgiftsnivået fører til at det i det ene tilfellet blir valgt et rent dual-fuel maskineri, men i det andre tilfellet vil høyere CO2 avgift føre til at dual-fuel maskineri i kombinasjon med et batteri på 1 MW blir valgt. Valget knyttet til å installere en hybrid løsning gir en redusert kostnad på 6.6 millioner NOK sammenlignet med for rent LNG maskineri.

The recent years there has been an increasing focus on marine activity in northern areas and how this activity is having an impact on the environment, both locally and globally. The ice levels have decreased drastically in a short time, and the fjords around Longyearbyen, formerly covered in ice during winter, have recently been almost ice free. As a consequence of this, the areas become more accessible and several factors indicate that the activity will increase in the coming years. With background in the combination of globally defined climate goals, such as the Paris Agreement, and new, stricter regulations for ship emissions, such as IMO2020, the industry will have to consider new, alternative solutions for the future.

There are various measures available for emission reduction of both local and global emissions. These measures are categorized into three groups; technical measures, operational measures and fuel-related measures. In this task, fuel-related measures will be assessed in terms of a change of fuel from marine diesel (MGO) to natural gas (LNG) or by the use of hydrogen or batteries in hybrid solutions. The benefits of using both LNG, batteries and hydrogen are linked to significant reductions in pollutant emissions such as CO2, NOx, SOx and particulate matter. The challenge with these alternative energy sources is that they all to some extent are not utilized in a large scale for vessels which leads to high costs both in terms of investment costs but also operating costs.

In this thesis, the effect of varying taxes on CO2 - and NOx emissions are assessed. By introducing taxes on given emissions, it may affect the ship owners choices regarding the selection of machinery for both new and existing ships. An optimization model with the goal to reduce total investment- and fuel costs in addition to emission taxes for typical vessels operating in the areas around Svalbard has been formulated. Various tax based scenarios have been established to see how this affects the decision of the type of machinery to be selected; conventional diesel engine, dual fuel engine for LNG, battery or fuel cells for hydrogen.

The results show that in most cases where a CO2 tax is introduced, LNG or LNG in combination with batteries will be the optimal solution. This solution will have higher investment costs than conventional machinery, but the variable costs in terms of fuel costs and taxes will be lower throughout the vessels lifecycle. When comparing different scenarios where the tax level in the one case leads to that dual-fuel engines are selected, while in the other case increased CO2 tax leads to the selection of a hybrid solution with dual fuel in combination with batteries. The choice of installing the hybrid solution gives a reduced cost of NOK 6.6 million compared to fully dual-fuel machinery.