Analysis of Strategies for GHG Emission Reduction in the LNG Shipping Industry

Abstract

Marin transport er fortsatt en betydelig bidragsyter til klimagassutslipp på grunn av sin størrelse. Det anslås at 80% av volumet av global handel blir transportert på sjø. Den internasjonale sjøfartsorganisasjonen (IMO) har utviklet en innledende strategi for å redusere klimagassutslipp fra skip. Strategien tar sikte på å redusere minst 50% av de samlede årlige klimagassutslippene innen 2050.

Denne oppgaven tar sikte på å utvikle en overordnet strategi for å redusere klimagassutslipp kostnadseffektivt for Golar. Golar eier og driver marinbasert LNG midtstrøms infrastruktur. Golar har de siste årene jobbet for å få oversikt over deres miljøpåvirkning i bransjen. Dette arbeidet har ført til deres første miljø-, sosial- og styringsrapport (ESG), publisert i første halvår av 2020. Deres LNG-carriere ga i 2019 ut rundt 1 million tonn CO2, og flertallet av CO2-utslippene skyldes drivstofforbruk.

Oppgaven analyserer hvordan forskjellige nedtrappingshandlinger og scenarier kan påvirke strategien i et langsiktig perspektiv. Den valgte tilnærmingen er å lage en beslutningsmodell som skal strukturere problemet og gi en bedre forståelse av dynamikken i en strategi som denne. Oppgaven er begrenset til å se på klimagass og CO2-utslipp på grunn av noen forskrifter for NOx og SOx. Videre er det bare Golar’s seilende skip, LNG-carriere som vurderes.

Tre målformuleringer, med forskjellig ambisjonsnivå, er utviklet. Det laveste nivået tilsvarer dagens krav fra IMO, mellomnivået går utover å overholde kravene, mens det høyeste nivået har enda strengere krav.

Beslutningsmodellen er en deterministisk optimeringsmodell der objektivfunksjonen er å minimere de totale kostnadene for å implementere et sett med reduksjonstiltak. Tidsperioder og fartøygrupper er også sett som påvirker optimeringsmodellen. Tidsperspektivet følger den samme tidslinjen som IMOs GHG-studie, der tidshorisonten er mot 2050. Perioden mot 2050 er delt inn i tidsperioder på fem år, der periode 0 tilsvarer 2025 og periode 6 er 2050. Modellen bruker tre fartøy grupper for å undersøke hvordan valg av tiltak påvirker fartøytypene. Tre fartøygrupper basert på motortype og alder brukes i modellen. Den første gruppen er skipene med en steam-motor. Disse vil være ute av drift og modellen i 2035, på grunn av en antagelse om en levetid på 30 år. Dieselmotoren med dual-dual diesel-electric (DFDE) holder seg i drift gjennom alle periodene. En tredje fartøygruppe, nybygg, erstatter skipene med steam-motor fra 2035 og inngår i operasjonen fra 2040.

Et startsett ble utviklet og inneholder de mest lovende reduseringstiltakene, med de tilhørende reduksjonseffektene og en kort beskrivelse av hvert tiltak. Dette settet blir brukt input i beslutningsmodellen. De valgte handlingene som brukes i denne oppgaven er; • Tekniske: luftsmøringssystem, hjelpesystemer, batterier (både fullelektrisk og hybrid), skrogdesign, propell boss cap fin (PBCF), re-liquefaction system • Operajonelle: energieffektiviseringstiltak, hydrogen, LNG, en hastighetsreduksjon på 2 knop og seilas optimalisering.

Seks scenarier med forskjellige krav, mål, teknologisk modenhet og reduksjonseffekt ble brukt i casestudien. Resultatene fra casestudien gav at målfunksjonen varierte fra 900 til 1300 millioner dollar for scenariene. Batteriteknologi var referansetiltaket i studien. Batterihybrid, i kombinasjon med LNG eller biodrivstoff, ble stort sett valgt. I scenariet hvor batteriteknologien ikke har modnet for havfart innen 2050, ble hydrogen valgt som primært drivstoff. Casestudien avdekket at en kombinasjon av tekniske og operasjonelle tiltak må iverksettes for å oppnå kravene fra beslutningstakerne og Golar’s interne mål. På kort sikt er skrogbelegg, luftsmøringssystemer, nye hjelpesystemer og hastighetsreduksjon å anbefale. Disse har relativt lave kostnader og de lave til middels tilhørende reduksjonseffekter nok til å oppnå de kortsiktige målene og kravene. For å oppfylle de langsiktige målene viste imidlertid resultatene tydelig at ny nullutslippsteknologi og alternative drivstoff må bli tilgjengelig.

En overordnet strategi og to alternative strategier, med forskjellige spådommer for fremtiden, ble anbefalt til Golar. Den overordnede strategien har en samlet kostnad på rundt 1000 millioner dollar og følger en reduksjonsplan som er strengere enn IMOs strategi. De to alternative strategiene har enda strengere krav. Det første alternativet har en optimistisk tilnærming når det gjelder modenhet innen batteriteknologi. Det andre alternativet har en pessimistisk vei, da forutsatt at batteriteknologien ikke ville modnes. Rederen bør være villig til å investere i teknologi og dyrere drivstoffalternativer. Slike investeringer er relatert til en reduksjon av utslipp og en del av å drive utviklingen i industrien videre. I kombinasjon med forutsett regelverk og viktigheten av karbonrisiko er det rimelig at alle nye fartøyer bestilt fra nå, skal ha som mål å ha nullutslippsløsninger. Det er likevel store usikkerhet om når teknologiene er klare for havfart. Rederen kan enten ta en sjanse på å implementere den kommende nullutslippsteknologien allerede nå eller vente og forberede skipet på den og deretter gjøre en mindre ettermontering når tiden er klar.

Det er usikkerhet rundt kostnads- og reduksjonseffekter i inputdataene for de forskjellige scenariene. Erfaringer fra bransjen, litteraturgjennomgang og spådommer for fremtiden er grunnlaget for inputdataene. Det er usikkerhet om fremtiden og den er utfordrende å forutsi ettersom utviklingen av ny teknologi skjer raskt. For at modellen og strategien skal følge utviklingen i bransjen, må inngangsdataene oppdateres når ny informasjon og kunnskap om kostnadene og løpetiden for den nye teknologien og alternative drivstoff er tilgjengelig.

Marine transportation is a significant contributor to greenhouse gas (GHG) emissions. It is estimated that 80% of the volume of global trade is carried by sea. The International Maritime Organization (IMO) has developed an initial strategy to reduce GHG emissions from ships, aiming to reduce at least 50% of the total annual GHG emissions by 2050.

This thesis aims to develop an overall strategy to reduce GHG emissions cost-effectively for Golar. Golar owns and operates marine-based LNG midstream infrastructure. Golar has the last years worked to get an overview of their environmental impact. This work has led to their first Environmental, Social and Governance (ESG) report, published in the first half of 2020. Their LNG carriers emitted about 1 million metric tons CO2 in 2019, and the majority of the CO2-emissions are due to fuel consumption.

The thesis analyses how different abatement actions and scenarios can influence the strategy in a long-term perspective. The chosen approach is to make a decision model that structures the problem and gives a better understanding of the dynamics in a strategy like this. The thesis is limited to look at GHG and CO2 emissions, due to already existing regulations for NOx and SOx. Further, are only Golar's sailing vessels, the LNG carriers, considered.

Three goal formulations, with different level of ambitions, have been developed. The lowest level equals today's requirement from the IMO. Further, will the medium level go beyond compliance with the requirements, and the highest level has even stricter requirements.

The decision model is a deterministic optimisation model where the objective function is to minimise the total costs for implementing a set of abatement actions. Time-periods and vessel groups are also sets in the optimisation model. The time perspective follows the same timeline as IMO's GHG study, where the time horizon is towards 2050. The period towards 2050 is divided into time-periods of five years, where period 0 equals 2025, period 1 is 2030 and up to period 5 which is 2050. The model uses three vessel groups to investigate how the selection of actions influence the vessel types. Three vessel groups based on engine type and age are used in the model. The first group is the vessels with a steam engine. These will be out of operation and the model in 2035, due to an assumption of a lifetime of 30 years. The dual-fuel diesel-electric (DFDE) vessel stays in operation throughout all of the periods. A third vessel group, newbuilds, replaces the steam vessels from 2035 and included in the operation from 2040. Alongside the sets, are the Golar's internal goals and requirements from the policymakers, the main parameters in the model.

A starting set was developed and contained the most promising abatement actions, associated reduction effects and a short description of each one. This set is the starting set used as input in the decision model. The opted actions used in this thesis are; - Technical: air lubrication system, auxiliary systems, batteries (both full-electric and hybrid), hull design, propeller boss cap fin (PBCF), re-liquefaction system - Operational: energy efficiency measures, hydrogen, LNG, speed reduction of 2 knots and voyage optimisation

Six scenarios with different requirements, goals, technology maturity and reduction effect were used in the case study. The results from the case study gave an objective value varying from 900 to 1300 million USD for the scenarios. Battery technology was the reference measure in the study. Battery hybrid, in combination with LNG or alternative fuels, were mostly selected. In the scenario where the battery technology has not matured for deep-sea shipping by 2050, was hydrogen as primary fuel selected. The case study revealed that a combination of technical and operational actions must be implemented to achieve the requirements from the policymakers and the internal goals. In the short-term perspective are hull coating, air lubrication systems, new auxiliary systems and speed reduction to recommend. These have a relatively low cost and the low to medium associated reduction effects are enough to achieve the short-term goals and regulations. However, to meet the long-term requirements did the results clearly show that new zero-emission technology and alternative fuels must get available.

One overall strategy and two alternative strategies, with different predictions for the future, are recommended to Golar. The main strategy has an overall cost of about 1000 million USD and follows a reduction plan with stricter regulations than IMO's strategy. The two alternative strategies have even stricter regulations. The first alternative has an optimistic approach regarding maturity in battery technology. The second alternative has a pessimistic path, assuming the battery technology would not mature at all. The shipowner should be willing to invest in technology and more expensive fuel alternatives. Such investment is partly related to a reduction of CO2-emissions and partly of driving the development in the industry further. In combination with the predicted regulations and the importance of carbon-risk is it reasonable that all new vessels ordered from now should aim to have zero-emissions solutions. There are uncertainties of when the technologies are ready for deep-sea shipping. The shipowner can either take a chance of implementing the coming zero-emission technology now or wait and prepare for it and then do a smaller retrofit when the time is ready.

There are uncertainties regarding the cost and reduction effects in the input data for the different scenarios. Experience from the industry, literature review and predictions for the future is the basis of the input data. It is uncertainty about the future and therefore challenging to predict as the development of new technology happens fast. In order for the model and strategy to follow the development in the industry must the input data be updated when new information and knowledge about the cost and maturity of the new technology and alternative fuels are available.