Retrofitting a Deep Sea Shipping Fleet; Keeping Up With Regulatory Emissions Targets

Abstract

Denne masteroppgaven belyser en presserende global utfordring, nemlig behovet for å kutte klimagassutslipp i internasjonal skipsfart. Selv om rundt 90% av den internasjonale godstrafikken skjer via dyphavsskipsfart, er det en betydelig kilde til globale utslipp, med rundt 4% av verdens totale klimagassutslipp. Dette understreker skipsindustriens viktige rolle i overgangen til grønnere alternativer, som har resultert i økte krav om utslippsreguleringer og innføring av klimagasskatter. Den Internasjonale Maritime Organisasjonen (IMO) og Den Europeiske Union (EU) har vært betydelige pådrivere for disse endringene, og fremmet strenge tiltak og ambisiøse planer for å redusere utslipp innen skipsfart. Dette har imidlertid lagt et enormt press på skipseiere og deres drift.

En naturlig tilnærming for å håndtere denne utfordringen vil derfor være å vurdere alternative energikilder for shippingskip. Følgelig analyserer og vurderer denne oppgaven fire forskjellige drivstoffalternativer: ammoniakk, hydrogen, metanol og flytende naturgass. Disse alternativene møter imidlertid vesentlige hindringer som følge av teknisk umodenhet og underutviklet infrastruktur. Alternativene er presentert for videre forskning og for å fremheve behovet for alternative løsninger utover kun alternative drivstoff.

For å oppfylle de regulatoriske utslippsreguleringene er det behov for en transformativ tilnærming, som benytter seg av avanserte modellerings- og beslutningsteknikker. Dette vil kunne identifisere de mest energieffektiviserende alternativene for en skipsflåte. I lys av dette har oppgaven som formål å besvare følgende forskningsspørsmål: "Hvordan kan en optimeringsmodell som tar i betraktning flere energieffektive alternativer for en dypvannsflåte, og tar hensyn til total årlig utslippsreduksjon med en bestemt verdi over en gitt tidsperiode, bidra til å løse de utfordringer en skipsflåte står overfor med tanke på dekarbonisering?" Oppgaven introduserer en binær lineær optimeringsmodell for å analysere ulike retrofitalternativer, kompatible med skip i en flåte over en fastsatt tidsperiode. Modellen bruker data fra Torvald Klaveness' skipsflåte og er utformet for å veilede strategiske beslutninger om når hvilket alternativ skal installeres for hvert skip i en flåte over en bestemt tidsperiode. Modellen er fleksibel og kan vurdere flere retrofitalternativer med forskjellige verdier for flere parametere, så vel som et ubestemt antall skip av flere aldre innenfor samme flåte, over en variabel tidsperiode.

Modellen som analyserer Klaveness' flåte blir testet for tre forskjellige scenarioer, hver med fokus på et spesifikt årlig utslippsreduksjonsmål for flåten: 3%, 4% og 5%. Denne stegvise tilnærmingen gir en mer detaljert forståelse av de utfordringene og fordelene som er knyttet til hvert nivå av utslippsreduksjon, og gir et tydelig bilde av de tiltakene som kreves for å oppnå disse målene. Modellen makter imidlertid ikke å identifisere en optimal løsning med et årlig utslippsreduksjonsmål på 6%, og returnerer flåten og tidsperioden uendret. Det vil med andre ord bli nødvendig med flere energieffektive alternativer eller andre utslippsreduserende tiltak for å oppnå et høyere (årlig) utslippsnivå enn de tre test-scenarioene.

Analysen viser at implementeringen av en optimeringsmodell kan være et effektivt verktøy for å oppnå utslippsreduksjonsmålene satt av IMO. Ved å innlemme energieffektive retrofitalternativer basert på modellens anbefalinger, kan Klaveness' flåte oppnå betydelige utslippsreduksjoner, noe som fører industrien mot en mer bærekraftig fremtid. Likevel viser analysen at oppgraderinger alene trolig ikke er nok til å oppnå nullutslipp innen 2050, et mål satt av både EU og Klaveness selv. For å oppnå dette ambisiøse målet, kan det være nødvendig å innføre ytterligere tiltak, som integrering av karbonnøytrale eller null-karbon drivstoff, eller implementering av hel-elektriske fremdriftssystemer. Selv om disse alternativene har sine egne utfordringer, både fra et operativt, teknologisk og økonomisk perspektiv, understreker de den mangefasetterte tilnærmingen som kreves for å fullstendig dekarbonisere skipsindustrien.

Til slutt funger denne oppgaven som en innledende veiledning for rederier, og viser styrken ved energieffektive oppgraderinger og veiledning gjennom beslutninger tatt ved hjelp av en optimeringsmodell. Den fremhever også nødvendigheten av en mer omfattende tilnærming som inkluderer avanserte fremdriftsteknologier og renere drivstoff for å nå nullutslippsmålene. Gjennom dette arbeidet er håpet at industrien vil bli bedre forberedt på å navigere i fremtidige utfordringer, redusere sitt klimaavtrykk og innrette driften mot en mer bærekraftig fremtid.

This master's thesis revolves around an urgent global imperative: reducing greenhouse gas emissions within the international shipping industry. Even though deep sea shipping is the carrier of approximately 90% of the overall global transported goods, the shipping industry is a significant contributor to worldwide emissions, accounting for about 4% of the total greenhouse gas emissions. This considerable environmental footprint has placed the industry under the microscope, leading to an increasing call for emissions regulations and the introduction of emissions taxes. The International Maritime Organization (IMO) and the European Union (EU) have been pivotal in pushing forward these changes, putting forth stringent emission constraints and ambitious plans to decrease the shipping industry's emissions significantly, putting immense pressure on fleet owners and their operations.

A natural approach to tackling this challenge is to analyze alternative energy sources for shipping vessels. This thesis evaluates and presents four different fuel alternatives; ammonia, hydrogen, methanol, and liquid natural gas. However, these alternatives meet significant challenges for today's shipping vessels due to technical immaturity and underdeveloped infrastructure. The alternatives are presented for later research, as well as for emphasizing the need for alternative solutions beyond alternative fuel.

Addressing the regulatory demands requires a transformative approach, leveraging advanced modeling and decision-making techniques for identifying the most effective energy-efficient alternatives for a fleet of vessels. To this end, this thesis answers the research question: "How can an optimization model considering several energy-efficiency alternatives towards a deep sea shipping fleet, respecting a total annual emissions reduction by a set value over a given time horizon, contribute to solving a shipping fleet's challenges towards decarbonization?" The thesis introduces a binary linear optimization model for analyzing retrofit options compatible with vessels within a fleet over a given time horizon. The model utilizes data for the fleet of Torvald Klaveness and is designed to make strategic decisions regarding the timing and type of retrofit for each fleet vessel within a specific period. It is flexible and able to consider several retrofit alternatives with different values for multiple parameters, as well as an undefined number of vessels through a range of ages within the same fleet, over an arbitrary time horizon.

The model analyzing Klaveness' fleet is carried out for three distinct case studies, each focusing on a specific annual fleet emissions reduction target: 3%, 4%, and 5%. This staged approach allows for a nuanced understanding of the challenges and benefits associated with each emissions reduction level, providing a clear picture of the actions necessary to meet these targets. Nevertheless, with an annual emissions reduction target equal to $6\%$, the model is unable to find a feasible solution and returns the fleet and time horizon unaltered by retrofit options. In other words, more energy-efficient retrofit options or other emissions-reducing measures would be required for the vessels if the fleet is to obtain a higher annual reduction rate than for the three cases presented.

The analysis reveals that implementing an optimization model can be a powerful tool in achieving emissions reduction goals set by the IMO. By incorporating energy-efficient retrofits based on the model's suggestions, Klaveness' fleet can realize significant emissions reductions. However, the research also underscores that retrofitting alone may not be enough to achieve net-zero emissions within 2050, a goal advocated by the EU as well as Klaveness themselves. Achieving this lofty objective may necessitate the incorporation of additional measures, such as the integration of carbon-neutral or zero-carbon fuels or the deployment of fully electric propulsion systems. While these options pose their own challenges, from an operational, technical, and economic perspective, they underscore the multi-faceted approach required to fully decarbonize the shipping industry.

In conclusion, this thesis serves as a preliminary guide for a shipping company, demonstrating the power of guiding energy-efficiency retrofit decisions through an optimization model. It also emphasizes the need for a broader approach that includes advanced propulsion technologies and cleaner fuels to meet the net-zero emissions targets. Through this work, it is hoped that the industry will find itself better equipped to navigate the challenges ahead, reducing its environmental impact and driving towards a sustainable future.