A multi-period fleet retrofit and renewal problem for strategic green corridor planning and emission control in maritime shipping

Abstract

I denne masteroppgaven har vi utviklet en flerperiodisk modell for oppgradering og fornyelse av den maritime flåten. Målet med modellen er å gi verdifull innsikt i strategisk planlegging av grønne korridorer og generelle tiltak for å redusere utslipp i maritim sektor. Vi har gjennomført en studie av ulike strategier for utslippsreduksjon, karbonskatt og utvikling av alternative drivstoffkilder, samt en casestudie av jernmalmhandelen mellom Australia og Japan. I denne rapporten har vi konkludert med at valg av tiltak for utslippsreduksjon er uavhengig av strategien, mens timingen for investeringene avhenger av valgt strategi.

Når karbonskatten overstiger de ekstra kostnadene forbundet med alternative drivstoffkilder, blir karbonskatten den drivende parameteren for avkarboniserings raten. Som en følge av dette blir utslippsreduksjonsstrategien ikke bindende for den optimale løsningen. Videre har vi identifisert flere optimale satser for karbonskatt basert på gitte priser for alternative drivstoff og reduksjonsstrategier. Hvor optimale satser refererer til diskre punkter som oppnår høyest reduksjon uten å pålegge skipseiere kostnader som ikke direkte bidrar til økt avkarbonisering.

Ved hjelp av AIS-analyse ble det identifisert 96 unike bulkskip som bidro med tonnasje i jernmalmhandelen mellom Australia og Japan i 2018. Totalt ble det transportert 69 millioner tonn jernmalm over de omtrent 3500 nautiske milene mellom Vest-Australia og Japan, noe som resulterte i årlige utslipp på 1,77 millioner tonn karbondioksid. Ved å anvende modellen på denne casen, blir det foreslått å oppgradere 21 skip med ammoniakkbaserte kraftsystemer og bestille tre nybygg som også bruker ammoniakk som drivstoff. I løpet av den 25 år lange planleggingsperioden indikerer den foreslåtte løsningen at en grønn korridor vil bli etablert rundt 2037, etter en 13-års periode med fornyelse av flåten, med hensyn til angitte karbonskatter og priser på alternative drivstoffkilder. Ved å følge denne planen kan det totalt oppnås en reduksjon på rundt 30 millioner tonn karbondioksid i jernmalmhandelen frem til 2050.

In this master's thesis we develop a multi-period maritime fleet retrofit and renewal model for strategic green corridor planning and general emission reduction purposes. A parametric study on different emission reduction strategies, carbon tax and green premium developments has been performed as well as a case study on the iron ore trade between Australia and Japan. During our research we have identified that the abatement options selected are independent of emission reduction strategy when the final emission target is shared, while the timing of these investments are dependent on strategy.

However, when carbon tax rates surpass the additional cost associated with alternative fuel sources (referred to as green premium), the decarbonization rate becomes primarily influenced by the carbon tax. Consequently, making the emission reduction strategy non-binding for the optimal solution. In addition, we have highlighted optimal carbon tax rates based on a given green premium and emission reduction strategy, where optimal is referred to as the most proactive rates for accelerating the decarbonization without imposing excessive costs for shipowners. Furthermore, the rate of decarbonization is closely correlated with carbon tax rates, indicating that this instrument is effective in decarbonizing shipping.

Using AIS-analysis, 96 unique bulk carriers were identified having contributed with tonnage on the Australia to Japan iron ore trade in 2018. A total of 69 million tons of iron ore was transported the roughly 3500 nautical miles between western Australia and Japan emitting 1.77 million tons of carbon dioxide per annum. Applying the model to the case, suggest retrofitting 21 vessels with ammonia power systems and the ordering of three ammonia powered newbuilds. Over the 25 year planning period, the proposed solution projects that a green corridor will be established around 2037 after a 13 year period of fleet renewal considering a given carbon tax and fuel only green premium scenario. By following the plan, 30 million tons of carbon dioxide can be removed until 2050 in the iron ore trade.