Optimal maritime fleet composition under future greenhouse gas emissions restrictions and uncertain fuel prices

Abstract

Shippingindustrien er en stor bidragsyter til globale klimagassutslipp. En viktig faktor for industrien sine store utslipp er dens avhengighet av tung fyringsolje med høyt karboninnhold. For å redusere utslippene, bør dermed bruken av alternative drivstoff vurderes. Følgelig inneholder denne masteroppgaven en analyse av hvordan skipsredere kan endre sammensetningen av flåtene sine for å tilfredsstille fremtidige krav til reduserte klimagassutslipp, samtidig som de minimerer totale kostnader knyttet til drift og endringer av flåtene.

Oppgaven inneholder analyser for både eksisterende rederier som trenger å endre flåtesammensetningen sin for å redusere utslipp, samt de rederiene som nylig har startet opp og som har behov for å investere i en flåte med nye skip for å bli operative. Dermed tar de matematiske modellene hensyn til beslutninger som ettermontering av skipenes fremdriftssystemer, anskaffelse av nye skip og skroting av gamle skip som har nådd sine levetidspotensial. En ettermontering av fremdriftssystemene er nødvendig når et skip skal kjøre på et alternativt drivstoff som ikke er kompatibelt med skipets eksisterende fremdriftssystem. De viktigste kostnadsdriverne til rederiene er drivstoffkostnader og investeringer i nye skip.

For å håndtere usikkerheten knyttet til fremtidige drivstoffpriser, er det i denne oppgaven foreslått tre to-trinns stokastiske matematiske modeller av typen blandet heltallsprogrammering for å bistå skipsredere med å minimere kostnadene sine. Den ene modellen er laget for å foreslå optimal investering i en ny flåte med mulighet for å ettermontere skipene i fremtiden. De to andre modellene er anvendbare for skipsredere som trenger å modifisere sine eksisterende flåter; den ene modellen tillater skroting og investering av skip, og den andre tillater kun ettermonteringer.

Resultatene fra analysen av modellen som investerer i en ny flåte i starten av planleggingshorisonten viser at metanolskip i gjennomsnitt utgjør nesten 90% av flåten når klimagassutslipp begrenses til mindre enn 50% av en tradisjonell flåtes utslipp innen 2045. Høyere karbonpriser vil imidlertid gjøre at LNG- og ammoniakkskip utgjør en større andel av flåtesammensetningen på grunn av deres evne til å bruke drivstoff som gir lavere utslipp til kun en liten kostnadsøkning. Når utslippene begrenses til mindre enn 90% av en tradisjonell flåtes utslipp innen 2045, indikerer resultatene at de fleste metanolskipene blir ettermontert til ammoniakkskip. Tilsvarende resultater vises i analysen av modellen som tillater skroting og anskaffelse av skip. Fordi resultatene støtter industriens visjon om å bruke metanol- og LNG-skip i overskuelig fremtid, virker det rimelig å bruke de som beslutningsstøtte for skipsredere.

The shipping industry is a major contributor to global greenhouse gas (GHG) emissions. An important factor for the industry's large emissions, is its reliance on heavy fuels with high carbon content. Thus, in order to reduce the emissions, the utilization of alternative fuels should be considered. Hence, this thesis analyzes how shipping companies can optimally modify their fleets to utilize alternative low- or zero-emission fuels in order to satisfy future GHG emission restrictions.

The analysis takes into account both existing shipping companies that need to modify their fleets, as well as and that need to acquire a fleet of ships in order to become operative. Thus, the fleet modification may involve decisions such as retrofitting ship power systems, acquisition of new ships and scrapping of old ships that have reached their lifetime potential. A retrofit is needed whenever a ship is desired to run on an alternative fuel that is not compatible with the ship's already existing power system. The main cost drivers of the shipowners are fuel costs and costs related to ship acquisitions.

To handle the uncertainty related to future fuel prices, the thesis proposes three two-stage stochastic mixed integer programming (MIP) models that allow shipowners to minimize costs. One model is created for optimal investment of a new fleet of ships with the option to retrofit them in the future. The other two models are applicable to shipowners that need to modify their existing fleets, where one of the models allows for the option to scrap old ships and acquire new ones, while the other model only allows retrofits.

The results from analyzing the model that initially invests in a new fleet of ships show that on average, methanol ships make up nearly 90% of the fleet when GHG emissions are restricted to be less than 50% of a traditional fleet's emissions by 2045. However, higher carbon prices make LNG and ammonia ships constitute a larger share of the fleet due to their ability to utilize fuels that give lower emissions at a slightly higher cost. When emissions are restricted to be less than 90% of a conventional fleet's emissions in 2045, the results indicate that most of the methanol ships are retrofitted to ammonia ships. Similar results are shown in the analysis of the model that allows for scrapping and acquisition of ships. Because the results support the industry's vision of using methanol and LNG ships in the foreseeable future, they seem applicable as decision support for shipowners.