Strategic Fleet Renewal of Norwegian Fisheries with Environmental Considerations

Abstract

Norge har under Parisavtalen forpliktet seg til å redusere utslippene av klimagasser med minst 55% innen 2030 sammenliknet med utslippsnivået i 1990. I tillegg har Norge et lovfestet mål om å bli et lavutslippssamfunn innen 2050 hvilket innebærer en utslippsreduksjon på 90-95% sammenliknet med utslippsnivået i 1990. Norsk industri, inkludert fiskerinæringen, står derfor overfor økende press for å redusere sin klimapåvirkning. Som en betydelig bidragsyter til norges totale utslipp, spiller norsk fiskeri en viktig rolle i å oppnå nasjonale klimamål. For å møte disse utfordringene er det nødvendig med en omfattende innsats for å implementere lav- og nullutslippsløsninger i den norske fiskeflåten. ZeroKyst er et pågående prosjekt som ønsker å bidra mot 50% utslippskutt fra fiskeri- og havbruksfartøy innen 2030. Dette gjøres blant annet gjennom utviklingen av en hybrid nullutslipps drivlinje og -fartøy, bestående av batteri og brenselcelleteknologi.

I denne masteroppgaven formulerer vi og løser et matematisk optimeringsproblem for strategisk fornyelse av den norske fiskeflåten for å kunne gi beslutningsstøtte til sentrale beslutningstakere. Vi definerer det deterministiske Fornyelsesproblemet for Fiskeflåten med Utslippsrestriksjoner (FFRPEC), som hensyntar mål for utslippsreduksjon i perioden 2023-2050. Objektivet er å minimere den diskonterte totale kostnadene knyttet til fornyelsen og drift av den norske fiskeflåten. Ved å løse modellen oppnår vi en detaljert plan som angir tidspunktet for utskifting av et bestemt antall fartøy med et spesifikt fremdriftssystem innenfor en sub-flåte, samt hvilket fremdriftssystem som skal benyttes som erstatning.

Parameterverdiene som benyttes i modellen er beregnet ved hjelp av data vedrørende den eksisterende fiskeflåten og kostnadsinformasjon knyttet til fremdriftssystemkomponenter og tilhørende energilagring, som forbrenningsmotorer, batterier og brenselceller. Vi gjennomfører en omfattende scenarioanalyse av usikre parametere som prisene på marin gassolje (MGO), batterikraft, hydrogen og ammoniakk, prisbaner for CO2-avgift, kostnader av nevnte fremdriftssystemkomponenter, samt verftskapasitet. Analysen tar sikte på å identifisere den potensielle effekten de relevante parametrene har på den resulterende flåtefornyelsesplanen.

Vi fremhever tre nøkkelfunn fra vår analyse: (1) Bruk av nullutslipps fremdriftssystemer er økonomisk ugunstig (2) Å straffe bruken av konvensjonelt drivstoff incentiverer tidligere fornyelse av flåten (3) Fornyelsen av havfiskeflåten bør initieres umiddelbart for å oppnå utslippsreduksjonsmål på en kostnadseffektiv måte

Under the Paris Agreement Norway has committed to reducing \acrfull{ghg} by at least 55% by 2030 compared to 1990 levels. Additionally, Norway has a legally binding goal to become a low-emission society by 2050, aiming for a 90-95% reduction in emissions compared to 1990 levels. Norwegian industries, including the fisheries sector, face increasing pressure to reduce their climate impact. As a significant contributor to Norway's total CO2 emissions, Norwegian fisheries play a crucial role in achieving national climate goals. To meet these challenges, a comprehensive effort is needed to implement low- and zero-emission solutions in the Norwegian fishing fleet. ZeroKyst is a project that aims to contribute to a 50% emissions reduction from fishing and aquaculture vessels by 2030. This is accomplished through the development of a hybrid zero-emission powertrain and vessel that incorporates battery and fuel cell technology.

For this master's thesis, we formulate and solve a mathematical optimization problem for the strategic renewal of the Norwegian fishing fleet in order to provide decision support to decision-makers. We formulate the deterministic Fishing Fleet Renewal Problem with Emission Constraints (FFRPEC), which takes into account emission reduction targets for the period 2023-2050. The objective is to minimize the discounted total costs associated with fleet renewal and operation of the Norwegian fishing fleet. From solving the model, we obtain a detailed schedule specifying the timing of replacing a certain number of vessels with a specific propulsion system within a sub-fleet, as well as the propulsion system to be used as a replacement.

The parameter values used in the model are calculated using data regarding the existing fishing fleet and cost information associated with propulsion system components and associated energy storage, such as combustion engines, batteries and fuel cells. We conduct an extensive scenario analysis on uncertain parameters such as the fuel prices of \acrfull{mgo}, battery power, hydrogen and ammonia, CO2 tax price-trajectories, costs of the mentioned propulsion system components, as well as shipyard capacities. The analysis aims to identify the potential impact of the relevant parameters on the resulting fleet renewal schedule.

We highlight three key findings from our analysis: (1) Zero-emission propulsion is economically unfavourable (2) Penalizing the use of conventional fuel incentivizes earlier renewal of the fleet (3) Immediate action must be taken to initiate the renewal of the ocean-going fishing fleet to achieve emission reduction targets in a cost-effective manner