内支线船舶岸电系统改造策略及经济影响因素研究
宋向群++周勇++王文渊++唐国磊
摘要：绿色港口建设背景下，为促进港口节能减排，航运公司面临是否对其经营的船舶进行岸电改造的问题.选取内支线船舶为研究对象，以寿命期内船舶在泊期间用电成本净现值最小为目标，构建考虑排放约束的船舶岸电改造策略动态优化模型，采用逐年比较法求解该模型得到最优策略，并研究环境税、岸电价格对改造决策的影响.算例结果表明：船舶剩余寿命大于14a时，进行岸电改造是经济可行的，且越早实施改造越经济；船舶在泊期间的排放成本约占总用电成本的0.8%-4.0%；环境税征收标准对岸电改造决策影响较小；从经济角度看，低于1.14元/（kW·h）的岸电收费标准宜于船舶岸电系统改造的推广.研究方法及结果可为航运公司运营船舶提供决策参考.
关键词：船舶；岸电改造；排放；环境税；岸电价格
中图分类号：U653.95；F550.66
文献标志码：A
0 引言
靠港船舶使用副机燃油发电，会排出NOx，SOx等空气污染物，影响港口及所在城市的环境质量，不少发达国家或地区已要求靠港船舶使用岸电或转换低硫油，以减少空气污染物排放.瑞典哥德堡港率先于2000年开发靠港船舶使用岸电技术并应用在渡船码头上，实现94%-97%的减排.北美西海岸及欧洲至今已有十多个港口码头应用该项技术.近年来，我国也开始着力推广岸电技术.2011年交通运输部发布《建设低碳交通运输体系指导意见》等文件，鼓励新建码头和船舶配套建设靠港船舶使用岸电的设备设施，鼓励既有码头及船舶开展使用岸电技术改造.上海外高桥六期码头建成国内首套船舶岸电装置；连云港港成功对“中韩之星”船舶进行采用岸基供电的改造；深圳蛇口港集装箱码头成功进行5.0MW的船舶岸电改造；河北远洋运输与连云港港口集团联合研制“高压变频数字化船电系统”，并成功应用于“富强中国”大型散货船上，可见，我国港口靠泊船舶使用岸电已得到成功尝试，为进一步推广及扩展奠定了基础.
当前，有关靠港船舶使用岸电改造的研究多集中于改造技术方案，如：PAUL等，PETERSON等研究岸电供应系统的相关技术；NAGEL等探讨配合和实施岸电技术所需的相关船舶和岸上设备的设计，及油码头实施岸电技术的操作和安全上的问题；孙秋萍等设计辽宁营口港鲅鱼圈港区码头船舶岸电系统.也有部分学者对码头及船舶岸电改造前后的成本及排放进行估算及评价，如赫伟建等考虑船舶使用岸电后火电行业的能耗和排放，分析船舶使用岸电技术的节能减排效果. SEDDIEK等从成本效益上研究埃及Safaga港高速邮船岸电改造的实用性.ADAMO等分析Taranto港船舶靠泊及排放数据以检验使用岸电的合理性.CHANG等研究发现高雄港采用岸电系统后CO2和PM排放量分别降低57.2%和39.4%.
船用岸电改造技术及推广条件研究日益成熟，许多港口配备或预留岸电供应设施，但是，大部分船舶目前还未配备岸电系统，现有船舶配备岸电系统需调整船舶原有空间布局和投入成本，同时也会影响改造期间的正常航运业务，故航运公司面临是否对船舶进行配备岸电系统的改造以及改造时机选择的问题，本文从内支线船舶岸电系统改造投资及改造前后的用电成本角度，以剩余寿命期内船舶在泊期间用电成本净现值最小为目标，研究排放约束下的船舶岸电系统改造的最优策略，在此基础上研究环境税、岸电收费标准等因素对改造决策的影响，为有效利用资源，提高港口及船舶的社会经济效益提供参考.
1 船舶岸电系统改造模型
1.1 问题描述
船舶靠泊期间通过岸电箱、岸供电装置等设备，连接岸上电源（港口电网）以代替船载副机燃油发电，船舶接用岸电系统见图1.
内支线船舶与远洋国际航行船舶相比，航程短，在港停泊的时间相对较长，在泊期间发生的成本占总成本的比例较大（参考美国陆军工程兵团的统计，约为45%）.因此，本文重点研究内支线船舶的岸电系统改造策略问题.对役龄较大（即剩余寿命较短）的船舶，因改造初始投资巨大而船舶可营运年限短，实施改造并不经济；对新造（即剩余寿命长的）船舶，改造投资在船舶寿命期内能够得到回收，实施改造在经济效益上可取.航运企业应根据船舶剩余寿命期内的副机营运和维护成本，结合资金的时间价值及港口要求的排放限额，确定船舶是否实施改造或改造的最佳时机，
环境税及岸电使用费直接影响船用岸电改造决策.环境税已被欧美国家实践证明为一种有效的环境经济手段，我国近年来不断寻求、推进和完善因地而异的碳交易机制和排污费征收标准，将其内化到生产成本中，充分发挥价格杠杆作用以促进节能减排，国外部分港口按当地电价向航运企业收取岸电使用费，将码头岸电改造成本计人港口使用费中；也有港口结合供电成本实际情况，以高于当地电网销售电价计收，如浙江宁波港岸电收费标准为2元/（kW``h）.本文重点就环境税、岸电收费标准对船舶岸电系统改造策略的影响进行研究.
1.2 假设条件
为简化问题，假设：供船舶靠泊的码头已配备岸电系统，港口码头后方连接国家电网；船舶靠泊期间不强制使用岸电，即船舶可根据自身需要自由选择使用副机燃油发电或连接岸电；船舶岸电系统改造在年初开始，且在la内完成；船舶岸电系统改造不影响船舶使用寿命；忽略船舶岸电系统改造后因船舶燃油舱减小换取的载货量的增加；各年成本费用按年初确定的方法进行计算.
1.3 模型构建
船舶寿命期内的营运及决策均离不开资金活动，为使船舶岸电系统改造决策在不同时间点上发生的费用与效益具有时间可比性，使用资金等值概念进行资金时间价值的等值变换，以便更好地开展经济评价.图2为船舶剩余寿命期内现金流量示意，其中涉及的参数的定义详见模型参数说明部分.
从环境税征收和排放限额两个角度综合考虑船舶在泊期间的排放影响，结合资金的时间价值，以最小化船舶剩余寿命期内在泊期间的用电成本净现值为目标，构建船舶岸电系统改造策略动态优化模型如下.式（1）～（5）中：4为船舶剩余寿命期内不实施岸电系统改造对应的在泊期间用电成本净现值；B为船舶在第j年年初完成岸电系统改造对应的剩余寿命期内在泊期间用电成本净现值；N为船舶剩余寿命，即当前至船舶更新的时间，通常由航运公司根据船舶自然条件、技术要求和营运经济性综合确定；i为基准收益率；P和F分别为资金现值和终值；k为排放物序号，k=l，2，…，K，K为模型考虑的排放物总数，包括C02，N0x，SOx等；Caux，t为第t年船舶在泊期间使用副机供电对应的船舶副机年发电成本，包括燃油、营运和维护成本；Csho，t为第t年船舶在泊期间使用岸电的相关成本，包括改造后设备年维护成本，船舶接岸电期间船舶副机燃油成本和港口向船舶收取的岸电使用费；Eaux，k，t和Esho，k，t分别为第t年船舶使用副机发电和使用岸电情况下排放物k的排放量；P为对第k种排放物征收的税率；Cs，j-1为第j-l年年初对船舶岸电系统实施改造的费用，主要包括船舶接岸电所需设备的购置费用和安装费用；Ek为港口对船舶剩余寿命期内在泊期间排放物k的排放限额；当模型中求和项的下限大于上限取值时，该求和项值取0.
上述参量确定后，采用逐年比较法求解模型，即能确定船舶岸电系统改造的最优策略.
2 算例分析
2.1 模型输入
以渤海湾内支线某航运公司为例，该公司拟对旗下船舶进行岸电系统改造，船舶剩余寿命最大为20a，基准收益率为10%，不限制排放限额Ek，
根据航运公司及靠泊码头提供的数据，结合郝伟建等SEDDIEK I等和彭云等，估算船舶岸电系统改造决策模型求解所需的部分参数，见表1.
考虑C02，N0x和S02等3种主要大气排放物，其对应的排放因子见表2，参照国内部分地区的碳交易成本及《关于调整排污费征收标准等有关问题的通知》，确定各类排放物排放征收税率（见表2）.
2.2 结果分析
采用逐年比较法求解船舶岸电系统改造的最优策略及其对应的最小用电成本.
船舶剩余寿命期内在泊期间用电成本与船舶剩余寿命Ⅳ及岸电改造完成时间j有关，图3为不同剩余寿命的船舶实施岸电系统改造对应的在泊期间用电成本净现值比较.图中曲线交汇点左侧表示船舶使用副机发电较经济，右侧表示实施岸电改造较经济，从图3可知：当船舶剩余寿命大于14a时，对其实施船用岸电改造是比较经济的；船舶剩余寿命越大，按最优策略实施改造带来的经济效益越明显；在改造资金允许的条件下，越早实施船舶岸电系统改造越经济.
图4为不同环境税征收标准下船舶剩余寿命期内在泊期间用电成本净现值比较，由图4可知，环境税征收标准影响船舶岸电系统改造决策，不计环境税时对剩余寿命大于19a的船舶实施岸电改造较经济；以2倍和4倍标准征收环境税时，对剩余寿命分别大于12a和9a的船舶实施岸电改造较经济.船舶在泊期间排放成本仅占总用电成本的0.8%-4.0%，环境税征收标准对船舶在泊期间用电成本影响不大，如对剩余寿命为20a的船舶，不征收、以当前标准.2倍标准和4倍标准征收环境税时对应的总用电成本分别为824.0，830.4，836.9和849.8万元，变化幅度均小于1.5%.
图5为不同岸电收费标准下船舶剩余寿命期内在泊期间用电成本净现值比较，由图5可知，船舶剩余寿命越长，岸电价格对船舶在泊期间用电成本的影响越大，以剩余寿命为20a的船舶为例，当岸电收费由基准值1.05元/（kW·h）提高到1.14元/（kW·h）时，对应船舶剩余寿命期内在泊期间用电成本净现值由824.O万元上升至849.8万元，增幅达3.1%.当岸电收费分别为1.08和1.11元/（kW·h）时，对剩余寿命分别大于16a和18a的船舶实施岸电系统改造较经济.当岸电收费达1.14元/（kW·h）时，对不同剩余寿命的船舶，实施岸电改造均不经济.这种情况下，建议政府部门通过设立专项资金补贴及税费减免等优惠政策，鼓励航运公司实施船舶岸电系统改造以提高社会效益.
3 结束语
本文以服务于国内内支线且挂靠后方连接国家电网的码头的船舶为对象，构建考虑排放约束的、以最小化船舶剩余寿命期内在泊期间用电成本净现值为目标的船舶岸电系统改造模型，并采用逐年比较法进行求解，算例结果表明：剩余寿命大于14a的船舶实施岸电系统改造是经济的，且在资金允许条件下越早对其进行改造越经济；环境税影响船舶岸电改造决策，但因在泊期间排放成本占总用电成本的比例较小，环境税征收标准对船舶总用电成本影响不大；岸电价格对船舶在泊期间总用电成本影响较大，从经济角度看，低于1.14元/（kW·h）的收费标准有助于船舶岸电系统改造的推广，下一步研究主要从港船双方整体效益角度确定合理的岸电使用价格及政府专项补贴，
摘要：绿色港口建设背景下，为促进港口节能减排，航运公司面临是否对其经营的船舶进行岸电改造的问题.选取内支线船舶为研究对象，以寿命期内船舶在泊期间用电成本净现值最小为目标，构建考虑排放约束的船舶岸电改造策略动态优化模型，采用逐年比较法求解该模型得到最优策略，并研究环境税、岸电价格对改造决策的影响.算例结果表明：船舶剩余寿命大于14a时，进行岸电改造是经济可行的，且越早实施改造越经济；船舶在泊期间的排放成本约占总用电成本的0.8%-4.0%；环境税征收标准对岸电改造决策影响较小；从经济角度看，低于1.14元/（kW·h）的岸电收费标准宜于船舶岸电系统改造的推广.研究方法及结果可为航运公司运营船舶提供决策参考.
关键词：船舶；岸电改造；排放；环境税；岸电价格
中图分类号：U653.95；F550.66
文献标志码：A
0 引言
靠港船舶使用副机燃油发电，会排出NOx，SOx等空气污染物，影响港口及所在城市的环境质量，不少发达国家或地区已要求靠港船舶使用岸电或转换低硫油，以减少空气污染物排放.瑞典哥德堡港率先于2000年开发靠港船舶使用岸电技术并应用在渡船码头上，实现94%-97%的减排.北美西海岸及欧洲至今已有十多个港口码头应用该项技术.近年来，我国也开始着力推广岸电技术.2011年交通运输部发布《建设低碳交通运输体系指导意见》等文件，鼓励新建码头和船舶配套建设靠港船舶使用岸电的设备设施，鼓励既有码头及船舶开展使用岸电技术改造.上海外高桥六期码头建成国内首套船舶岸电装置；连云港港成功对“中韩之星”船舶进行采用岸基供电的改造；深圳蛇口港集装箱码头成功进行5.0MW的船舶岸电改造；河北远洋运输与连云港港口集团联合研制“高压变频数字化船电系统”，并成功应用于“富强中国”大型散货船上，可见，我国港口靠泊船舶使用岸电已得到成功尝试，为进一步推广及扩展奠定了基础.
当前，有关靠港船舶使用岸电改造的研究多集中于改造技术方案，如：PAUL等，PETERSON等研究岸电供应系统的相关技术；NAGEL等探讨配合和实施岸电技术所需的相关船舶和岸上设备的设计，及油码头实施岸电技术的操作和安全上的问题；孙秋萍等设计辽宁营口港鲅鱼圈港区码头船舶岸电系统.也有部分学者对码头及船舶岸电改造前后的成本及排放进行估算及评价，如赫伟建等考虑船舶使用岸电后火电行业的能耗和排放，分析船舶使用岸电技术的节能减排效果. SEDDIEK等从成本效益上研究埃及Safaga港高速邮船岸电改造的实用性.ADAMO等分析Taranto港船舶靠泊及排放数据以检验使用岸电的合理性.CHANG等研究发现高雄港采用岸电系统后CO2和PM排放量分别降低57.2%和39.4%.
船用岸电改造技术及推广条件研究日益成熟，许多港口配备或预留岸电供应设施，但是，大部分船舶目前还未配备岸电系统，现有船舶配备岸电系统需调整船舶原有空间布局和投入成本，同时也会影响改造期间的正常航运业务，故航运公司面临是否对船舶进行配备岸电系统的改造以及改造时机选择的问题，本文从内支线船舶岸电系统改造投资及改造前后的用电成本角度，以剩余寿命期内船舶在泊期间用电成本净现值最小为目标，研究排放约束下的船舶岸电系统改造的最优策略，在此基础上研究环境税、岸电收费标准等因素对改造决策的影响，为有效利用资源，提高港口及船舶的社会经济效益提供参考.
1 船舶岸电系统改造模型
1.1 问题描述
船舶靠泊期间通过岸电箱、岸供电装置等设备，连接岸上电源（港口电网）以代替船载副机燃油发电，船舶接用岸电系统见图1.
内支线船舶与远洋国际航行船舶相比，航程短，在港停泊的时间相对较长，在泊期间发生的成本占总成本的比例较大（参考美国陆军工程兵团的统计，约为45%）.因此，本文重点研究内支线船舶的岸电系统改造策略问题.对役龄较大（即剩余寿命较短）的船舶，因改造初始投资巨大而船舶可营运年限短，实施改造并不经济；对新造（即剩余寿命长的）船舶，改造投资在船舶寿命期内能够得到回收，实施改造在经济效益上可取.航运企业应根据船舶剩余寿命期内的副机营运和维护成本，结合资金的时间价值及港口要求的排放限额，确定船舶是否实施改造或改造的最佳时机，
环境税及岸电使用费直接影响船用岸电改造决策.环境税已被欧美国家实践证明为一种有效的环境经济手段，我国近年来不断寻求、推进和完善因地而异的碳交易机制和排污费征收标准，将其内化到生产成本中，充分发挥价格杠杆作用以促进节能减排，国外部分港口按当地电价向航运企业收取岸电使用费，将码头岸电改造成本计人港口使用费中；也有港口结合供电成本实际情况，以高于当地电网销售电价计收，如浙江宁波港岸电收费标准为2元/（kW``h）.本文重点就环境税、岸电收费标准对船舶岸电系统改造策略的影响进行研究.
1.2 假设条件
为简化问题，假设：供船舶靠泊的码头已配备岸电系统，港口码头后方连接国家电网；船舶靠泊期间不强制使用岸电，即船舶可根据自身需要自由选择使用副机燃油发电或连接岸电；船舶岸电系统改造在年初开始，且在la内完成；船舶岸电系统改造不影响船舶使用寿命；忽略船舶岸电系统改造后因船舶燃油舱减小换取的载货量的增加；各年成本费用按年初确定的方法进行计算.
1.3 模型构建
船舶寿命期内的营运及决策均离不开资金活动，为使船舶岸电系统改造决策在不同时间点上发生的费用与效益具有时间可比性，使用资金等值概念进行资金时间价值的等值变换，以便更好地开展经济评价.图2为船舶剩余寿命期内现金流量示意，其中涉及的参数的定义详见模型参数说明部分.
从环境税征收和排放限额两个角度综合考虑船舶在泊期间的排放影响，结合资金的时间价值，以最小化船舶剩余寿命期内在泊期间的用电成本净现值为目标，构建船舶岸电系统改造策略动态优化模型如下.式（1）～（5）中：4为船舶剩余寿命期内不实施岸电系统改造对应的在泊期间用电成本净现值；B为船舶在第j年年初完成岸电系统改造对应的剩余寿命期内在泊期间用电成本净现值；N为船舶剩余寿命，即当前至船舶更新的时间，通常由航运公司根据船舶自然条件、技术要求和营运经济性综合确定；i为基准收益率；P和F分别为资金现值和终值；k为排放物序号，k=l，2，…，K，K为模型考虑的排放物总数，包括C02，N0x，SOx等；Caux，t为第t年船舶在泊期间使用副机供电对应的船舶副机年发电成本，包括燃油、营运和维护成本；Csho，t为第t年船舶在泊期间使用岸电的相关成本，包括改造后设备年维护成本，船舶接岸电期间船舶副机燃油成本和港口向船舶收取的岸电使用费；Eaux，k，t和Esho，k，t分别为第t年船舶使用副机发电和使用岸电情况下排放物k的排放量；P为对第k种排放物征收的税率；Cs，j-1为第j-l年年初对船舶岸电系统实施改造的费用，主要包括船舶接岸电所需设备的购置费用和安装费用；Ek为港口对船舶剩余寿命期内在泊期间排放物k的排放限额；当模型中求和项的下限大于上限取值时，该求和项值取0.
上述参量确定后，采用逐年比较法求解模型，即能确定船舶岸电系统改造的最优策略.
2 算例分析
2.1 模型输入
以渤海湾内支线某航运公司为例，该公司拟对旗下船舶进行岸电系统改造，船舶剩余寿命最大为20a，基准收益率为10%，不限制排放限额Ek，
根据航运公司及靠泊码头提供的数据，结合郝伟建等SEDDIEK I等和彭云等，估算船舶岸电系统改造决策模型求解所需的部分参数，见表1.
考虑C02，N0x和S02等3种主要大气排放物，其对应的排放因子见表2，参照国内部分地区的碳交易成本及《关于调整排污费征收标准等有关问题的通知》，确定各类排放物排放征收税率（见表2）.
2.2 结果分析
采用逐年比较法求解船舶岸电系统改造的最优策略及其对应的最小用电成本.
船舶剩余寿命期内在泊期间用电成本与船舶剩余寿命Ⅳ及岸电改造完成时间j有关，图3为不同剩余寿命的船舶实施岸电系统改造对应的在泊期间用电成本净现值比较.图中曲线交汇点左侧表示船舶使用副机发电较经济，右侧表示实施岸电改造较经济，从图3可知：当船舶剩余寿命大于14a时，对其实施船用岸电改造是比较经济的；船舶剩余寿命越大，按最优策略实施改造带来的经济效益越明显；在改造资金允许的条件下，越早实施船舶岸电系统改造越经济.
图4为不同环境税征收标准下船舶剩余寿命期内在泊期间用电成本净现值比较，由图4可知，环境税征收标准影响船舶岸电系统改造决策，不计环境税时对剩余寿命大于19a的船舶实施岸电改造较经济；以2倍和4倍标准征收环境税时，对剩余寿命分别大于12a和9a的船舶实施岸电改造较经济.船舶在泊期间排放成本仅占总用电成本的0.8%-4.0%，环境税征收标准对船舶在泊期间用电成本影响不大，如对剩余寿命为20a的船舶，不征收、以当前标准.2倍标准和4倍标准征收环境税时对应的总用电成本分别为824.0，830.4，836.9和849.8万元，变化幅度均小于1.5%.
图5为不同岸电收费标准下船舶剩余寿命期内在泊期间用电成本净现值比较，由图5可知，船舶剩余寿命越长，岸电价格对船舶在泊期间用电成本的影响越大，以剩余寿命为20a的船舶为例，当岸电收费由基准值1.05元/（kW·h）提高到1.14元/（kW·h）时，对应船舶剩余寿命期内在泊期间用电成本净现值由824.O万元上升至849.8万元，增幅达3.1%.当岸电收费分别为1.08和1.11元/（kW·h）时，对剩余寿命分别大于16a和18a的船舶实施岸电系统改造较经济.当岸电收费达1.14元/（kW·h）时，对不同剩余寿命的船舶，实施岸电改造均不经济.这种情况下，建议政府部门通过设立专项资金补贴及税费减免等优惠政策，鼓励航运公司实施船舶岸电系统改造以提高社会效益.
3 结束语
本文以服务于国内内支线且挂靠后方连接国家电网的码头的船舶为对象，构建考虑排放约束的、以最小化船舶剩余寿命期内在泊期间用电成本净现值为目标的船舶岸电系统改造模型，并采用逐年比较法进行求解，算例结果表明：剩余寿命大于14a的船舶实施岸电系统改造是经济的，且在资金允许条件下越早对其进行改造越经济；环境税影响船舶岸电改造决策，但因在泊期间排放成本占总用电成本的比例较小，环境税征收标准对船舶总用电成本影响不大；岸电价格对船舶在泊期间总用电成本影响较大，从经济角度看，低于1.14元/（kW·h）的收费标准有助于船舶岸电系统改造的推广，下一步研究主要从港船双方整体效益角度确定合理的岸电使用价格及政府专项补贴，
