基于AIS数据的港口岸电投资分析

本文是一篇投资分析论文，本文的主要贡献在于构建了一个考虑多港口多条航线的系统化模型，用以预测船舶的选择行为及由此带来的环境影响。
1  绪论
1.1  研究背景及意义
1.1.1  研究背景
港口岸电技术（Shore Power, 也称Alternative Maritime Power, Cold Ironing等）是指通过向靠港停泊船舶提供岸电服务，为船舶靠港后进行的包括照明、通风、通讯、装卸货物等必要活动提供电能，以替代传统的辅机燃烧柴油供能的技术。如图1.1为港口岸电示意图。这种技术的产生和应用，主要是为了满足日益严格的环保要求，保护沿港地区环境及沿港居住居民的健康。

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对于船舶来说，想要连接岸电系统，首先需要对船舶进行改装，安装可靠的岸电受电装置。在靠港接入岸电设备的时间里，仍然需要靠辅机燃烧供能一段时间，之后可以关闭辅机，依靠岸上的供电设备提供的电能进行活动。港口运营方而言，提供岸电技术需要其安装变频装置，连接设备，冷却系统，接入电网等工作，并通过向连接岸电的靠泊船只收取服务费用维持运营。如图1.2为港口岸电系统投资建设并投入使用过程中，港口投资方及船舶运营方需要承担的基础建设工作。
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1.2  国内外研究现状
目前关于港口岸电技术经济及环境效益方面的研究，主要集中于以下几个方面：（1）港口岸电技术应用的减排效果及其经济影响；（2）港口岸电用电量需求的计算及布局分配；（3）港口岸电技术与其他减少港口污染的环保方式的比较；（4）港口岸电技术推广过程中相关政策研究；（5）船舶经营方对港口岸电技术应用的行为选择。
1.2.1  港口岸电技术应用的减排效果及其相关经济效益的研究
港口城市通常人口众多，整座城市的污染排放对城市环境及居民健康影响很大，因此对于这个问题有很多相关研究，其中，对于能够有效减排的岸电技术，也引起了许多学者的关注。
2014年，Zis等学者研究发现，提供岸电技术可以有效减少包括CO2，SO2，NOX在内的气体的排放，其排放分别降低为原来的8%-20%，9%-40%，9%-17%[14]。2016年，Winkel等学者提出，若欧洲所有港口2020年均安装有岸电设备，可以预期的是，碳排会减少800000吨，岸电的应用带来的环境改善将会使政府在居民健康方面的开支减少约29.4亿英镑[15]。同年，Vaishnav的研究也称，即便只有1/4到2/3的美国靠港船只应用岸电技术，政府也将省下701.5亿美元的居民健康开支[16]。
2018年，学者Innes和Monios对英国阿伯丁港口投资建设岸电设施的可行性做了评估，阿伯丁港口是一个中等大小的港口，只有若干小泊位，两位学者比较了其投资成本和污染减排效果，论证了在该港投资建设岸电技术的可行性[1]。
2019年，我国交通运输部水运科学研究院研究院李海波系统地研究了岸电服务收费、电价以及岸电设施维护费用对岸电技术相关经济的影响，他的文章也指出，当前，由于投资收益的不平衡，港口方主动建设并应用岸电设施的意愿较低，这也是导致岸电使用率较低的原因[17]。Tao等学者建立的经济分析模型也表明，即便征收高昂环保税，相对于使用柴油，船舶使用岸电技术仍然很不经济，只有当船舶剩余寿命大于5年，在相关政策的刺激下，船舶运营方才有可能更倾向于岸电的选择[18]。
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2  基本原理介绍
2.1  生命周期评价
生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）是评价一种产品，及其过程或行动在整个寿命周期内给环境带来的影响的方法。根据国际环境毒理会和化学学会（Society of Environmental Toxicology and Chemistry, SETAC）给出的定义，该方法是一种通过识别和量化所用能量、原材料以及废物排放来评价与产品及其行动相关的环境责任，从而得到这些能量和材料应用以及排放物对环境的影响，并且对改善环境的方案做出评价的方法。它源于1969年可口可乐公司委托美国中西部研究所对塑料容器惊喜进行的评价，随后国际标准化组织（International Organization for Standard, ISO）陆续发布了相关评价标准。时至今日，该评价方法已经有了越来越多的研究和发展。目前我们国家在环境方面采用的生命周期评价标准包括《环境管理生命周期评价原则与框架》（GB/T 24040-2008）以及《环境管理生命周期评价要求与指南》（GB/T 24044-2008）。
生命周期评价的主要技术包括范围定义、清单分析、影响评价以及结果解释四个阶段，是一套系统的进行环境价值分析的方法。对一项产品和技术进行生命周期评价需要考虑需求分析与产品规划阶段、产品设计阶段、生产制造阶段、运输阶段、使用维护阶段、废弃与回收利用阶段。在本文中，无论船舶使用岸电技术还是使用低硫油，两者产品规划阶段、产品设计阶段所产生的污染都明显可以忽略。目前国内油的运输主要采用管道运输方式，管道建设及从管道出口到具体用油地点的环境成本相对于燃烧这部分低硫油产生的污染来说，在数值实验中可以忽略。电的运输主要考虑发电及电能能源损耗问题，这部分所增加的碳排放量体现在了使用岸电的污染因子中。使用阶段，两者能够被使用的时间均可以看做船舶的剩余寿命，也因此，本文建模过程中，将污染等因素，分摊到了船舶剩余寿命的每一年里。废弃与回收阶段，低硫油的使用并不存在这个问题，对于港口方岸电设备来说，是可以循环使用的，本阶段暂不考虑，对于船舶方的岸电设备，则需要考虑进寿命周期内。
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2.2  大气污染理论及计算
全球性大气污染问题主要分为三类：温室效应，臭氧层破坏，和酸雨。按照大气污染来源可以分为自然污染源和认为污染源。本研究涉及到的大气污染研究属于人为污染源中的交通运输流动源带来的污染。
大气污染对人体健康，植物环境，甚至器物及材料都有影响。本研究主要考虑其对人体健康的影响，主要表现为通过吸入被污染的空气以及表面接触、食入含污染物的食物和水这三种主要途径引起的呼吸道疾病。长期接触低浓度污染物会引起支气管炎，哮喘，肺部疾病甚至癌症等。在高浓度污染物的突然作用下，人体会产生急性中毒甚至会危及生命。本研究设计的到的主要污染物为：硫氧化物SOx，可吸入颗粒物PM，氮氧化为NOx；以及与温室效应相关的气体二氧化碳COx。
处理大气扩散的理论主要有三种：梯度运输理论、湍流统计理论和相似理论。本文采用湍流统计理论处理港口附近地区污染物扩散浓度的分布。其假设包括：（1）大气湍流场是均匀、定常的；（2）从污染源排放的粒子，在风沿着x方向吹的湍流大气中扩散，则在x轴上粒子浓度最高，粒子分布以x轴为对称轴，分布方式符合正态分布。如图2.2所示为污染物经过一段时间扩散后形成的平均边界的示意。
其中，高斯分布是应用较广的该假设下的污染物扩散模式。高斯烟流模型（Gaussian Plume Model）的基本假设包括：（1）污染物浓度在y，z轴上的分布属于正态分布；（2）全部空间中风速是均匀的，稳定的；（3）源强是持续均匀的；（4）在扩散过程中污染物质量守恒。高斯模型的坐标系如图2.3所示。
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3  港口岸电分析模型 .................................. 17
3.1  问题描述和模型假设 ........................... 17
3.1.1  问题描述 ................................. 17
3.1.2  模型假设 ................................. 19
4  数值模拟 ........................................ 27
4.1  数据来源及处理 ............................ 27
4.2  船舶运营方行为选择 ............................... 30
结论 .................... 44
4  数值模拟
4.1  数据来源及处理
长江流域有约2400千米的航道，以及40多个港口。在本次数值模拟实验中，本文选择了该系统的25个主要的港口，包括：上海港、太仓港、南通港、张家港港、江阴港、高港港、镇江港、南京港、马鞍山港、芜湖港、铜陵港、贵池港、安庆港、湖口港、九江港、黄石港、汉口港、石首港、郝穴港、沙市港、宜昌港、万州港、涪陵港、重庆港、泸州港，其地理分布如图4.1所示。其中，上海港是该系统内内河航运和海运的枢纽港口，大部分的航线都会以该港口为起始/终止港口。由于内河航运和海运的差别，该系统可视为一个关于内河运输的相对封闭的系统，仅通过上海港与外界海运系统相连。对于这个运输系统，可将其看成一个长2400千米的货运走廊，其上的每一个港口都会根据其位置投影到[0, 2400]范围内以方便展示。

投资分析论文参考

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结论
船舶靠泊污染的情况不容乐观，靠泊期间排放的大量SOX，NOX，PM，CO2等有害气体，会严重影响港口城市环境及居民的健康。岸电技术作为本行业内广为认可和接受的技术，其在高效节能减排方面展现出来的优势毋庸置疑。然而，尽管中国政府采取了一系列的举措意在推广港口岸电技术的实施和推广，但是我国的实际使用情况依然并不理想，实际使用率有待提高。中国政府从前采取的措施多集中在直接对岸电设施的建设进行补贴，本文建议：（1）可以采取包括燃油控制政策和用电补贴政策的混合政策进行调控，以期达到更加平衡经济发展和环境效益的目的；（2）可以将岸电技术的环境收益作为补贴给予港口投资方。
由仿真结果可以看出：（1）燃油控制政策和用电补贴政策均会对船舶运营方使用岸电技术起到较强的正向激励作用，在政策实施过程中，有高燃油消耗率及长剩余寿命周期的船舶，对政策变化更加敏感。除此以外，停泊时长等因素也会影响船舶的选择。同时，高油耗率，年均初始投资成本平均或较低的船舶，也更倾向于岸电的选择。（2）岸电技术的应用可以显著的改善港口地区的空气质量，但是不同港口的改善情况对于不同的政策敏感程度也有很大差异，这些差异可以在系统的分析之后得出，其结果也可以辅助政府进行混合政策和调控。在岸电技术可以得到更广泛的应用之后，这种减排效果将更为明显。（3）航线涉及到的港口为偏下游的、靠近海港的部分航线所涉及到的船舶对于岸电的接受度更高。同时，偏下游港口的岸电容量需求也更大。（4）值得一提的是，提高装卸效率也是一种节能减排的方式，但是由于其减少了船舶停泊期间的时间，在船舶权衡使用岸电技术还是低硫油时，更低的运营成本使更多的船倾向于使用低硫油。然而从总体的节能减排效果来看，仍旧是岸电技术的应用能够起到更好的减排效果。故而如果从环保的角度看，这些提高效率的技术的应用，应当审慎为之，并辅以环保支持政策。（5）如果只是单一的政策，用电补贴政策相较于燃油控制政策效果更加明显。油耗率较低的船舶会对电价政策会更为敏感。（6）可以使用污染代价衡量环保收益，也可以考虑将港口的环保收益进行补贴。偏下游的较大的港口，应用岸电技术带来的环境效益很高，显著减少投资回收期。
参考文献（略）