王帥安, 鎮(zhèn)璐, Hrilos N. Psrftis , 鄢然

a Department of Logistics and Maritime Studies, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong 999077, China

b School of Management, Shanghai University, Shanghai 200444, China

c Department of Management Engineering, Technical University of Denmark, Lyngby DK-2800, Denmark

1. 引言

海運(yùn)是國(guó)際貿(mào)易的支柱。國(guó)際海運(yùn)貿(mào)易總量在2012 年已達(dá)84.08億噸，到2019年已增至110.76億噸，年平均增長(zhǎng)率為3.12%。2020年年初，世界船隊(duì)共有 9.814萬艘總噸位在100 t及以上的船舶，總載重噸位達(dá)206萬噸 [1]。與此同時(shí)，航運(yùn)產(chǎn)生的溫室氣體排放不容忽視。國(guó)際海事組織進(jìn)行的第四次溫室氣體研究表明， 2018年全球航運(yùn)業(yè)共排放二氧化碳（carbon dioxide, CO2） 10.56億噸，約占全球人為CO2排放量的2.89% [2]。然而，由于航運(yùn)的國(guó)際性，《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》的《京都議定書》和《巴黎協(xié)定》都沒能有效控制船舶的CO2排放。為了實(shí)現(xiàn)航運(yùn)業(yè)零碳排放，國(guó)際海事組織制定的戰(zhàn)略規(guī)定到2050年航運(yùn)業(yè)的溫室氣體年排放總量相比2008年的水平至少降低50% [3]。然而，自該戰(zhàn)略發(fā)布以來國(guó)際海事組織尚未頒布任何強(qiáng)制性規(guī)則。

鑒于國(guó)際海事組織在減少船舶碳排放方面沒有取得足夠的進(jìn)展，歐盟決定在促進(jìn)航運(yùn)業(yè)節(jié)能減排方面發(fā)揮主導(dǎo)作用。2015年，歐盟發(fā)布了于2018年年初生效的針對(duì)總噸位在5000 t以上的船舶進(jìn)出歐盟成員國(guó)管轄港口的CO2排放監(jiān)測(cè)、報(bào)告和核查（monitoring, reporting, and verification, MRV）法規(guī)[4]。值得一提的是，根據(jù)MRV法規(guī)的規(guī)定，即使一次航程中只有一個(gè)港口在而另一個(gè)港口不在歐洲經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)（如從鹿特丹直接到新加坡的航程），相關(guān)船舶仍必須報(bào)告整個(gè)航程的CO2排放總量而不僅僅是歐盟水域內(nèi)部分航程的排放量。

MRV制度已經(jīng)運(yùn)行了兩年多，且2018年和2019年報(bào)告期的CO2排放數(shù)據(jù)已經(jīng)公布。根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，歐洲議會(huì)[5]在2020年9月16日投票表決通過了將海運(yùn)納入歐盟排放交易體系（Emissions Trading System, ETS）的決議。這是一個(gè)以市場(chǎng)為基礎(chǔ)的機(jī)制，它利用經(jīng)濟(jì)手段，如對(duì)船用燃料征稅和通過ETS對(duì)污染者減少排放提供貨幣激勵(lì)[6]。歐盟委員會(huì)正在對(duì)ETS進(jìn)行影響評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果預(yù)計(jì)將于2021年發(fā)布。截至目前（2021年6月），尚不清楚將航運(yùn)納入歐盟ETS將如何運(yùn)作?？赡艿倪\(yùn)作方式有兩種：第一種是只有整個(gè)航程在歐盟內(nèi)部才被納入ETS；也就是說，只有從一個(gè)歐洲經(jīng)濟(jì)區(qū)港口到另一個(gè)歐洲經(jīng)濟(jì)區(qū)港口的航程才需要支付CO2排放費(fèi)用；第二種是在歐盟內(nèi)部航行和在歐洲經(jīng)濟(jì)區(qū)港口與非歐洲經(jīng)濟(jì)區(qū)港口之間的航行都必須支付CO2排放費(fèi)用，并且歐洲經(jīng)濟(jì)區(qū)港口與非歐洲經(jīng)濟(jì)區(qū)港口之間的航行成本是基于整個(gè)航程而非僅考慮歐盟水域內(nèi)的部分航程的CO2排放量。在本文中，我們將同時(shí)研究?jī)煞N運(yùn)作方式及其意義；由于第二種運(yùn)作方式涵蓋了第一種，我們將更多地關(guān)注第二種運(yùn)作方式。

2. 相關(guān)文獻(xiàn)及影響分析

2.1. 現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)綜述

本文主要研究對(duì)海運(yùn)施加CO2排放成本后可能會(huì)受到影響的三方面：綠色航運(yùn)技術(shù)投資、運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)變和航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中船隊(duì)部署?，F(xiàn)將這三個(gè)方面的相關(guān)研究綜述如下。在綠色航運(yùn)技術(shù)投資方面，Bouman等[7]討論了減少航運(yùn)溫室氣體排放的最新技術(shù)、措施及其潛力。作者提出六大類具有投資潛力的綠色航運(yùn)技術(shù)，分別為船體設(shè)計(jì)優(yōu)化、規(guī)模經(jīng)濟(jì)、船舶動(dòng)力和推進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)化、航速優(yōu)化、燃料和替代能源、氣象導(dǎo)航和船舶調(diào)度優(yōu)化。Metzger和Schinas [8]通過評(píng)估融資概念對(duì)技術(shù)總凈現(xiàn)值的影響，介紹了一種新穎且易于使用的綠色航運(yùn)技術(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)變的相關(guān)研究，Zis等[9]研究了可以減輕或扭轉(zhuǎn)低硫法規(guī)的實(shí)施對(duì)海運(yùn)業(yè)的負(fù)面影響的政策。Zis和Psaraftis [10]進(jìn)一步模擬了低硫航運(yùn)法規(guī)帶來的海上和陸基運(yùn)輸模式的轉(zhuǎn)變。關(guān)于航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中船隊(duì)部署的相關(guān)研究，Gu等[11]提出了一個(gè)研究ETS對(duì)船隊(duì)組成和部署影響的優(yōu)化模型并得出結(jié)論：在短期內(nèi)，ETS在大多數(shù)情況下無法實(shí)現(xiàn)減排。Zhen等[12]提出了一個(gè)將采取綠色航運(yùn)技術(shù)納入考慮的數(shù)學(xué)模型，該模型通過優(yōu)化船隊(duì)部署、航行速度、船期表、貨物和泊位分配以實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)總成本最小化。

2.2. 將航運(yùn)納入ETS的兩種可能運(yùn)營(yíng)方式對(duì)技術(shù)投資和運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)變的影響

一旦將航運(yùn)納入歐盟ETS被最終確定并生效（無論采取哪種運(yùn)營(yíng)方式），一艘符合條件的船舶將須支付高昂的CO2排放成本，且實(shí)施第二種運(yùn)營(yíng)方式的成本比實(shí)施第一種的成本更高。以一艘大型集裝箱船為例，該船在21天內(nèi)從新加坡直達(dá)鹿特丹，每天燃燒100 t燃油。假設(shè)1 t燃油產(chǎn)生3.17 t CO2且碳價(jià)為每噸30美元，則該船本次航行的CO2排放成本將高達(dá)20萬美元。這不是一筆小數(shù)目。例如，蘇伊士運(yùn)河在2019年對(duì)每艘途經(jīng)的船征收的平均通行費(fèi)估計(jì)為30萬美元[13]，這一高昂的成本導(dǎo)致許多航運(yùn)公司轉(zhuǎn)而選擇免費(fèi)的好望角航線，據(jù)報(bào)道，蘇伊士當(dāng)局也因此每天損失1000多萬美元[14]。類似地，碳排放成本可能直接導(dǎo)致船東和租船人選擇投資降低燃料消耗的新技術(shù)，采用更清潔燃料（如甲醇和液氫），用更省油的船舶運(yùn)營(yíng)方式（如慢速航行）。

本文相關(guān)分析的數(shù)學(xué)表達(dá)如下。令c表示單位碳價(jià)，Θ表示可用技術(shù)的集合，d(θ)表示使用技術(shù)θ∈Θ的年均固定成本，f(θ)表示使用技術(shù)θ的年均油耗成本，m(θ)表示使用技術(shù)θ的年均碳排放量。對(duì)于僅在歐洲經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)航行的船舶，船舶經(jīng)營(yíng)人需要權(quán)衡使用一種技術(shù)的d(θ)和f(θ)。一旦海運(yùn)被納入歐盟ETS，船舶經(jīng)營(yíng)人就需要進(jìn)一步權(quán)衡上述三方面的支出。值得注意的是，更昂貴的技術(shù)通?？梢詭砀偷娜剂铣杀炯疤寂欧牛ǚ駝t沒有人會(huì)使用）。假設(shè)一艘船僅消耗一種燃料（價(jià)格固定）且其碳排放全部來自于燃料使用，則年均碳排放量與年總成本之間是線性關(guān)系。假設(shè)任意兩種技術(shù)的固定成本都不相同。對(duì)于θ1,θ2∈Θ，如果d(θ1) ＞d(θ2)，則f(θ1) ＞f(θ2)且m(θ1) ＞m(θ2)。對(duì)于θ1和θ2的年均碳排放總量和總成本的曲線可以如圖1表示。

當(dāng)燃料和（或）碳價(jià)上漲時(shí)，總成本（包括固定成本及燃料和碳成本）的增長(zhǎng)率不同。轉(zhuǎn)而采用具有高固定成本但低燃油和碳成本技術(shù)的年均碳排放量閾值將會(huì)降低，這意味著更多的船舶經(jīng)營(yíng)人將會(huì)選擇更先進(jìn)的技術(shù)去降低燃油消耗和CO2排放。這種分析是對(duì)實(shí)際情況的簡(jiǎn)化，還有待綜合長(zhǎng)期投資決策和中、短期運(yùn)營(yíng)決策的進(jìn)一步研究。這些決策問題通常涉及混合整數(shù)非線性隨機(jī)優(yōu)化模型，因?yàn)樾录夹g(shù)投資是一個(gè)離散的決策變量，航速是一個(gè)連續(xù)的決策變量，燃油消耗率是關(guān)于航速的非線性函數(shù)，且未來單位碳成本是隨機(jī)的。

同時(shí)，從事其他涉及航運(yùn)排放監(jiān)管計(jì)劃的研究人員[9,10]指出ETS將削弱歐洲經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)一些沿海航運(yùn)服務(wù)的競(jìng)爭(zhēng)力，因此其將被陸地運(yùn)輸方式（如公路或鐵路）取代。由于需要運(yùn)輸?shù)呢浳锟偭渴枪潭ǖ模懟\(yùn)輸方式每單位運(yùn)輸負(fù)荷產(chǎn)生的CO2排放量比海運(yùn)要高得多[3]，這種運(yùn)輸方式的改變反而會(huì)增加CO2排放。因此，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于建立模型來分析托運(yùn)人的運(yùn)輸方式選擇行為至關(guān)重要，這將為承運(yùn)人做出服務(wù)設(shè)計(jì)的決策和政府制定促進(jìn)綠色航運(yùn)的政策提供信息和指導(dǎo)。

2.3. 將航運(yùn)納入ETS的第二種運(yùn)作方式對(duì)班輪運(yùn)輸服務(wù)設(shè)計(jì)的影響

如果第二種運(yùn)作方式被實(shí)施，除了以上討論的促進(jìn)采用綠色航運(yùn)技術(shù)和運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)變的兩種可能后果之外，對(duì)航運(yùn)公司還有另外兩個(gè)值得注意的潛在影響如圖 2所示。

圖1. 總成本和年均碳排放總量之間的關(guān)系。

第一，對(duì)于航運(yùn)公司而言，蘇伊士運(yùn)河航線將變得比好望角航線更有吸引力。由于蘇伊士運(yùn)河征收高昂的通行費(fèi)，且由于新冠病毒肺炎（COVⅠD-19）流行使得航運(yùn)承載能力大、燃油價(jià)格低，目前航運(yùn)公司往往選擇免費(fèi)的好望角航線。然而，好望角航線比蘇伊士運(yùn)河航線長(zhǎng)得多。例如，如果途經(jīng)蘇伊士運(yùn)河，鹿特丹和新加坡之間的距離是8288 n mile（1 n mile = 1.852 km），而途徑好望角則為11 755 n mile。因此，選擇好望角航線將消耗更多的燃油，進(jìn)而增加碳排放，從而增加航行成本。這種情形在圖2中用藍(lán)色和綠色線表示。圖2的實(shí)線部分表示沒有碳排放成本的情況，此時(shí)好望角路線的花費(fèi)小于蘇伊士運(yùn)河路線。但是，當(dāng)航運(yùn)被納入ETS產(chǎn)生碳排放成本后，如圖2中綠色和藍(lán)色虛線所示好望角航線的總成本將可能大于蘇伊士運(yùn)河航線的總成本。好望角航線對(duì)船舶經(jīng)營(yíng)人的優(yōu)勢(shì)也由此被削弱，并也可能導(dǎo)致CO2排放量減少。因此，航運(yùn)公司將需要重新評(píng)估是否需要額外的船只來運(yùn)營(yíng)途經(jīng)好望角的航運(yùn)服務(wù)（因?yàn)樾枰叫懈L(zhǎng)的時(shí)間）。

第二，經(jīng)營(yíng)亞歐服務(wù)的集裝箱運(yùn)輸公司可能會(huì)選擇重新設(shè)計(jì)其航線以包括中東、土耳其或北非的港口。例如，從新加坡直接到鹿特丹的航程為8288 n mile（經(jīng)過蘇伊士運(yùn)河），碳排放成本可能高達(dá)20萬美元。如果該船不是直接從新加坡開往鹿特丹，而是先從新加坡開往塞得港（埃及），再?gòu)哪抢镩_往鹿特丹，它只需支付從塞得港開往鹿特丹的碳排放費(fèi)用。從塞德港到鹿特丹的距離為3274 n mile，因此碳排放成本僅為8萬美元。該航程所節(jié)省的12萬美元足以說明在此服務(wù)中增加一個(gè)停靠港是合理的。類似地，集裝箱運(yùn)輸公司在亞歐航線服務(wù)中可以不再訪問西歐的主要港口（如勒阿弗爾、安特衛(wèi)普、鹿特丹、不來梅哈芬和漢堡），而是可以選擇重新設(shè)計(jì)其中一些航線從而訪問更靠近亞洲的港口，如比雷埃夫斯（希臘）和巴塞羅那（西班牙）以降低碳排放成本。這種情形在圖2中用紅色虛線表示。如果路線上包括中東、土耳其或北非的過境港，則從始發(fā)港到過境港的運(yùn)營(yíng)成本和蘇伊士運(yùn)河的通行費(fèi)都可以被視為固定成本。在這種情況下，碳排放成本被降低了，因?yàn)榕c碳排放成本相關(guān)的總航程變短了，該航程的總成本也將低于蘇伊士運(yùn)河航線和好望角航線的成本。因此，建議航運(yùn)公司開始聯(lián)系他們以前從未考慮過的中東、土耳其或北非的港口，以便一旦海運(yùn)被納入歐盟ETS可以迅速調(diào)整其服務(wù)。

值得一提的是，集裝箱在從出發(fā)港到目的港之間經(jīng)常在不同航線服務(wù)的船舶之間轉(zhuǎn)運(yùn)（類似于乘客換乘不同路線的公交車）。因此，重新設(shè)計(jì)班輪運(yùn)輸服務(wù)將影響集裝箱運(yùn)輸公司或航運(yùn)聯(lián)盟的整個(gè)航運(yùn)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致整個(gè)航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)都需要被重新設(shè)計(jì)。班輪運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[15]；然而，由于其強(qiáng)非確定多項(xiàng)式時(shí)間（non-deterministic polynomial-time, NP）難的屬性，目前還沒有提出有效的求解算法。同時(shí)，將航運(yùn)納入歐盟ETS并不直接影響跨太平洋服務(wù)或亞洲內(nèi)部航線服務(wù)，這一事實(shí)可以用來設(shè)計(jì)高效的算法幫助航運(yùn)公司實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的班輪運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

圖2. 總花費(fèi)與總航行距離的關(guān)系。

上述分析對(duì)航運(yùn)公司管理有兩點(diǎn)啟發(fā)：第一，一旦歐盟立法生效ETS，正在談判租用額外船只經(jīng)營(yíng)途徑好望角的航線的航運(yùn)公司應(yīng)當(dāng)重新審查這一決策?? 注意，航運(yùn)公司在做該決策時(shí)不應(yīng)該只比較好望角航線和蘇伊士航線，而是應(yīng)該同時(shí)考慮到所有服務(wù)于歐亞線路的船只都可能會(huì)減速行駛（如采用減速航行）來降低碳排放和碳成本，并且減速航行需要更多的船來維持原有的服務(wù)水平。；第二，建議航運(yùn)公司開始聯(lián)系以前沒有考慮過的中東、土耳其和北非的港口，以便在海運(yùn)被納入歐盟ETS后能夠迅速調(diào)整其服務(wù)。

致謝

本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（72071173、71831008、72025103）的資助。