绿色港口建设下港口与船舶减排决策研究

周海英，张文静

(广州航海学院港口与航运管理学院，广东广州 510725)

全球港口与航运网络的发展是世界经济增长的重要推动力、是全球供应链的重要载体。然而，频繁的航运活动所造成有害气体和温室气体的排放，已成为港航活动的主要能耗单位和污染源头，例如NOx，SOx，CO，PM（颗粒物）和温室气体中的CO2等。作为全球供应链的重要组成部分，港口行业也占上述排放和污染较大比重。根据《中国机动车环境管理年报（2018）》，2017 年我国船舶排放二氧化硫、碳氢化合物、氮氧化物、颗粒物分别为85.3 万吨、7.9万吨、134.6 万吨、13.1 万吨，其中氮氧化物和颗粒物分别占非道路移动源排放的25.6%和28.4%。上海、深圳、香港等港口城市大气源解析研究显示，船舶港口排放已成为重要的排放源之一［1］。作为世界港口和航运大国，如何实现港口与航运节能减排的目标、建设绿色港口已成为我国政府监管部门必须面对的重要问题［2］。

目前，使用岸电（SP）或低硫油（LSFO）是港口区域船舶减排的流行趋势。使用岸电需要港口和船运公司的共同努力和投资。港口建设岸电设备设施以传输电力，而船舶安装受电设备设施以接收电力。港口岸电设施建设和船舶岸电接入改造需要较大初始资金投入，但岸电减排效果显著。Hall［3］提出采用岸电可以显著减少排放，通过改用岸电，英国泊位上船舶的CO2排放可以减少约24.5%，NOx可以减少91.6%。低硫油是一种清洁能源，使用低硫油无需改造和添加设备，可以省去相关设备投资的费用，但低硫油价格贵，减排效果不如岸电。2019 年7 月，交通运输部起草的《船舶靠港使用岸电管理办法（征求意见稿）》要求，具备岸电受电设施的船舶，在沿海船舶大气污染物排放控制区内具备岸电供应能力的泊位停泊超过3 小时，或者在内河船舶大气污染物排放控制区内具备岸电供应能力的泊位停泊超过2 小时，且不使用有效替代措施的，应当使用岸电。那么，船舶是使用SP 还是使用LSFO，该如何决策？

企业减排要付出额外成本，我国政府通过补贴激励港航企业减排。交通运输部公布的统计数据显示，中央财政于2016—2018 年通过车辆购置税收入补助地方资金对沿海和内河港口岸电设备设施建设和船舶受电设备设施改造项目予以奖补，三年来共安排车辆购置税奖励资金7.4 亿元，支持靠港船舶使用岸电［4］。除交通运输部进行补贴外，各地方政府也对岸电和低硫油进行补贴。如深圳2015 年3 月至2019 年12 月，累计发放船用低硫油补贴8 329.11万元，发放岸电补贴7 555.68 万元［4］。随着港口运营商的不断探索和政府的有效支持，我国40%以上的主要港口都安装了岸电基础设施，为靠泊船舶提供陆上电力。然而，当前岸电改装船舶的渗透率不到中国船舶的1%［5］，具备受电设施的船舶数量少，岸电使用率总体仍然较低，船舶岸电使用意愿不高。

船舶岸电使用意愿不高，从补贴政策来看，与当前补贴标准不一、缺乏规范和研究不无关系。如深圳于2018 年1 月实施的《深圳市绿色低碳港口建设补贴资金管理暂行办法》，对港口岸电设施，按不超过项目建设费用30%的标准资助；对进行岸电改造的船舶按改造费用的30%进行资助；对港口岸电设施产生的供电需量费进行全额补贴。广州于2019 年1 月发布的《广州市港务局关于印发广州港口船舶排放控制补贴资金实施方案的通知》，规定港口岸电设施建设补贴为项目建设费用的50%；船舶靠港期间使用岸电设施均按照0.1 元每度的优惠价结算电费，结算电费与港口企业岸电电费成本差价由政府补足。上海2015 年的《上海港靠泊国际航行船舶岸基供电试点工作方案》中规定，对港口岸电设施建设费用给予30%的专项补贴，并由港口建设费给予1 ∶1 的配套补贴；对电力增容费将由电力公司减半收取，并由港口建设费补贴10%；对基本电价进行全额补贴，对电度电价实行与新加坡普氏船用油价格挂钩，动态调整、定额补贴。根据岸电设备的用电量对港口岸电设备相关维护费用给予0.07 元/千瓦时的补贴。可见，当前政府大力补贴港口岸电设施建设，而对船舶岸电设备改造补贴相对较少。那么在当前船舶岸电使用意愿不高的情况下，政府该如何对船舶进行补贴？2021 年2 月，国务院印发《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》，强调要积极打造绿色航道、绿色港口，明确指出要加大推广绿色船舶示范应用力度，加快港口岸电设施建设。在此背景下，探讨绿色港口建设下的政府补贴策略，更好地推动船舶减排，具有重要现实意义。

近年来绿色港口越来越受到学术界的重视。从国际上来看，学术界对绿色港口的研究经历了从污染源控制到强调经济、社会、环境相互协调的过程。Psaraftis 等［6］认为为了减少污染排放，通常有三种方法可供选择：清洁生产技术的采用、基于市场的规制、生产运营的优化。但是这些措施在改善环境的同时，必然会影响港口的经济效益。Acciaro 等［7］认为促进环境的可持续发展涉及港口管理者、政策制定者、港口使用者和当地社区的利益主体，成功的创新必须考虑上述主体的利益，基于此提出了一个考虑上述主体的创新框架。

关于岸电技术，国内外相关研究主要有：Thalis［8］利用技术检验量化框架，分析了岸电技术的现状及其前景，结果表明当监管机构进行协助时，岸电技术减排是可行的；Martínez-López 等［9］采用一种估算港口特定环境收费的计算方法，来激励短程海运船舶使用岸电；Reusser 等［10］评估了船舶在泊位使用岸电技术时，采用双向功率流控制策略的排放影响，从而优化辅机的运行廓线；Martínez-López 等［11］采用计量方法，以货币形式评估了岸电和LNG 在瑞士的减排效果；Cao 等［12］通过经济成本方法分析船舶岸电技术的环境效益，证实了岸电技术的可行性；Zis［13］研究表明，只要管理机构协助船舶经营者和港口进一步采用岸电技术，那么岸电是一个可行的减少排放的选择；Dariusz 等［14］介绍了内陆电力供应船舶系统设计的建议、标准和规定。Zis 等［15］关注减排技术的回收期,包括洗涤器和岸电。冯华等［16］以南沙港三期工程为例，采用单一变量法，系统地分析了船舶岸电改造成本回收年限与国家补贴之间的相互关系，研究得出，政府对于岸电改造港口的补贴政策对于岸电改造港口和船舶是十分重要的。

关于低硫油技术，Panasiuk 等［17］比较了在ECA中使用低硫油和洗涤器的优缺点。Antturi 等［18］对波罗的海ECA 内0.1%的硫限值规定进行成本效益分析。他们的研究结果表明,船型、大小和燃油消耗将影响低硫油和洗涤器的选择。朱现场等［19］在对使用低硫油、安装脱硫塔和使用液化天然气燃料等3 种措施，考虑资金的时间价值，提出基于费用现值法的硫排放限制应对措施经济性模型。实例分析结果表明，不同方案的经济性取决于船舶剩余使用年限、船舶在硫排放控制区内航行的距离和燃油差价等因素。

当前，关于岸电和低硫油的研究文献大多停留在技术层面的分析和应用层面的介绍，主要是单一地从技术、成本方面定量分析其可行性［20］，没有考虑到政府的补贴机制和其他利益参与者的决策情况进行研究，特别是以下重要问题还需进一步探讨：一是港口与船舶减排的决策机理是什么？二是政府补贴与港航企业减排决策的关系是什么？为了顺应全球减排发展的趋势，以及实现我国碳达峰和碳中和承诺目标，作为世界港口和航运大国，探索切合实际的绿色发展之路，迫切需要对港航企业减排决策以及政府补贴策略进行分析和研究。事实上，港航企业减排可以看作一类由港口和船公司构成的供应链系统，完全可以从供应链视角来进行研究［21］。

综上，在前人研究基础上，基于岸电和低硫油减排特点与企业决策机理，从供应链视角，构建政府补贴下的港口、船舶博弈模型，采用博弈方法研究港航企业减排决策以及政府补贴策略，为推动港航企业减排提供理论支持。

1 问题描述

港口区域可供选择的减排技术有两种：SP 和LSFO，使用SP需要港口与船公司共同进行初始投资，且初始投资费用高，但岸电价格便宜，排放低。而使用LSFO 则不需要初始投资，也不需要港口介入，但低硫油价格贵，排放比SP 高。那么，港航企业该如何决策减排技术？港口与船舶在市场中的地位是否影响减排技术决策？政府该如何进行补贴？基于此，针对实际中的难点，重点研究政府补贴下，港口和船公司在不同博弈结构下的价格、收益、排放量等指标，探讨绿色港口建设下的港口区域减排决策问题。

2 模型建立

港口减排中，港口、船公司组成一个供应链系统，政府首先制定补贴政策，港口与船公司在观测到政府补贴政策后决策运费价格、港口服务价格以及产出。实践中，港口与船舶在市场中地位的不同，可能会导致存在四种结构情形：一是港口与船舶协作，进行集中决策；二是港口处于主导地位，船舶是追随者；三是船舶处于主导地位，港口是追随者；四是港口与船舶处于同等地位。从而构建四种情形下的博弈模型，进行分析。

2.1 参数说明和假设

相关参数和变量总结如下。下标i（i=E,L）表示采用的减排技术，E代表SP，L代表LSFO，下标j（j=G,P,S,N）表示博弈类型，G代表集中决策，S代表港口主导的Stackelberg 博弈，P代表船舶主导的Stackelberg 博弈，N代表双方同等地位的Nash 博弈。上标k（k=p,s,sc）表示供应链中的成员，p,s,sc分别代表港口，船公司和整体供应链。

参数与变量如下：

a：市场容量；

b：客户需求对每单位TEU 的市场价格的敏感系数（b＞0）；

q：货物需求量/万吨；

ct：船舶单位航海运输成本/元；

cE：采用岸电后船舶的单位服务成本/元；

cL：采用低硫油后船舶的单位服务成本/元；

cs：采用岸电后港口的单位服务成本/元；

θ：政府对船舶每单位碳排放减少量的补贴/元；

e：不采用减排技术时的单位碳排放量/万吨；

ei-j：使用i技术在j博弈中的单位碳排放量/万吨；

mi-j：使用i技术在j博弈中港口装卸每单位TEU 的价格/元；

wi-j：使用i技术在j博弈中船舶运输每单位TEU 的价格/元；

pi-j：使用i技术面向客户的服务价格/元，pi-j=mi-j+wi-j；

而不管采用哪种技术，面向客户的服务价格应该要高于相应的成本，也就是当采用岸电时mE-j＞cs，wE-j＞ct+cE；当使用低硫油时，mL-j＞0，wL-j＞cL+ct。

为简化研究问题，作如下假设：

假设1：政府对船舶单位排放减少量进行补贴，即政府以船舶使用减排技术后所减少的单位碳排放量为依据进行补贴；

假设2［21］：

2.2 考虑政府补贴的SP 使用模型

在港航供应链中，政府制定补贴政策，港口和船公司进行岸电改造，船舶靠港后直接用岸电代替燃油发电，模型如下：

船公司需求函数为［22-24］：

船公司利润函数为：

港口利润函数为：

供应链整体利润函数为：

船公司的利润包括来自客户的收入，在港口的靠泊费用，运输成本，使用岸电的成本，以及来自政府的补贴。给定提供的服务量q，港口区域的碳排放总量为：

2.3 考虑政府补贴的LSFO 使用模型

当采用低硫油时，港口与航运企业的利润函数可以表示为：

船公司利润函数为：

港口利润函数为：

式（5）中，第一项表示船舶的利润，第二项表示使用LSFO 后获得的政府补贴。

3 使用SP 的模型求解

分别考虑集中决策、分散决策（船舶占主导地位、港口占主导地位，以及双方处于同等地位）下的服务价格、企业利润以及排放量。

3.1 集中决策情形

集中决策情形下，港口与船舶协同合作，以整体供应链利润最大化为目标，即：

3.2 分散决策情形

3.2.1 船公司处于主导地位的Stackelberg 博弈

首先，在政府补贴和船舶运输价格的前提下，港口追求自身利润最大化，即：

3.2.2 港口与船公司处于同等地位的Nash 博弈

在政府补贴下，港口追求自身利润最大化，即：

联立式（7）和式（8），求解可得：

从而有：

3.2.3 港口处于主导地位的Stackelberg 博弈

首先，在政府补贴和港口服务价格的前提下，船舶追求自身利润最大化，即：

然后，港口追求自身利润最大化，即：

可得：

4 使用LSFO 的模型求解

分别考虑集中决策、分散决策（船舶占主导地位、港口占主导地位，以及双方处于同等地位）下的服务价格、企业利润以及排放量。

4.1 集中决策情形

集中决策情形下，港口与船舶协同合作，以整体供应链利润最大化为目标，即：

从而有：

4.2 分散决策情形

4.2.1 船公司处于主导地位的Stackelberg 博弈

首先，在政府补贴和船舶运输价格的前提下，港口追求自身利润最大化，即：

然后，船公司追求自身利润最大化，即：

从而有：

4.2.2 港口与船公司处于同等地位的Nash 博弈

在政府补贴下，港口追求自身利润最大化，即：

同样地，船公司追求自身利润最大化，即：

联立式（9）和式（10），求解可得：

从而有：

4.2.3 港口处于主导地位的Stackelberg 博弈

首先，在政府补贴政策和港口服务价格的前提下，船舶追求自身利润最大化，即：

然后，港口追求自身利润最大化，即：

5 结果分析

将上述所得结果进行分析，比较不同权力结构下的最优定价、排放量，企业利润，以获得一些有益的管理启示。

5.1 最优价格分析

港口供应链中，将不同权力结构下的最优服务价格进行比较，可得命题1。

命题1港口供应链中，满足如下关系：

可以很直观地看出，随着补贴的提高，船舶会降低服务价格，而港口会提高服务价格。但为确保市场需求，两者的总服务价格（）整体是下降的。

命题2港口供应链中，有如下关系：

结合命题1、命题2 可知，集中决策时的供应链定价最低，当供应链一方处于主导地位时，供应链整体价格是不变的，而当双方处于同等地位时，各自价格变化较大，整体价格变化会大于一方处于主导地位情形。双方处于同等地位的定价低于一方处于主导地位的定价。

5.2 利润分析

本节比较不同权力结构下的港口，船公司和整体供应链利润。

在补贴极低时，基本可以忽略不计，由于极高的运营成本，港口可能会选择减少其对船公司的服务，以确保企业利润。而随着补贴的增加，运营成本降低，供应链服务价格降低，市场需求增加，随着补贴的增加，供应链的整体利润迅速增加。

命题3在不同的博弈结构模型下，港口、船舶以及供应链总利润满足如下关系：

命题3 表明，集中决策情形下，供应链的整体利润最高。分散决策情形下，与在供应链中充当追随者的情况相比，无论是港口还是船公司，作为博弈的领导者总是可以获得更高的利润。但一方处于主导地位的供应链整体利润不变，且小于双方处于同等地位下的供应链整体利润。因而，作为更关注供应链整体利润的监管者，应该积极推动港口供应链的协同合作，这与2019 年交通运输部、财政部等六部门联合制定印发的《关于进一步共同推进船舶靠港使用岸电工作的通知》中的“进一步加大船舶靠港使用岸电协同推进力度要求”相符。而当无法达成供应链协同合作时，则应鼓励双方处于平等地位情形。

命题4在不同的博弈结构模型下，港口供应链满足如下关系：

港口利润、船舶利润和供应链总利润与补贴呈正向关系，即补贴的增加会导致利润的增加。但同等条件下，集中决策情形的供应链整体利润增加最快，其次是双方处于同等地位情形，最后是一方处于主导地位情形。在一方处于主导地位情形下，处于主导地位的不管是船舶还是港口，由于其更关注整体利润的变化，因此补贴变化对其利润影响要高于追随者。

命题5使用不同的减排技术，存在如下关系：

与LSFO 相比，SP 是一种更加昂贵但也更加有效减少排放的技术。当补贴较低时，船舶没有动力使用昂贵的SP 技术，因此这时LSFO 是首选。而当补贴较高时，船舶更愿意使用SP 技术。

5.3 碳排放分析

下面分析不同权力结构模型下的供应链总排放量。

命题6在不同博弈结构模型下，港口供应链总排放量的关系如下：

命题6 表明，供应链总排放量与补贴呈正向关系，即补贴的增加会导致供应链总排放量的增加。在一定条件下，随着补贴的增加，集中决策下的供应链更倾向于降低价格，增加排放，其排放总量大于分散决策下供应链的排放量。分散决策下，双方处于同等地位的纳什博弈更关注整条供应链的需求，比一方处于主导地位更倾向于降低价格，扩大市场需求，增加排放，其排放量大于一方处于主导地位的排放量。作为更关注排放控制的政府，则应制定适度的补贴政策，因为过高的补贴可能会导致排放的增加，同时应鼓励一方处于主导地位的博弈结构模型，以减少排放。

命题7在不同减排技术下，供应链总排放量满足如下关系：

当补贴较低时，排放对最优供应链定价和利润的影响较小。在这种情形下，使用LSFO 比使用SP 具有总体成本优势，使用LSFO 下的价格更低，市场需求更高，供应链总体利润更高。当时，由于较高的单位排放量，使用LSFO 的总排放，使用LSFO 仍比使用SP 具有总体成本优势，此时，虽然SP 的单位排放量较低，但由于供应链会提供更多的服务，因此，使用LSFO 的总排放量低于使用SP 的总排放量。而当时，使用SP 的供应链整体利润高于使用LSFO 的供应链整体利润，由于供应链会提供更多的服务，因此，使用SP 时的总排放量超过使用LSFO 时的总排放量。可见，当补贴在适当范围内时，港航供应链使用LSFO 减排可以实现港航企业利润最大化，同时也可以实现政府排放控制目标，即补贴在适当范围内时，政府与港航企业可以实现双赢。这一发现有助于监管者在排放控制目标下，根据岸电减排技术和低硫油减排技术差异性，制定合理的补贴政策。

6 数据仿真

本部分通过一些数据，进行模拟仿真分析，以更清楚阐述上述引理和命题。参考文献［24］对于中国深圳港口的调查，a=200,b=3.5,cE=2.8,ct=3.6,cs=0.6,e=5.4,eE=4.2,eL=4.9,cL=1.6。图1 至图4 展示了利润和排放量如何随补贴变化。

6.1 补贴对港口、船舶和供应链整体利润的影响

图1 展示了不同权力结构下的供应链整体利润变化情况，与命题4 一致，集中决策下的供应链整体利润最大。从图1 可见，供应链的总利润是θ的凹函数，如引理2 所示。图2 和图3 展示了不同权力结构下港口和船舶利润变化情况。无论是港口还是船公司，他们总是在作为供应链的领导者时获得最高利润，而作为跟随者时获得的利润最低。从图上可以看出，与其他结构模型相比，集中决策下的供应链可以在更低的补贴下，采用SP 技术。

图1 政府补贴下的供应链总利润变化

图2 政府补贴下的港口利润变化

图3 政府补贴下的船舶利润变化

关于两种技术之间的比较，如图1 所示，从供应链总利润来看，当补贴较低时，补贴鼓励可以忽略不计，因此首选低成本的LSFO 技术。而随着补贴的增加，SP 会逐渐超越LSFO 技术，成为优选，与命题5 一致。

6.2 政府补贴对排放量的影响

图4 表明，补贴对集中决策下的排放量影响最大，其次是纳什博弈模型，最后是一方处于主导地位情形，与命题6 一致。随着补贴的增加，集中决策下的供应链更倾向于降低价格，增加排放，其排放总量大于分散决策下供应链的排放量。分散决策下，双方处于同等地位的纳什博弈更关注整条供应链的需求，比一方处于主导地位更倾向于降低价格，扩大市场需求，增加排放，其排放量大于一方处于主导地位的排放量。

关于补贴下的技术选择问题，在图4 中可以看到，从排放控制的角度来看，低补贴下SP 技术为优选，总排放量更少，而高补贴下LSFO 技术为优选。当补贴较低时，补贴鼓励可以忽略不计，因此港航供应链首选低成本的LSFO 技术，这时使用LSFO 供应链总排放量大于使用SP 的总排放量。而随着补贴的增加，SP 会逐渐超越LSFO，成为企业优选。此时虽然使用SP 的单位排放低，但供应链可能会提供更多服务，因此，使用SP 的供应链总排放量大于使用LSFO 的总排放量。

图4 政府补贴下的碳排放量变化

根据本文研究结果，当政府对船舶补贴较少时，从利润最大化角度，船舶使用低硫油减排优于使用岸电减排。从上述深圳、广州、上海补贴政策可以看出，当前政府对船舶岸电改造的补贴相对较低，而在较低的补贴下，船舶更愿意采用低硫油减排。这是上述“我国具备受电设施的船舶数量少，船舶岸电使用意愿不高”的原因之一。

需要注意的是，政府补贴与港航供应链整体利润、总排放量呈正向关系，即补贴的增加会导致港航企业利润增加，同时也会导致更多的排放，故关于港口区域减排的补贴政策，须慎重考虑。根据本文研究，加大补贴力度，港航企业确实更有动力使用SP 技术，但当补贴增加到一定值时，港航企业可能由于较低的成本而提供更多的服务，导致总排放量要高于使用LSFO 的总排放量，因此，政府监管部门应合理制定补贴政策，进行适度补贴。当补贴在适当范围内时，港航企业使用LSFO 减排，这时，供应链的总排放量低于使用SP 的总排放量，即此时可以实现港航企业利润最大化和政府排放控制的双赢目标。

岸电作为港航领域节能减排最具前景的新技术，备受关注，当前我国对港口岸电设施建设进行大力补贴，推广岸电使用，而在高补贴下，可能会导致总排放量的增加，这样不利于排放控制。因此，不能一味通过高补贴来推动船舶使用岸电减排，而是应该采用适度补贴，同时还要结合其他措施：一是搭建平台，加强企业交流，促进港航企业协同合作。根据研究结果，与其他结构模型相比，集中决策下的港航企业可以获得更多的利润，也就是说政府可以以更低的补贴来推动港航供应链采用SP 技术，因此，促进港航企业协同合作，对推动港航企业减排尤为重要；二是加大政策执行力度，加强监管，督促港航企业采用减排技术降低排放；三是推进航运市场实施碳交易，我国已在深圳和上海等地试验航运市场碳交易，碳交易机制是将碳排放权赋予商品属性，在限定碳排放配额的基础上进行直接管制与经济激励的减排措施，有利于港口减排和绿色港口建设。四是提高港航营商环境，促进航运市场健康发展，确保排放控制下的港航企业利润。

7 结论

针对政府补贴下由一个港口和一家船公司组成的港航供应链，本研究构建了集中决策和分散决策（船舶主导，港口主导，港口和船舶处于同等地位）情形下港航企业减排决策博弈模型，比较了不同情形下的价格、利润和排放量，分析供应链权力结构、运营成本和政府补贴对减排决策的影响，为绿色港口发展与管理提供理论支持。

在本研究中，考虑了由一个港口和一家船公司组成的两阶段供应链，而现实实际中，港口供应链可能需要考虑多个船公司。另外，本文基于市场需求线性假设基础上进行的研究，尽管该假设在相关文献中被广泛使用，如Qian 等［22］；Yang 等［23］；Cui 等［25］，但仍然可以考虑其他一些需求函数，如随机需求等。