綠色港口建設下港口與船舶減排決策研究

周海英，張文靜

(廣州航海學院港口與航運管理學院，廣東廣州 510725)

全球港口與航運網絡的發展是世界經濟增長的重要推動力、是全球供應鏈的重要載體。然而，頻繁的航運活動所造成有害氣體和溫室氣體的排放，已成為港航活動的主要能耗單位和污染源頭，例如NOx，SOx，CO，PM（顆粒物）和溫室氣體中的CO2等。作為全球供應鏈的重要組成部分，港口行業也占上述排放和污染較大比重。根據《中國機動車環境管理年報（2018）》，2017 年我國船舶排放二氧化硫、碳氫化合物、氮氧化物、顆粒物分別為85.3 萬噸、7.9萬噸、134.6 萬噸、13.1 萬噸，其中氮氧化物和顆粒物分別占非道路移動源排放的25.6%和28.4%。上海、深圳、香港等港口城市大氣源解析研究顯示，船舶港口排放已成為重要的排放源之一［1］。作為世界港口和航運大國，如何實現港口與航運節能減排的目標、建設綠色港口已成為我國政府監管部門必須面對的重要問題［2］。

目前，使用岸電（SP）或低硫油（LSFO）是港口區域船舶減排的流行趨勢。使用岸電需要港口和船運公司的共同努力和投資。港口建設岸電設備設施以傳輸電力，而船舶安裝受電設備設施以接收電力。港口岸電設施建設和船舶岸電接入改造需要較大初始資金投入，但岸電減排效果顯著。Hall［3］提出采用岸電可以顯著減少排放，通過改用岸電，英國泊位上船舶的CO2排放可以減少約24.5%，NOx可以減少91.6%。低硫油是一種清潔能源，使用低硫油無需改造和添加設備，可以省去相關設備投資的費用，但低硫油價格貴，減排效果不如岸電。2019 年7 月，交通運輸部起草的《船舶靠港使用岸電管理辦法（征求意見稿）》要求，具備岸電受電設施的船舶，在沿海船舶大氣污染物排放控制區內具備岸電供應能力的泊位停泊超過3 小時，或者在內河船舶大氣污染物排放控制區內具備岸電供應能力的泊位停泊超過2 小時，且不使用有效替代措施的，應當使用岸電。那么，船舶是使用SP 還是使用LSFO，該如何決策？

企業減排要付出額外成本，我國政府通過補貼激勵港航企業減排。交通運輸部公布的統計數據顯示，中央財政于2016—2018 年通過車輛購置稅收入補助地方資金對沿海和內河港口岸電設備設施建設和船舶受電設備設施改造項目予以獎補，三年來共安排車輛購置稅獎勵資金7.4 億元，支持靠港船舶使用岸電［4］。除交通運輸部進行補貼外，各地方政府也對岸電和低硫油進行補貼。如深圳2015 年3 月至2019 年12 月，累計發放船用低硫油補貼8 329.11萬元，發放岸電補貼7 555.68 萬元［4］。隨著港口運營商的不斷探索和政府的有效支持，我國40%以上的主要港口都安裝了岸電基礎設施，為靠泊船舶提供陸上電力。然而，當前岸電改裝船舶的滲透率不到中國船舶的1%［5］，具備受電設施的船舶數量少，岸電使用率總體仍然較低，船舶岸電使用意愿不高。

船舶岸電使用意愿不高，從補貼政策來看，與當前補貼標準不一、缺乏規范和研究不無關系。如深圳于2018 年1 月實施的《深圳市綠色低碳港口建設補貼資金管理暫行辦法》，對港口岸電設施，按不超過項目建設費用30%的標準資助；對進行岸電改造的船舶按改造費用的30%進行資助；對港口岸電設施產生的供電需量費進行全額補貼。廣州于2019 年1 月發布的《廣州市港務局關于印發廣州港口船舶排放控制補貼資金實施方案的通知》，規定港口岸電設施建設補貼為項目建設費用的50%；船舶靠港期間使用岸電設施均按照0.1 元每度的優惠價結算電費，結算電費與港口企業岸電電費成本差價由政府補足。上海2015 年的《上海港靠泊國際航行船舶岸基供電試點工作方案》中規定，對港口岸電設施建設費用給予30%的專項補貼，并由港口建設費給予1 ∶1 的配套補貼；對電力增容費將由電力公司減半收取，并由港口建設費補貼10%；對基本電價進行全額補貼，對電度電價實行與新加坡普氏船用油價格掛鉤，動態調整、定額補貼。根據岸電設備的用電量對港口岸電設備相關維護費用給予0.07 元/千瓦時的補貼。可見，當前政府大力補貼港口岸電設施建設，而對船舶岸電設備改造補貼相對較少。那么在當前船舶岸電使用意愿不高的情況下，政府該如何對船舶進行補貼？2021 年2 月，國務院印發《關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》，強調要積極打造綠色航道、綠色港口，明確指出要加大推廣綠色船舶示范應用力度，加快港口岸電設施建設。在此背景下，探討綠色港口建設下的政府補貼策略，更好地推動船舶減排，具有重要現實意義。

近年來綠色港口越來越受到學術界的重視。從國際上來看，學術界對綠色港口的研究經歷了從污染源控制到強調經濟、社會、環境相互協調的過程。Psaraftis 等［6］認為為了減少污染排放，通常有三種方法可供選擇：清潔生產技術的采用、基于市場的規制、生產運營的優化。但是這些措施在改善環境的同時，必然會影響港口的經濟效益。Acciaro 等［7］認為促進環境的可持續發展涉及港口管理者、政策制定者、港口使用者和當地社區的利益主體，成功的創新必須考慮上述主體的利益，基于此提出了一個考慮上述主體的創新框架。

關于岸電技術，國內外相關研究主要有：Thalis［8］利用技術檢驗量化框架，分析了岸電技術的現狀及其前景，結果表明當監管機構進行協助時，岸電技術減排是可行的；Martínez-López 等［9］采用一種估算港口特定環境收費的計算方法，來激勵短程海運船舶使用岸電；Reusser 等［10］評估了船舶在泊位使用岸電技術時，采用雙向功率流控制策略的排放影響，從而優化輔機的運行廓線；Martínez-López 等［11］采用計量方法，以貨幣形式評估了岸電和LNG 在瑞士的減排效果；Cao 等［12］通過經濟成本方法分析船舶岸電技術的環境效益，證實了岸電技術的可行性；Zis［13］研究表明，只要管理機構協助船舶經營者和港口進一步采用岸電技術，那么岸電是一個可行的減少排放的選擇；Dariusz 等［14］介紹了內陸電力供應船舶系統設計的建議、標準和規定。Zis 等［15］關注減排技術的回收期,包括洗滌器和岸電。馮華等［16］以南沙港三期工程為例，采用單一變量法，系統地分析了船舶岸電改造成本回收年限與國家補貼之間的相互關系，研究得出，政府對于岸電改造港口的補貼政策對于岸電改造港口和船舶是十分重要的。

關于低硫油技術，Panasiuk 等［17］比較了在ECA中使用低硫油和洗滌器的優缺點。Antturi 等［18］對波羅的海ECA 內0.1%的硫限值規定進行成本效益分析。他們的研究結果表明,船型、大小和燃油消耗將影響低硫油和洗滌器的選擇。朱現場等［19］在對使用低硫油、安裝脫硫塔和使用液化天然氣燃料等3 種措施，考慮資金的時間價值，提出基于費用現值法的硫排放限制應對措施經濟性模型。實例分析結果表明，不同方案的經濟性取決于船舶剩余使用年限、船舶在硫排放控制區內航行的距離和燃油差價等因素。

當前，關于岸電和低硫油的研究文獻大多停留在技術層面的分析和應用層面的介紹，主要是單一地從技術、成本方面定量分析其可行性［20］，沒有考慮到政府的補貼機制和其他利益參與者的決策情況進行研究，特別是以下重要問題還需進一步探討：一是港口與船舶減排的決策機理是什么？二是政府補貼與港航企業減排決策的關系是什么？為了順應全球減排發展的趨勢，以及實現我國碳達峰和碳中和承諾目標，作為世界港口和航運大國，探索切合實際的綠色發展之路，迫切需要對港航企業減排決策以及政府補貼策略進行分析和研究。事實上，港航企業減排可以看作一類由港口和船公司構成的供應鏈系統，完全可以從供應鏈視角來進行研究［21］。

綜上，在前人研究基礎上，基于岸電和低硫油減排特點與企業決策機理，從供應鏈視角，構建政府補貼下的港口、船舶博弈模型，采用博弈方法研究港航企業減排決策以及政府補貼策略，為推動港航企業減排提供理論支持。

1 問題描述

港口區域可供選擇的減排技術有兩種：SP 和LSFO，使用SP需要港口與船公司共同進行初始投資，且初始投資費用高，但岸電價格便宜，排放低。而使用LSFO 則不需要初始投資，也不需要港口介入，但低硫油價格貴，排放比SP 高。那么，港航企業該如何決策減排技術？港口與船舶在市場中的地位是否影響減排技術決策？政府該如何進行補貼？基于此，針對實際中的難點，重點研究政府補貼下，港口和船公司在不同博弈結構下的價格、收益、排放量等指標，探討綠色港口建設下的港口區域減排決策問題。

2 模型建立

港口減排中，港口、船公司組成一個供應鏈系統，政府首先制定補貼政策，港口與船公司在觀測到政府補貼政策后決策運費價格、港口服務價格以及產出。實踐中，港口與船舶在市場中地位的不同，可能會導致存在四種結構情形：一是港口與船舶協作，進行集中決策；二是港口處于主導地位，船舶是追隨者；三是船舶處于主導地位，港口是追隨者；四是港口與船舶處于同等地位。從而構建四種情形下的博弈模型，進行分析。

2.1 參數說明和假設

相關參數和變量總結如下。下標i（i=E,L）表示采用的減排技術，E代表SP，L代表LSFO，下標j（j=G,P,S,N）表示博弈類型，G代表集中決策，S代表港口主導的Stackelberg 博弈，P代表船舶主導的Stackelberg 博弈，N代表雙方同等地位的Nash 博弈。上標k（k=p,s,sc）表示供應鏈中的成員，p,s,sc分別代表港口，船公司和整體供應鏈。

參數與變量如下：

a：市場容量；

b：客戶需求對每單位TEU 的市場價格的敏感系數（b＞0）；

q：貨物需求量/萬噸；

ct：船舶單位航海運輸成本/元；

cE：采用岸電后船舶的單位服務成本/元；

cL：采用低硫油后船舶的單位服務成本/元；

cs：采用岸電后港口的單位服務成本/元；

θ：政府對船舶每單位碳排放減少量的補貼/元；

e：不采用減排技術時的單位碳排放量/萬噸；

ei-j：使用i技術在j博弈中的單位碳排放量/萬噸；

mi-j：使用i技術在j博弈中港口裝卸每單位TEU 的價格/元；

wi-j：使用i技術在j博弈中船舶運輸每單位TEU 的價格/元；

pi-j：使用i技術面向客戶的服務價格/元，pi-j=mi-j+wi-j；

而不管采用哪種技術，面向客戶的服務價格應該要高于相應的成本，也就是當采用岸電時mE-j＞cs，wE-j＞ct+cE；當使用低硫油時，mL-j＞0，wL-j＞cL+ct。

為簡化研究問題，作如下假設：

假設1：政府對船舶單位排放減少量進行補貼，即政府以船舶使用減排技術后所減少的單位碳排放量為依據進行補貼；

假設2［21］：

2.2 考慮政府補貼的SP 使用模型

在港航供應鏈中，政府制定補貼政策，港口和船公司進行岸電改造，船舶靠港后直接用岸電代替燃油發電，模型如下：

船公司需求函數為［22-24］：

船公司利潤函數為：

港口利潤函數為：

供應鏈整體利潤函數為：

船公司的利潤包括來自客戶的收入，在港口的靠泊費用，運輸成本，使用岸電的成本，以及來自政府的補貼。給定提供的服務量q，港口區域的碳排放總量為：

2.3 考慮政府補貼的LSFO 使用模型

當采用低硫油時，港口與航運企業的利潤函數可以表示為：

船公司利潤函數為：

港口利潤函數為：

式（5）中，第一項表示船舶的利潤，第二項表示使用LSFO 后獲得的政府補貼。

3 使用SP 的模型求解

分別考慮集中決策、分散決策（船舶占主導地位、港口占主導地位，以及雙方處于同等地位）下的服務價格、企業利潤以及排放量。

3.1 集中決策情形

集中決策情形下，港口與船舶協同合作，以整體供應鏈利潤最大化為目標，即：

3.2 分散決策情形

3.2.1 船公司處于主導地位的Stackelberg 博弈

首先，在政府補貼和船舶運輸價格的前提下，港口追求自身利潤最大化，即：

3.2.2 港口與船公司處于同等地位的Nash 博弈

在政府補貼下，港口追求自身利潤最大化，即：

聯立式（7）和式（8），求解可得：

從而有：

3.2.3 港口處于主導地位的Stackelberg 博弈

首先，在政府補貼和港口服務價格的前提下，船舶追求自身利潤最大化，即：

然后，港口追求自身利潤最大化，即：

可得：

4 使用LSFO 的模型求解

分別考慮集中決策、分散決策（船舶占主導地位、港口占主導地位，以及雙方處于同等地位）下的服務價格、企業利潤以及排放量。

4.1 集中決策情形

集中決策情形下，港口與船舶協同合作，以整體供應鏈利潤最大化為目標，即：

從而有：

4.2 分散決策情形

4.2.1 船公司處于主導地位的Stackelberg 博弈

首先，在政府補貼和船舶運輸價格的前提下，港口追求自身利潤最大化，即：

然后，船公司追求自身利潤最大化，即：

從而有：

4.2.2 港口與船公司處于同等地位的Nash 博弈

在政府補貼下，港口追求自身利潤最大化，即：

同樣地，船公司追求自身利潤最大化，即：

聯立式（9）和式（10），求解可得：

從而有：

4.2.3 港口處于主導地位的Stackelberg 博弈

首先，在政府補貼政策和港口服務價格的前提下，船舶追求自身利潤最大化，即：

然后，港口追求自身利潤最大化，即：

5 結果分析

將上述所得結果進行分析，比較不同權力結構下的最優定價、排放量，企業利潤，以獲得一些有益的管理啟示。

5.1 最優價格分析

港口供應鏈中，將不同權力結構下的最優服務價格進行比較，可得命題1。

命題1港口供應鏈中，滿足如下關系：

可以很直觀地看出，隨著補貼的提高，船舶會降低服務價格，而港口會提高服務價格。但為確保市場需求，兩者的總服務價格（）整體是下降的。

命題2港口供應鏈中，有如下關系：

結合命題1、命題2 可知，集中決策時的供應鏈定價最低，當供應鏈一方處于主導地位時，供應鏈整體價格是不變的，而當雙方處于同等地位時，各自價格變化較大，整體價格變化會大于一方處于主導地位情形。雙方處于同等地位的定價低于一方處于主導地位的定價。

5.2 利潤分析

本節比較不同權力結構下的港口，船公司和整體供應鏈利潤。

在補貼極低時，基本可以忽略不計，由于極高的運營成本，港口可能會選擇減少其對船公司的服務，以確保企業利潤。而隨著補貼的增加，運營成本降低，供應鏈服務價格降低，市場需求增加，隨著補貼的增加，供應鏈的整體利潤迅速增加。

命題3在不同的博弈結構模型下，港口、船舶以及供應鏈總利潤滿足如下關系：

命題3 表明，集中決策情形下，供應鏈的整體利潤最高。分散決策情形下，與在供應鏈中充當追隨者的情況相比，無論是港口還是船公司，作為博弈的領導者總是可以獲得更高的利潤。但一方處于主導地位的供應鏈整體利潤不變，且小于雙方處于同等地位下的供應鏈整體利潤。因而，作為更關注供應鏈整體利潤的監管者，應該積極推動港口供應鏈的協同合作，這與2019 年交通運輸部、財政部等六部門聯合制定印發的《關于進一步共同推進船舶靠港使用岸電工作的通知》中的“進一步加大船舶靠港使用岸電協同推進力度要求”相符。而當無法達成供應鏈協同合作時，則應鼓勵雙方處于平等地位情形。

命題4在不同的博弈結構模型下，港口供應鏈滿足如下關系：

港口利潤、船舶利潤和供應鏈總利潤與補貼呈正向關系，即補貼的增加會導致利潤的增加。但同等條件下，集中決策情形的供應鏈整體利潤增加最快，其次是雙方處于同等地位情形，最后是一方處于主導地位情形。在一方處于主導地位情形下，處于主導地位的不管是船舶還是港口，由于其更關注整體利潤的變化，因此補貼變化對其利潤影響要高于追隨者。

命題5使用不同的減排技術，存在如下關系：

與LSFO 相比，SP 是一種更加昂貴但也更加有效減少排放的技術。當補貼較低時，船舶沒有動力使用昂貴的SP 技術，因此這時LSFO 是首選。而當補貼較高時，船舶更愿意使用SP 技術。

5.3 碳排放分析

下面分析不同權力結構模型下的供應鏈總排放量。

命題6在不同博弈結構模型下，港口供應鏈總排放量的關系如下：

命題6 表明，供應鏈總排放量與補貼呈正向關系，即補貼的增加會導致供應鏈總排放量的增加。在一定條件下，隨著補貼的增加，集中決策下的供應鏈更傾向于降低價格，增加排放，其排放總量大于分散決策下供應鏈的排放量。分散決策下，雙方處于同等地位的納什博弈更關注整條供應鏈的需求，比一方處于主導地位更傾向于降低價格，擴大市場需求，增加排放，其排放量大于一方處于主導地位的排放量。作為更關注排放控制的政府，則應制定適度的補貼政策，因為過高的補貼可能會導致排放的增加，同時應鼓勵一方處于主導地位的博弈結構模型，以減少排放。

命題7在不同減排技術下，供應鏈總排放量滿足如下關系：

當補貼較低時，排放對最優供應鏈定價和利潤的影響較小。在這種情形下，使用LSFO 比使用SP 具有總體成本優勢，使用LSFO 下的價格更低，市場需求更高，供應鏈總體利潤更高。當時，由于較高的單位排放量，使用LSFO 的總排放，使用LSFO 仍比使用SP 具有總體成本優勢，此時，雖然SP 的單位排放量較低，但由于供應鏈會提供更多的服務，因此，使用LSFO 的總排放量低于使用SP 的總排放量。而當時，使用SP 的供應鏈整體利潤高于使用LSFO 的供應鏈整體利潤，由于供應鏈會提供更多的服務，因此，使用SP 時的總排放量超過使用LSFO 時的總排放量。可見，當補貼在適當范圍內時，港航供應鏈使用LSFO 減排可以實現港航企業利潤最大化，同時也可以實現政府排放控制目標，即補貼在適當范圍內時，政府與港航企業可以實現雙贏。這一發現有助于監管者在排放控制目標下，根據岸電減排技術和低硫油減排技術差異性，制定合理的補貼政策。

6 數據仿真

本部分通過一些數據，進行模擬仿真分析，以更清楚闡述上述引理和命題。參考文獻［24］對于中國深圳港口的調查，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。圖1 至圖4 展示了利潤和排放量如何隨補貼變化。

6.1 補貼對港口、船舶和供應鏈整體利潤的影響

圖1 展示了不同權力結構下的供應鏈整體利潤變化情況，與命題4 一致，集中決策下的供應鏈整體利潤最大。從圖1 可見，供應鏈的總利潤是θ的凹函數，如引理2 所示。圖2 和圖3 展示了不同權力結構下港口和船舶利潤變化情況。無論是港口還是船公司，他們總是在作為供應鏈的領導者時獲得最高利潤，而作為跟隨者時獲得的利潤最低。從圖上可以看出，與其他結構模型相比，集中決策下的供應鏈可以在更低的補貼下，采用SP 技術。

圖1 政府補貼下的供應鏈總利潤變化

圖2 政府補貼下的港口利潤變化

圖3 政府補貼下的船舶利潤變化

關于兩種技術之間的比較，如圖1 所示，從供應鏈總利潤來看，當補貼較低時，補貼鼓勵可以忽略不計，因此首選低成本的LSFO 技術。而隨著補貼的增加，SP 會逐漸超越LSFO 技術，成為優選，與命題5 一致。

6.2 政府補貼對排放量的影響

圖4 表明，補貼對集中決策下的排放量影響最大，其次是納什博弈模型，最后是一方處于主導地位情形，與命題6 一致。隨著補貼的增加，集中決策下的供應鏈更傾向于降低價格，增加排放，其排放總量大于分散決策下供應鏈的排放量。分散決策下，雙方處于同等地位的納什博弈更關注整條供應鏈的需求，比一方處于主導地位更傾向于降低價格，擴大市場需求，增加排放，其排放量大于一方處于主導地位的排放量。

關于補貼下的技術選擇問題，在圖4 中可以看到，從排放控制的角度來看，低補貼下SP 技術為優選，總排放量更少，而高補貼下LSFO 技術為優選。當補貼較低時，補貼鼓勵可以忽略不計，因此港航供應鏈首選低成本的LSFO 技術，這時使用LSFO 供應鏈總排放量大于使用SP 的總排放量。而隨著補貼的增加，SP 會逐漸超越LSFO，成為企業優選。此時雖然使用SP 的單位排放低，但供應鏈可能會提供更多服務，因此，使用SP 的供應鏈總排放量大于使用LSFO 的總排放量。

圖4 政府補貼下的碳排放量變化

根據本文研究結果，當政府對船舶補貼較少時，從利潤最大化角度，船舶使用低硫油減排優于使用岸電減排。從上述深圳、廣州、上海補貼政策可以看出，當前政府對船舶岸電改造的補貼相對較低，而在較低的補貼下，船舶更愿意采用低硫油減排。這是上述“我國具備受電設施的船舶數量少，船舶岸電使用意愿不高”的原因之一。

需要注意的是，政府補貼與港航供應鏈整體利潤、總排放量呈正向關系，即補貼的增加會導致港航企業利潤增加，同時也會導致更多的排放，故關于港口區域減排的補貼政策，須慎重考慮。根據本文研究，加大補貼力度，港航企業確實更有動力使用SP 技術，但當補貼增加到一定值時，港航企業可能由于較低的成本而提供更多的服務，導致總排放量要高于使用LSFO 的總排放量，因此，政府監管部門應合理制定補貼政策，進行適度補貼。當補貼在適當范圍內時，港航企業使用LSFO 減排，這時，供應鏈的總排放量低于使用SP 的總排放量，即此時可以實現港航企業利潤最大化和政府排放控制的雙贏目標。

岸電作為港航領域節能減排最具前景的新技術，備受關注，當前我國對港口岸電設施建設進行大力補貼，推廣岸電使用，而在高補貼下，可能會導致總排放量的增加，這樣不利于排放控制。因此，不能一味通過高補貼來推動船舶使用岸電減排，而是應該采用適度補貼，同時還要結合其他措施：一是搭建平臺，加強企業交流，促進港航企業協同合作。根據研究結果，與其他結構模型相比，集中決策下的港航企業可以獲得更多的利潤，也就是說政府可以以更低的補貼來推動港航供應鏈采用SP 技術，因此，促進港航企業協同合作，對推動港航企業減排尤為重要；二是加大政策執行力度，加強監管，督促港航企業采用減排技術降低排放；三是推進航運市場實施碳交易，我國已在深圳和上海等地試驗航運市場碳交易，碳交易機制是將碳排放權賦予商品屬性，在限定碳排放配額的基礎上進行直接管制與經濟激勵的減排措施，有利于港口減排和綠色港口建設。四是提高港航營商環境，促進航運市場健康發展，確保排放控制下的港航企業利潤。

7 結論

針對政府補貼下由一個港口和一家船公司組成的港航供應鏈，本研究構建了集中決策和分散決策（船舶主導，港口主導，港口和船舶處于同等地位）情形下港航企業減排決策博弈模型，比較了不同情形下的價格、利潤和排放量，分析供應鏈權力結構、運營成本和政府補貼對減排決策的影響，為綠色港口發展與管理提供理論支持。

在本研究中，考慮了由一個港口和一家船公司組成的兩階段供應鏈，而現實實際中，港口供應鏈可能需要考慮多個船公司。另外，本文基于市場需求線性假設基礎上進行的研究，盡管該假設在相關文獻中被廣泛使用，如Qian 等［22］；Yang 等［23］；Cui 等［25］，但仍然可以考慮其他一些需求函數，如隨機需求等。