海上供应链管理中船上碳捕获与储存技术的战略优化

《JOURNAL OF RETAILING》：Strategic optimization of onboard carbon capture and storage for maritime supply chain management

本研究针对航运业碳排放问题，提出基于整数规划模型的港口与船舶路线优化策略，以最大化港口收入并最小化碳处理成本，为车载碳捕获存储技术的部署提供决策支持。

　　在当前全球环境问题日益严峻的背景下，航运业作为国际贸易和全球经济活动的重要支柱，其碳排放问题愈发受到关注。航运业不仅承担着全球货物运输的重任，同时也是温室气体排放的主要来源之一。据联合国贸易和发展会议（UNCTAD）2024年的数据显示，2023年全球海运贸易量达到12,292亿吨，相比2022年实现了2.4%的增长。然而，这一增长也意味着碳排放量的持续上升，对全球气候变化构成了重大威胁。国际海事组织（IMO）预测，如果不采取有效的减排措施，航运业的碳排放量可能在2030年达到2008年的2.5倍，而目前，航运业每年产生的二氧化碳排放量约占全球总排放量的3%。因此，航运业的碳排放问题不仅是环境问题，更是一个关乎全球可持续发展的关键议题。

面对这一挑战，航运业亟需寻找有效的减排方案。其中，Onboard Carbon Capture and Storage（OCCS，即船舶碳捕集与封存系统）被视为一种重要的技术路径。该技术旨在通过在船舶上安装碳捕集装置，将航行过程中产生的二氧化碳捕集、压缩并暂时储存，最终在港口进行处理或封存。OCCS技术不仅有助于减少航运业的碳足迹，还能推动绿色供应链的发展。在陆地上的碳捕集与封存（CCS）技术已经取得了一定的成熟度，尤其在大型工业设施如燃煤电厂和化工厂中得到了广泛应用。然而，将这些技术应用于船舶运输仍然面临诸多挑战，包括技术可行性、经济成本以及港口基础设施的建设等。

OCCS技术的实施涉及多个环节，从碳捕集设备的安装到船舶的改造，再到港口的接收与处理系统建设。这些环节的协同推进对于实现碳减排目标至关重要。例如，船舶在安装OCCS系统后，需要在特定的港口进行碳捕集物的卸载，而这些港口必须具备相应的接收和处理能力。因此，如何在航运公司和港口之间建立有效的合作机制，成为推动OCCS技术广泛应用的关键。此外，OCCS系统的运行还受到多种因素的影响，包括设备的能耗、捕集效率、碳封存的成本以及政策法规的约束等。因此，优化港口的选择和OCCS系统的部署时间，对于降低整体碳处理成本、提高港口收入具有重要意义。

本研究的核心目标在于解决航运业中与OCCS技术相关的多个优化问题。首先，研究关注如何在满足年度预算限制的前提下，选择适合建设碳处理系统的港口，以最大化港口的碳处理收入。其次，研究探讨在特定航运路线中，哪些船舶应配备OCCS系统，以最小化碳处理成本。最后，研究还分析了在已有碳处理系统的港口中，如何确定最佳的碳卸载地点，以提高碳处理效率并降低运输成本。通过这些研究，我们希望为航运业的碳减排提供一套系统性的解决方案，同时为政策制定者和行业参与者提供科学依据和实践指导。

为了实现上述目标，本研究引入了一个整数规划模型，用于优化港口和航运公司的战略决策。该模型综合考虑了港口建设碳处理系统的成本、船舶安装OCCS系统的费用以及碳处理过程中的各种经济和技术因素。通过构建合理的数学表达式，模型能够模拟不同情境下的最优决策路径，从而帮助相关方在有限的资源和时间内做出更加科学和高效的安排。此外，为了验证模型的有效性，研究团队还进行了大量的数值实验，并通过敏感性分析评估不同参数对最优决策的影响。这些实验不仅有助于验证模型的可靠性，还能揭示出在不同市场条件下，如何调整策略以实现最佳的减排效果和经济效益。

在模型构建过程中，研究团队特别关注了港口建设时间对碳处理系统运行的影响。由于OCCS技术的实施需要港口具备相应的接收和处理能力，因此港口的建设时间将直接影响到该技术的推广速度和应用范围。如果港口建设过慢，可能导致大量船舶无法及时卸载碳捕集物，从而影响整体减排效果。反之，如果港口建设过早，可能会造成资源浪费和成本过高。因此，研究团队提出了一系列关于如何优化港口建设时间的策略，以确保碳处理系统的高效运行。这些策略不仅有助于提高港口的经济收益，还能促进船舶运营商对OCCS技术的投资意愿。

本研究的创新点在于，它首次将港口和船舶之间的协同决策纳入碳减排技术优化的框架中。传统的碳减排研究往往集中在单一主体的决策，而忽略了港口和船舶之间的相互依赖关系。这种跨主体的协同优化模式，使得研究能够更全面地评估OCCS技术的实施效果，并为不同利益相关方提供更具针对性的建议。此外，研究还引入了多种参数，如碳处理价格、碳封存成本、船舶运营费用等，以更真实地反映现实中的复杂情况。通过这些参数的调整，模型能够适应不同的市场环境和政策背景，从而为航运业的碳减排实践提供灵活的决策支持。

在实际应用中，OCCS技术的推广需要多方合作。一方面，船舶运营商需要投入资金对现有船舶进行改造，安装碳捕集设备。另一方面，港口需要建设相应的碳处理和封存设施，以确保碳捕集物的接收和处理能力。这种双向依赖关系使得OCCS技术的推广面临“鸡与蛋”的困境：港口缺乏足够的碳处理基础设施，导致船舶运营商不愿投资；而船舶运营商若不投资，港口也无法获得足够的碳处理需求，从而无法推动基础设施建设。因此，如何打破这一循环，成为本研究的重要议题。

为了解决这一问题，研究团队提出了一套基于整数规划的优化模型，旨在协调港口和船舶之间的决策。模型不仅考虑了港口建设碳处理系统的成本和收益，还分析了船舶安装OCCS系统的经济性。通过优化模型，研究团队能够确定哪些港口应优先建设碳处理系统，以及哪些船舶应被选为OCCS系统的安装对象。此外，模型还能够帮助船舶运营商选择最佳的碳卸载港口，以实现成本最小化和效率最大化。这些优化结果对于航运业的可持续发展具有重要的指导意义。

在实验分析中，研究团队采用了多种数据集和模拟场景，以验证模型的有效性。实验结果表明，该模型能够在不同条件下提供合理的优化方案，并有效降低碳处理成本，提高港口收入。此外，敏感性分析进一步揭示了关键参数对模型输出的影响。例如，碳处理价格的波动对港口选择和船舶安装决策具有显著影响，而碳封存成本的变化则可能改变最优的碳卸载策略。这些发现不仅有助于理解OCCS技术的经济性，也为政策制定者提供了重要的参考依据。

本研究还对OCCS技术的未来发展进行了展望。尽管OCCS技术在船舶碳减排方面展现出巨大的潜力，但其推广仍面临诸多挑战。例如，技术成熟度、设备成本、政策支持以及市场接受度等因素，都会影响OCCS技术的广泛应用。因此，未来的研究应进一步探索如何降低OCCS设备的成本，提高其技术可靠性，并推动相关法律法规的完善。此外，研究团队还建议，应加强国际合作，促进碳处理技术的标准化和规模化应用，以加速全球航运业的绿色转型。

总的来说，本研究为航运业的碳减排提供了新的思路和方法。通过构建整数规划模型，研究团队成功地协调了港口和船舶之间的决策，为OCCS技术的推广和应用提供了科学支持。同时，研究还揭示了关键参数对模型输出的影响，为政策制定者和行业参与者提供了有价值的参考。未来，随着技术的不断进步和政策的逐步完善，OCCS技术有望成为航运业实现碳中和目标的重要工具，为全球绿色供应链的发展做出贡献。