Summary
In order to face Pakistan‘s chronic power shortage problems, its government announced the ambitious project of Gadani Energy Park in 2013. The project aims to establish ten coal-fired power plants at one site, each with a capacity of 660 MW. It is expected that the Energy Park will require 17 M tonnes of coal per year. In the current concept, all the power plants will be supplied via deepsea vessels, which are unloaded at the shared unloading facility. At the moment the coal arrives at the shore, individual operations start as the coal is transferred to the conveyor which is dedicated for the stockyard of one plant.
The case of Gadani Energy Park can be seen as an import dry bulk terminal due to its unloading operations and storage capacity. Literature provides extensive research on the control of container ter-minals, however less on bulk terminals. Facility sharing has been researched for many different fields. Although in numerous real-life situations multiple bulk-handling operators collaborate in storage yards, no research is found on yard collaboration. The objective of this study therefore is to gain insight in the effects of yard collaboration in dry bulk environments, by using the Gadani Energy Park as a case study. This leads to the following research question:
What are the advantages and disadvantages of collaboration in storage facilities within an import coal terminal?
To answer this question, an extensive literature survey on dry bulk terminals, power plants and facility sharing was made. Little is known at this stage of the Gadani Energy Park and therefore its conceptual design is mostly based on rules-of-thumb and experience. These rules of design have lead to a generic deterministic model. It is found that blending operations effect the internal logistics of the terminal since an additional stockpile with specific stacking and reclaiming operations is required. Since little literature exists on logistics concerning blending, this report presents its own research on blending bed logistics. It is found that collaboration is possible in blending operations, as a similar type of collaboration is found at the coal-fired power plants of E.ON at Maasvlakte II in Rotterdam. Although the three plants are operated by the same company, the plants are constructed in different years, with different specifications. Still, they are supplied by the same blending beds. Also, a rule-of-thumb is developed to define feasible blending bed capacity related to the size of a power plant it feeds.
In order to take stochastic influences into account and be able to make proper conclusions on the effect of redundancy, a simulation model is made. First, a model without any collaboration and a model with full collaboration is made and compared. If a financial benefit exists in collaboration, a cost allocation structure must be found which is feasible for all the owners. This is done with the Shapley value, a method based on the determination of the average costs of adding players to (sub)collaborations.
To find the Shapley Value, all the possible collaborations must be evaluated. In order to reduce the amount of possible collaborations to a manageable amount, an assumption on ownership is made. An owner A of four, an owner B of three, an owner C of two and an owner D of one power plant is defined for Gadani Energy Park. Since collaboration between owners requires adjacent positioning in the terminal, a limited amount of combinations can be made. The required capacities to guarantee an uninterrupted feed of coal to the power plants has been determined and translated to capital expenditures (CAPEX) and operational expenditures (OPEX) of the equipment, coal and demurrage.
The concept without collaboration shows a very rigid control with low occupancies of equipment, but a lot of blockages throughout the terminal. This indicates overcapacity, but little redundancy. As the size of the collaboration increases, generally the capacity calculations become more and more based on
capacity constraints than on constraints imposed by lay-out. Therefore the terminal configuration can be optimized and occupancy of equipment increases, while waiting times decrease. The number of stacker and reclaimers is reduced from 20 stackers and reclaimers at a terminal without collaboration to 5 stacker reclaimers, 3 stackers and 3 reclaimers with full collaboration.
The first results show that the difference between no collaboration and full collaboration is $ 160 M CAPEX, which is a cost reduction of 47%. The OPEX is reduced by 86% to $ 7.99 M and the yearly costs, in which the CAPEX and OPEX is combined through the depreciation time, declines 74% to $ 19.1M for all the ten power plants combined. Since the advantages of collaboration have been proven, the follow-up is to determine how the advantages should be distributed amongst the owners at the Energy Park.The cost allocation structure calculated with the Shapley Value for the most beneficial situation, in which all owners collaborate, can be found in the table below. In this table, only the determination of the yearly costs is incorporated because it gives an addition of both CAPEX and OPEX. However, it is found that the percentages of benefit per player differ among the CAPEX and OPEX. This indicates that players have a different share in these costs.
Owner Yearly Cost [M $] Profit related to individual operation [%]
A 8.36 7
B 4.88 27
C 2.35 71
D 4.31 45
The table‘s first column shows how the $ 19.9 M found as costs in full collaboration, should be allocated to the owners, such that every owner has an incentive to join the collaboration. The second column shows the profit the owners gain by collaborating, compared to the situation in which they work individual, wherein it is assumed that plants with the same owner collaborate.
The percentages profit in OPEX and yearly costs are very high for owner C and D since they are the only owners which have to pay a higher price for coal import, caused by importing with Handymax and Panamax instead of Capesize vessels, if they work individually. This penalty is the cause of around 50% of yearly costs for these owners. It is also noteworthy that the costs of demurrage are just a very small portion of the yearly cost, at 0 - 5% and therefore focus on demurrage seems trivial.
The cost allocation structure of the Shapley Value is significantly different from the cost allocation structure calculated by linear division through throughput per owner. The linearly divided cost allocation is found to be infeasible as the combined allocated costs of A, B and C, are larger than the calculated costs of a collaboration between A, B and C, without D. Therefore, owners A, B and C do not have an incentive to incorporate D in a collaboration, although the costs of the entire park decrease if D is incorporated . The Shapley value allocation shows improved results, as any costs related to a sub collaboration is bigger than the combined allocated costs in full collaboration.
This case study brings up a few interesting generic conclusions on sharing facilities in import coal terminals. The main conclusion is that collaboration brings financial advantages, however a proper evaluation of the situation is required before rushing into collaboration. At first, handling smaller vessels like Handymax and Panamax brings large additional costs for transport. Therefore collaboration should always strive to create a size in which a situation is created where Capesize vessels can be handled. Second, demurrage costs are just a small fraction of yearly costs and should not be the main focus in collaboration. Finally, the Shapley value cost allocation can propose a cost allocation structure which makes it feasible for players to join a collaboration, in contrast to a linear cost allocation structure.
Samenvatting
Om het chronische energietekort in Pakistan op te lossen, heeft de Pakistaanse overheid in 2013 het Gadani Energy Park aangekondigd. Het project bestaat uit tien kolencenterales in hetzelfde park, elk met een capaciteit van 660 MW. Verwacht wordt dat het park 17 M ton aan kolen per jaar nodig zal hebben. In het huidige concept zullen alle centrales worden bevoorraadt met zeeschepen, die worden uitgeladen aan de gedeelde kade en steiger. Zodra de kolen aan de kust zijn aangekomen, starten de individuele operaties met bandtransporteurs die de kolen naar de opslagfaciliteiten van een centrale transporteren.
Het Gadani Energy Park kan worden gezien als een import droge bulk terminal, door de los-en opslag capaciteiten. Wetenschappelijke literatuur behandelt vooornamelijk de besturing van container terminals en in mindere mate droge bulk terminals. Het delen van faciliteiten is bestudeerd in veel verschillende aandachtsgebieden. In verschillende bestaande situaties is het zo dat bulk-exploitanten samen een op-slagterrein delen, maar een studie naar samenwerking in bulk logistiek ontbreekt. Het doel van dit onderzoek is daarom om inzicht te verschaffen in de effecten van het delen van opslagvelden in droge bulk terminals, door gebruik te maken van het Gadani Energy Park als casus. Dit leidt tot de volgende onderzoeksvraag:
Wat zijn de voor-en nadelen van samenwerking in opslagfaciliteiten in een import kolen terminal?
Om deze vraag te kunnen beantwoorden is eerst een literatuurstudie gedaan naar droge bulk terminals, kolencentrales en het delen van faciliteiten. Er is op dit moment weinig bekend van het Gadani Energy Park en daarom is het conceptueel ontwerp vooral gebasseerd op vuistregels en ervaring. Dit heeft geleid tot een generiek deterministisch model. Hierin is onder andere bepaald dat de operaties voor het blenden van kolen effect hebben op de interne logisitiek van een terminal omdat hiervoor een extra opslagveld nodig is met specifieke stack en reclaim operaties. Omdat er weinig bekend is over de logistieke operaties voor het blenden, worden er in dit rapport een aantal nieuwe evaluaties gemaakt. Zo wordt aangetoond dat blend operaties gedeeld kunnen worden, aangezien een gelijke vorm van samenwerking is gevonden bij de kolencentrales van E.ON op de Maasvlakte II in Rotterdam. Hier worden drie centrales beheerd door hetzelfde bedrijf, maar de centrales hebben verschilende bouwjaren en specificaties. In dit geval worden de centrales toch door dezelfde velden gevoed. Er is ook een vuistregel ontwikkeld om de capaciteit van een veld voor blenden te bepalen aan de hand van de grootte van de kolencentrale die gevoed wordt.
Om stochastische invloeden mee te kunnen nemen in de evaluatie en daardoor conclusies te kunnen maken met betrekking tot redundantie, is een simulate model gemaakt. Als eerste wordt er een model zonder enige vorm van samenwerking en een model met volledige samenwerking gemaakt en vergeleken. Als er een financieel voordeel bestaat in samenwerking, moet een kosten allocatie structuur gemaakt worden, die voor elke speler voordelig is. Dit wordt gedaan met de Shapley waarde, dit is een waarde die gebasseerd is op de gemiddelde kosten die gemaakt worden door een eigenaar toe te voegen aan een samenwerkingsverband.
Om de Shapley waarde te kunnen bepalen, moeten alle mogelijke vormen van samenwerking worden bekeken. Om het aantal mogelijke samenwerkingen te beperken tot een beheersbare set, is een aanname gemaakt over de eigenaren van de kolencentrales. Er is een eigenaar A met vier centrales gedefinieerd, een eigenaar B met drie, een eigenaar C met twee en een eigenaar D met een centrale in het Gadani Energy Park. Omdat samenwerking tussen eigenaren alleen plaats kan vinden als de eigenaren fysiek naast elkaar gepositioneerd zijn, is er een gelimiteerde set aan samenwerkingen mogelijk. Voor deze samenwerkingen wordt het benodigde apparatuur bepaald om de levering van kolen aan de centrales te garanderen en hieraan worden investeringskosten (CAPEX) en operationele kosten (OPEX) gekoppeld.
Het concept zonder samenwerking heeft een starre besturing, met lage bezettingsgraden en veel blokkades. Dit impliceert overcapaciteit, maar weinig redundantie. Wanneer de grootte van het samen-werkingsverband groeit, worden de berekeningen van de benodigde capaciteiten over het algemeen meer gedomineerd door de benodigde capaciteiten dan door de lay-out van de terminal die benodigd is om individuele eigenaren te bereiken. Hierdoor wordt de terminal steeds verder geoptimaliseerd en worden de bezettingsgraden en wachttijden verbeterd. Het aantal stacker en reclaimers wordt zo gereduceerd van 20 stackers en reclaimers in het concept zonder samenwerking, naar 5 stacker reclaimers, 3 stackers en 3 reclaimers in het concept van volledige samenwerking.
De eerste resultaten tonen aan dat het verschil tussen geen en volledige samenwerking $ 160 M CAPEX is, dit is een reductie van 47%. The OPEX wordt gereduceerd met 86% tot $ 7.99 M en de jaarlijkse kosten (een combinatie van CAPEX en OPEX door de afschrijving mee te nemen) daalt met 74 % tot $19.1 M voor het gehele park. Omdat de voordelen van samenwerking hiermee zijn aangetoond, is de volgende stap om te bepalen hoe deze voordelen verdeeld moeten worden onder de eigenaren. De kosten allocatie structuur die gemaakt is met de Shapley waarde voor volledige samenwerking wordt getoond in de onderstaande tabel. In deze tabel wordt alleen de jaarlijkse kosten weergegeven omdat dit een samentrekking is van CAPEX en OPEX. Hierbij moet wel de kanttekening worden gemaakt dat de procentuele kostenverdeling er voor CAPEX en OPEX anders uitzien, wat aangeeft dat de eigenaren een ander aandeel hebben in deze kosten.
Eigenaar Jaarlijkse kosten [M $] Voordeel t.o.v. individueel opereren [%]
A 8.36 7
B 4.88 27
C 2.35 71
D 4.31 45
De eerste kolom van de tabel geeft aan hoe de $ 19.9 M aan jaarlijkse kosten in volledige samenwerking verdeeld moet worden onder de eigenaren, zodat elke eigenaar er baat bij heeft om deze samenwerking aan te gaan. De tweede kolom geeft de procentuele voordelen die de eigenaren hiermee halen ten opzichte van individueel werken, waarbij samenwerking binnen de centrales van eenn eigenaar aangenomen is.
De procentuele voordelen in OPEX en jaarlijkse kosten zijn erg hoog voor eigenaar C en D omdat zij de enige eigenaren zijn die een hogere prijs voor hun kolen betalen. Dit wordt veroorzaakt doordat zij kleine spelers zijn en dus kolen moeten importeren via Handymax en Panamax schepen, in plaats van Capesizes. De extra kosten hiervoor zijn in rekening gebracht en nemen ongeveer 50 % in van de jaarlijkse kosten voor deze eigenaren Aan de andere kant is het zo dat wachtgelden maar een kleine portie van de jaarlijkste kosten is, namelijk 0-5%.
De kosten allocatie structuur die bepaald is met de Shapley waarde, is significant anders dan een structuur die bepaald is door de kosten lineair te delen aan de hand van de grootte van de eigenaren. Deze structuur blijkt onuitvoerbaar te zijn omdat een samenwerkingsverband van (ABC), zonder D, meer voordelen geeft aan de eigenaren A, B en C dan een volledige samenwerking. Dit betekent dat als de kosten lineair verdeeld zouden worden onder de spelers in volledige samenwerking, de gecombineerde toegewezen kosten aan A, B en C, hoger zijn de kosten van een samenwerkingsverband (ABC), zonder D. Hierdoor is er voor A,B en C geen stimulans om de volledige samenwerking aan te gaan, terwijl deze wel gereduceerde kosten opleverd voor de terminal in zijn geheel. De Shapley waarde geeft betere resultaten, omdat de toegeweze kosten bij volledige samenwerking hierbij nooit uitstijgen boven de kosten van een andere samenwerking.
De resultaten van deze casus kunnen tot een bepaalde hoogte worden doorgetrokken tot generieke conclusies. De belangrijkste conclusie is dat samenwerking financiele voordelen geeft, maar ook dat er
een goede evaluatie van de situatie nodig is voordat er zomaar een samenwerking wordt aangegaan. Zo kan er worden geconcludeerd dat het primaire doel van samenwerking moet zijn om een grootte te creeren waarbij het haalbaar wordt om louter Capesize schepen binnen te halen. Hiermee kunnen de operationele kosten sterk worden gedrukt. Ook is laten zien dat wachtgelden voor schepen maar een klein deel van de operationele kosten genereren en daardoor niet de focus moet zijn van samenwerking. Ten slotte is laten zien dat de Shapley waarde een kosten allocatie structuur in import kolen terminals bepaald die het haalbaar maakt voor eigenaren op de terminal om een samenwerking aan te gaan. Dit in tegenstelling tot een lineaire kosten verdelings structuur.
