考慮碳價下限的燃煤發(fā)電碳減排投資及其政策分析

張新華，黃天銘，甘冬梅，葉 澤

（長沙理工大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，湖南 長沙 410114）

1 引言

全球氣候變暖是當今人類社會所面臨的最大挑戰(zhàn)之一。在氣候變暖的諸多原因中，人類活動排放的二氧化碳被認為是主要原因。中國《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》的總體目標為：到2020年，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2015年下降18%，碳排放總量得到有效控制，并將其作為約束性指標，納入了國民經(jīng)濟和社會發(fā)展規(guī)劃。研究機構(gòu)Carbon Brief根據(jù)最新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)推算：2018年我國二氧化碳排放總量約為100億噸，其中煤炭消費排放的二氧化碳為73億噸，而燃煤機組發(fā)電消耗的煤炭約占全社會煤炭消費一半以上，因此2018年燃煤發(fā)電排放二氧化碳36億噸以上。顯然，作為碳排放主要來源之一，分析和探討燃煤發(fā)電商的碳減排投資及其相關(guān)政策，對推動低碳電力市場的建立，實現(xiàn)國家碳減排宏觀政策的實施無疑具有重要的現(xiàn)實意義。

目前發(fā)電市場的碳減排途徑主要體現(xiàn)為發(fā)展清潔能源（如風電、太陽能光伏發(fā)電等）、對燃煤機組進行技術(shù)改造等兩方面。由于目前我國燃煤發(fā)電機組容量占55%以上（發(fā)電量占60%以上），而清潔能源發(fā)電機組的發(fā)電出力往往帶有隨機性，因此在確保電力供給前提下實現(xiàn)我國電力市場的碳減排目標，對現(xiàn)有燃煤機組進行技術(shù)改造，以降低單位電量碳排放水平尤為重要。本文將上述燃煤發(fā)電機組技術(shù)性改造支出稱為 “碳減排投資”。就目前電力市場實踐來看，碳減排投資包括發(fā)電機組檢修、燃煤處理工藝改造、關(guān)鍵設(shè)備更換等有利于降低單位發(fā)電量碳排放的技術(shù)性改造投資或安裝碳減排裝置（如CCS）等方面的投資。發(fā)電商碳減排投資的回報是減排的碳排放權(quán)在碳交易市場上的成交“價值”，可表示為碳價（單位碳排放權(quán)的市場價格）、上網(wǎng)電量及減排成本等變量的函數(shù)，而這些變量都是隨機變化的，因此燃煤發(fā)電商在進行碳減排投資決策時，需綜合考慮碳價等多重不確定性。對市場規(guī)制機構(gòu)而言，為實現(xiàn)總體的碳減排目標，針對上述不確定性因素，出臺燃煤發(fā)電碳減排投資激勵政策是必需的。在影響燃煤發(fā)電碳減排投資的因素中，燃煤發(fā)電商的上網(wǎng)電量受電力需求等眾多因素影響、碳減排成本是減排投資商的私有信息，因此規(guī)制機構(gòu)通過干預(yù)碳價來激勵燃煤發(fā)電碳減排投資成為一種選擇。

目前有關(guān)碳減排的文獻越來越多，其中燃煤發(fā)電商的碳減排投資（尤其是CCS投資）方面的文獻主要集中在以下幾方面：

一是從燃煤發(fā)電商的角度出發(fā)，針對不確定的外部因素，運用實物期權(quán)方法討論發(fā)電商的最優(yōu)碳減排投資策略。Abadie和Chamorro［1］假設(shè)碳價服從幾何布朗運動、電價服從均值回歸，針對西班牙電力市場分析發(fā)電商的碳捕獲與儲存（CCS）投資策略。Wang Xiping 和Du Lei［2］考 慮 碳 價、燃 料 價格、投資成本和政府補貼的不確定性，運用實物期權(quán)理論對現(xiàn)有火電CCS投資項目進行評價。Zhu Lei和Fan Ying［3］針對上網(wǎng)電價、碳價、投資成本和運行維護成本不確定的情況，討論CCS投資策略，并采用最小二乘蒙特卡羅（LSM）方法對復(fù)雜模型進行求解。Zhang Xian 等［4］提出碳價、政府激勵、設(shè)施年運行時間、機組生命周期、技術(shù)進步等不確定條件下的CCS投資決策模型。與上述文獻不同，考慮碳價的不確定性和隨機性，Walsh等［5］通過構(gòu)建實物期權(quán)數(shù)學(xué)模型，研究發(fā)電商CCS 投資的最優(yōu)時機。王素鳳等［6］分析了碳減排技術(shù)進步、電力價格、燃料價格、碳價、補貼政策和投資項目的碳減排率等不確定條件下的發(fā)電商碳減排投資決策。顯然上述文獻的分析范式是相似的，提出的投資模型的主要區(qū)別在于考慮的不確定因素是不同的，因此這些模型的具體求解過程和分析結(jié)果也是有差異的。

二是針對政策因素對低碳投資的影響，從鼓勵投資的角度提出政策建議。Fan Lin等［7］討論了碳管制政策不確定性下規(guī)避風險的發(fā)電商的產(chǎn)能投資策略。Zhou Wenji等［8］討論了政策對低碳技術(shù)投資的影響。針對碳減排不確定性下的最優(yōu)投資，Wang Mingxi等［9］的研究表明：在缺乏政策引導(dǎo)的情況下，單個發(fā)電商的投資將偏離最優(yōu)投資水平。Chen Huadong等［10］考慮碳市場和補貼政策的共同作用下，分析了發(fā)電補貼對中國燃煤電廠碳捕獲與封存改造投資和碳減排的影響。Cao Kaiying等［11］研究了總量管制和貿(mào)易政策以及低碳補貼政策對制造商生產(chǎn)和碳減排水平的影響，并探討了哪些政策對社會更有利。Zhang Mingming等［12］提出了一個估計可再生能源發(fā)電項目最優(yōu)補貼的實物期權(quán)模型，并利用項目價值和閾值來得到最優(yōu)補貼。此外，對碳減排政策的評價也有一些參考文獻，如Lu Liwei［13］。

三是關(guān)于我國的碳減排方面的討論，汪明月等［14］討論了合作減排，趙黎明和殷建立［15］討論了碳交易和碳稅，張新華等［16］考慮了碳調(diào)度模式下的減排投資策略，而程發(fā)新和邵世玲［17］討論了企業(yè)自主減排，黃守軍和楊?。?8］則討論了競爭性減排。

與上述研究不同的是，近年來有一些研究文獻關(guān)注碳價下限對低碳投資的影響。Wood 和Jotzo［19］比較了碳價格下限機制的三種情況。Egli和Lecuyer［20］分析了碳價下限對德國電力市場和可再生能源補貼的影響。Brauneis等［21］利用蒙特卡羅方法研究碳價格下限對低碳技術(shù)投資的影響，其中碳價格下限反映在碳價格樣本的路徑數(shù)據(jù)處理中。文獻［19-21］的研究結(jié)果表明：碳價下限政策可以促使發(fā)電廠更早地進行投資。對于中國未來的碳市場，Mo Jianlei等［22］討論了上網(wǎng)電價、碳價格下限和上限等因素對低碳能源投資的影響，以風力發(fā)電仿真為例的分析結(jié)果表明：現(xiàn)有的能源政策不足以支持風電投資，包括碳價下限的碳價穩(wěn)定機制可能激勵低碳能源投資。這一結(jié)果意味著，在中國未來的碳交易市場上，碳價下限政策未必會促使燃煤發(fā)電廠進行碳減排投資。

本文針對碳價、上網(wǎng)電量以及碳減排單位運維成本均隨機波動的情況，構(gòu)建考慮碳價下限的燃煤發(fā)電商碳減排投資實物期權(quán)模型。在此基礎(chǔ)上，針對某60萬千瓦燃煤發(fā)電機組，通過數(shù)值仿真考察碳價下限對碳減排預(yù)期投資時間的影響，并討論碳價初值、碳減排單位運維成本初值等對碳價下限政策激勵的有效性，比較碳價下限政策與直接投資補貼政策的優(yōu)劣。和現(xiàn)有相關(guān)文獻比較，本文在以下方面進行了創(chuàng)新性嘗試：（1）構(gòu)建了碳價、發(fā)電商上網(wǎng)電量、碳減排設(shè)施運維成本多重隨機波動情況下的碳價下限期權(quán)博弈模型；（2）討論了促使發(fā)電商碳減排“立即”投資的初始碳價和碳減排設(shè)施的單位運維成本初值條件，即考察了碳價下限政策對碳減排投資的有效性條件；（3）通過比較同一預(yù)期投資時間情況下所需的補貼資金大小，討論碳價下限和直接碳減排投資補貼的優(yōu)劣。

2 燃煤發(fā)電商碳減排投資模型

假定電力市場中二氧化碳排放權(quán)價格（碳價）、燃煤發(fā)電商的上網(wǎng)電量以及碳減排設(shè)施的單位運行維護費都是隨機波動變化的。

參考Abadie和Chamorro［1］，Zhang Mingming等［12］，Zhu Lei和Fan Ying［23］，Tian Lixin等［24］，假定碳價p c（元／噸）服從以下幾何布朗運動

其中μp＞0，σp＞0是漂移項和標準差，dz p是標準維納過程，dt為無限趨近零的時間間隔。類似地，基于Cardin等［25］和Pringles等［26］，假定發(fā)電商的上網(wǎng)電量q（k Wh）也服從以下幾何布朗運動

其中μq＞0，σq＞0 分別是漂移項和標準差，dz q是標準維納過程。進一步地，由Brauneis等［21］，假定燃煤發(fā)電商碳減排設(shè)施的單位運行維護費用c（元／噸）滿足如下變化過程：

其中μc＞0，σc＞0表示漂移項和標準差，dz c是標準維納過程。

燃煤發(fā)電商碳減排投資收益包括兩方面：一是如燃煤發(fā)電商不進行碳減排投資，則需要外購碳排放權(quán)，該購買成本可視為碳減排投資收益；二是可將多余的碳排放權(quán)外賣直接獲得收益。燃煤發(fā)電商碳減排投資利潤π（億元）可表示為：

上式中，p f＞c為碳排放權(quán)價格下限（元／噸），η（噸／千瓦時）為單位發(fā)電量通過碳減排設(shè)施減排的二氧化碳，τ為企業(yè)所得稅率。因此，發(fā)電商的碳減排投資價值函數(shù)V滿足：

式中，E（·）表示取期望，r為無風險利率。由Huisman 等［27］，將式（4）代入式（5），則有：

求解上式，則有

在p c＞p f情況下，若燃煤發(fā)電商不進行碳減排投資，則其持有投資期權(quán)的價值函數(shù)F（p，q，c）滿足：

式中，D，D1為待定系數(shù)。顯然，當p c=c，即ζ=1時，F(xiàn)=0，因此有D+D1=0，因此燃煤發(fā)電商的碳減排投資期權(quán)函數(shù)為：

由實物期權(quán)理論，在投資閾值點ζ*，滿足：

式中，I為燃煤發(fā)電商的碳減排投資額?；喩鲜剑从校?/p>

將式（8）代入上式，整理則有：

顯然，式（11）給出了燃煤發(fā)電商碳減排投資閾值條件，即投資閾值由碳價，上網(wǎng)電量q*以及碳減排設(shè)施運維成本c*共同決定，并且與碳價下限p f等參數(shù)有關(guān)。

3 碳減排投資模型分析

顯然，當碳價p c（t）≥，上網(wǎng)電量q（t）≥q*或碳減排設(shè)置單位運維成本c（t）≤c*時，燃煤發(fā)電商將進行碳減排投資，否則將持有投資期權(quán)，待式（11）表示的閾值條件滿足后再進行投資。由于式（11）給出的表達式相對復(fù)雜，為直觀地討論碳價下限政策對碳減排投資的激勵作用，下文針對某60萬千瓦燃煤機組進行數(shù)值分析，相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 基本參數(shù)表

表1中參 數(shù) 參 考 了Brauneis 等［21］，Tian Lixin等［24］，Cardin 等［25］，Pringles 等［26］，Mo Jianlei和Zhu Lei［29］。

將表1中相關(guān)參數(shù)代入式（11），則可得到燃煤發(fā)電商碳減排投資閾值對應(yīng)的上網(wǎng)電量、碳價以及碳減排設(shè)施的單位運維成本之間的關(guān)系。圖1給出了p c≥p f=40時的p*c-q*關(guān)系曲線，圖中從上至下依次為c=30，15，5三種情況。

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圖1 碳減排投資閾值條件下p*c -q* 關(guān)系曲線

圖1中水平虛線為q*=15億千瓦時，其與c=5，15，30三條曲線相交于=49.7，69.8，96.0，也就是說：當c=5，15，30時，若＜49.7，69.8，96.0元／噸，則燃煤發(fā)電商不會進行碳減排投資。

從圖1 可看出：（1）當碳減排單位成本c一定時，隨碳價的上漲，以燃煤發(fā)電商上網(wǎng)電量為標志的碳減排投資閾值逐步遞減；（2）減排單位成本c與碳減排投資閾值正向變化，其對閾值的影響隨碳價的遞增而遞減，當碳價遞增到一定程度，碳減排單位成本對投資閾值幾乎沒有影響。

3.1 碳價下限對碳減排預(yù)期投資時間的影響

若設(shè)p c（t）的初值為p c0，其達到投資閾值p*c的時間為t s，由Rhys等［29］，有：

因此有：

其中，q0，c0為q（t），c（t）的初值，q*，c*為投資閾值。將式（12）（13）代入式（11），則可得到碳減排投資的期望時間E（ts）=ts（p f，p c0，q0，c0）。圖2給出了c0=15，q0=15且p c0=35，45，55，65，75情況下，碳減排投資預(yù)期時間E（ts）隨碳價下限p f的變化曲線。

圖2 碳減排期望投資時間隨碳價下限變化曲線

從圖2中可以看出：（1）隨著碳價下限p f的遞增，燃煤發(fā)電商的預(yù)期投資時間E（ts）隨之遞減，也就是說，碳價下限支持政策可能會激勵燃煤發(fā)電商提早進行碳減排投資。（2）圖中p c0=35，45兩種情況下的E（ts）曲線與橫坐標軸沒有交點（E（ts）=0），因此實施碳價下限支持政策無法激勵燃煤發(fā)電商立即進行碳減排投資。（3）當p c0=55，65，75時，則可通過碳價下限政策激勵燃煤發(fā)電商立即進行投資；若記E（ts）=0與橫坐標軸交點對應(yīng)的碳價下限為，則隨碳價初值p c0的遞增而遞減。

3.2 碳價下限對碳減排投資激勵的有效性討論

圖2分析結(jié)果表明：碳價下限政策能否有效激勵燃煤發(fā)電商提早進行碳減排投資，與碳價初值等因素有關(guān)，即若碳價初值過低，即使有更高的碳價下限，也無法激勵發(fā)電商在預(yù)期的時間內(nèi)進行投資。

進一步地，圖3給出了c0=15時，燃煤發(fā)電商立即投資（即E（ts）=0）情況下，碳價初值與碳價下限的關(guān)系曲線。圖中高于=p c0的粗虛線表示當碳價下限高于該虛線值時，碳價下限政策不再有激勵作用，該虛線對應(yīng)圖2中類似p c0=35，45情況下曲線的最右端點值。

圖3 激勵碳減排立即投資的碳價下限

圖4中從左至右依次給出了c0=5，15，30情況下，燃煤發(fā)電商立即投資情況下碳價下限隨著碳價初值的變化曲線。從圖中可得：（1）當c0=5時，當碳價初值42.5＜p c0＜57.0時，碳價下限激勵是有效的，并隨碳價初值的遞增，有效的碳價下限從=42.5逐步遞減至零。（2）當c0=15時，當碳價初值53.45＜p c0＜80.0時，碳價下限激勵是有效的，并隨碳價初值的遞增，有效的碳價下限從=53.45逐步遞減至零。（3）當c0=30時，當碳價初值69.92＜p c0＜120.0時，碳價下限激勵是有效的，并隨碳價初值的遞增，有效的碳價下限從=69.92逐步遞減至零。

圖4 不同減排成本情況下，激勵發(fā)電商立即投資的碳價下限隨碳價初值的變化曲線

圖4表明：碳價下限對碳減排投資的激勵是否有效與碳價初值p c0和碳減排成本初值c0有關(guān)。在圖4基礎(chǔ)上，通過考察更多的單位碳減排成本初值情況，則可以得到如圖5所示的碳價下限政策實施的有效區(qū)域。

圖5 碳價下限政策實施的碳價初值與減排成本初值有效區(qū)域

圖5中兩條遞增的曲線將平面分為3個區(qū)域，不妨稱上面的曲線為上確界，下面的曲線為下確界，則有：（1）當碳價初值高于上確界時，即使沒有實施碳價下限支持政策，燃煤發(fā)電商也會立即進行碳減排投資；（2）當碳價初值低于下確界時，碳價下限支持政策無法激勵燃煤發(fā)電商立即進行碳減排投資；（3）當且僅當碳價初值處于圖5中上確界和下確界圍成的區(qū)域，碳價下限激勵政策才有效的，即可通過碳價下限的調(diào)整來誘導(dǎo)燃煤發(fā)電商的預(yù)期碳減排投資時間。

4 碳價下限與直接碳減排投資補貼政策的比較

實施碳價下限支持政策的目的是激勵燃煤發(fā)電商提早進行碳減排投資，而維持碳價下限政策需要政府進行補貼，即當碳價波動到低于碳價下限時，政府通過補貼將碳價維持在碳價下限處。實施碳價下限支持政策預(yù)期要補貼的資金貼限值為BT1為：

類似地，實施稅收優(yōu)惠政策政府少收的稅收貼現(xiàn)值T x為：

顯然，式（14）（15）都很難得到解析解，因此不妨采用Monte Carlo方法，對p c（t），c（t），q（t）分別抽樣N 次，然后分別代入式（14）（15），針對Ω1和Ω2區(qū)間計算每一條樣本路徑上的BT1或T x，并將其均值作為BT1和T x的估計值。

圖6給出了N=10000，p c0=60，c0=15時，政府總補貼額隨燃煤發(fā)電商預(yù)期投資時間的變化曲線。圖中從上至下依次為κ=0，0.4，1.0情況下直接投資補貼額（政府直接對燃煤發(fā)電商的碳減排投資額進行補貼，相應(yīng)的稅收優(yōu)惠按式（15）估算）與預(yù)期投資時間的關(guān)系曲線，最下面的遞減曲線為碳價下限支持政策下補貼額（按式（14）估算）與預(yù)期投資時間的關(guān)系曲線。

圖6 不同政策下發(fā)電商預(yù)期投資時間與總補貼額關(guān)系

圖6表明：（1）不論在哪種支持政策（碳價下限或直接投資補貼）下，若激勵發(fā)電商越早投資，需要的政策性補貼越多；或者說，若沒有政府補貼，發(fā)電商會延遲一段時間后才進行碳減排投資。（2）相對于直接投資補貼政策，碳價下限支持政策有明顯的節(jié)省補貼金額的優(yōu)勢，但這種優(yōu)勢隨預(yù)期投資時間的遞增而遞減。（3）若直接投資補貼與稅收優(yōu)惠政策同時實施，免稅政策（τ=0）既能節(jié)省補貼資金也能激勵燃煤發(fā)電商盡早進行碳減排投資。

5 結(jié)語

論文假定碳價、燃煤發(fā)電商的上網(wǎng)電量、碳減排設(shè)施的單位運維費用服從幾何布朗運動，構(gòu)建考慮碳價下限政策的發(fā)電商碳減排投資實物期權(quán)模型，基于模型的求解，針對某60萬燃煤發(fā)電機組相關(guān)技術(shù)參數(shù)，考察碳價下限對燃煤發(fā)電商碳減預(yù)期投資時間的影響，并討論碳價下限政策實施的有效區(qū)域，然后從節(jié)省補貼資金角度比較碳價下限與碳減排投資直接補貼的優(yōu)劣。論文分析結(jié)果表明：一是碳價下限能否激勵燃煤發(fā)電商進行碳減排投資，與碳價初值和單位碳減排成本初值等參數(shù)有關(guān)：1）在有效區(qū)域內(nèi)，通過碳價下限的調(diào)整可調(diào)節(jié)碳減排投資的預(yù)期時間；2）當碳價初值高于有效區(qū)域時，即使沒有碳價下限政策，燃煤發(fā)電商也會進行碳減排投資；3）當碳價初值低于有效區(qū)域，即使實施碳價下限，也無法激勵燃煤發(fā)電商在預(yù)定時間內(nèi)進行碳減排投資。二是相對于碳減排投資直接補貼政策，碳價下限支持政策能顯著節(jié)省補貼資金；而對直接補貼政策而言，同時免稅既能節(jié)省補貼資金也更能激勵燃煤發(fā)電商進行碳減排投資。

我國的碳交易市場尚處于起步階段，對市場規(guī)制機構(gòu)（政府）而言，如何激勵燃煤發(fā)電商進行碳減排投資，對完成國家的宏觀減排目標尤為重要。本文的研究結(jié)論對激勵性碳減排政策的出臺有以下幾方面的啟示：

一是相對于直接的碳減排投資補貼政策，從節(jié)省政府補貼資金角度來看，應(yīng)優(yōu)先推行碳價下限政策，但實施碳價下限政策的前提是測算碳價下限政策實施的有效區(qū)域。

二是碳價初值與碳減排設(shè)施的單位維護運行成本決定碳價下限政策是否有效，而碳價隨時間波動，因此選擇合適的碳價下限政策實施時機是必需的。

三是在碳價較低的情況下，可推行低運行維護成本的碳減排投資，而在碳價較高情況下推行碳價下限政策，則可推行運維成本較高的碳減排投資項目。