基于碳交易的碳捕集電廠不同策略研究

李星朗，陳躍輝

(1．長沙理工大學，湖南長沙 410076;2．湖南省電力公司，湖南長沙 410007)

CO2是導致全球氣候變暖最主要的溫室氣體，中國是當前世界最大的溫室氣體排放國之一，目前還是主要碳排放權出口國。等到后京都時代，中國極有可能承擔CO2減排義務，勢必成為碳排放權進口國。因此，應及早謀劃，建立國內(nèi)碳排放交易中心，為以后在碳排放權定價爭奪更多話語權。

其中，電力行業(yè)作為國民經(jīng)濟中最大的CO2排放部門，占總排放量的38.76%〔1〕。中國電力生產(chǎn)所利用的一次能源以煤炭為主，電源結(jié)構(gòu)的70%以上由煤電組成，發(fā)電機組往往具有較長的服役年限，這就使得中國電力行業(yè)具有很強的碳鎖定效應，即未來相當長一段時間內(nèi)，電力行業(yè)的CO2排放將被當前的電源結(jié)構(gòu)所“鎖定”〔2-3〕。因此，必須積極推進碳捕集和封存 (carbon capture and storage，CCS)電廠建設。

所謂CCS技術，就是將CO2從排放源的氣體中分離出來，輸送到安全的封存地點，從而實現(xiàn)其與大氣的長期隔絕〔4〕。在電源結(jié)構(gòu)占主力地位的傳統(tǒng)火力發(fā)電廠中引入CCS技術，使其成為碳捕集電廠〔6〕，可實現(xiàn)大規(guī)模、高效率的碳減排，具有廣闊的應用前景?，F(xiàn)階段，傳統(tǒng)大規(guī)模燃煤火電廠缺乏經(jīng)濟激勵機制，不愿進行CCS改造，除非建立國內(nèi)統(tǒng)一的碳交易中心，政府按某種規(guī)則分配碳排放配額后，依靠市場機制完善碳排放權交易，電廠才有動力進行CCS改造或新建CCS電廠。文章從碳排放權交易角度出發(fā)，分析CCS電廠在不同碳交易階段的應對策略。

1 碳交易

1.1 碳交易背景

隨著全球溫室效應和氣候變暖問題的日益嚴重，CO2的減排受到了人們的重視。在全球變暖的大環(huán)境下，我國也不能幸免，氣候變化劇烈，影響了社會經(jīng)濟的發(fā)展。同時，國際社會的高度關注和一系列措施也很大程度地反映出了這一問題的嚴重性。我國作為《京都議定書》的簽字國，雖然目前并沒有減排的義務，但是為了在后京都時代能順利與國際市場接軌，實現(xiàn)低成本、高效率的碳排放權交易，減輕這一階段的減排壓力，迫切需要建立一個全國性的碳交易市場。

1.2 國外碳排放權交易市場

《京都議定書》的減排目標使溫室氣體產(chǎn)生了價值。碳市場可以分為兩大類:以項目為基礎的碳信用交易和排放許可證交易2種市場?；陧椖康奶际袌鍪侵盖鍧嵃l(fā)展機制CDM(Clean Development Mechanism)，是《京都議定書》中唯一涉及到發(fā)展中國家的一種機制?；谂漕~的碳交易是指買家在“限量與貿(mào)易”體制下購買由管理者制定、分配 (或拍賣)的減排配額，譬如《京都議定書》下的分配數(shù)量單位 (AAU)或者歐盟排放交易體系 (EUETS)下的 (EUAS)。主要有四大機構(gòu):歐盟排放貿(mào)易體系、澳洲新南威爾士體系、芝加哥氣候交易所 (CCX)和英國排放體系。

1.3 引入碳排放權交易的必要性

(1)建立碳排放權交易市場，有利于增強我國議價能力。CDM是《京都議定書》中所提出的碳排放交易機制中唯一涉及發(fā)展中國家的，目前CDM市場主要是買方市場，中國作為賣方市場的項目業(yè)主，由于缺乏定價中心，議價能力弱，處于劣勢，歐美發(fā)達國家主要掌握排放權交易的話語權。因此，中國必須構(gòu)建一個完善的碳交易市場，吸收更多國家參與我國清潔能源發(fā)展機制項目合作，增加有效需求，通過市場發(fā)現(xiàn)價格，改變國內(nèi)碳排放權價格弱勢地位，保護我國參與項目的企業(yè)利益。

(2)建立碳排放權交易市場，以應對國際壓力。中國是當前世界最大的溫室氣體排放國之一，雖然目前中國并不需要承擔減排義務，但在2012年《京都議定書》到期后，國際社會很可能啟動一個新的國際機制來控制CO2排放，屆時，中國開始承擔減排義務的可能性很大。因而，中國建立碳排放權交易市場，讓更多的國內(nèi)企業(yè)提前介入國際節(jié)能減排活動，熟悉運作模式，可以降低今后直接參與減排國際公約、承擔具體減排指標所造成的沖擊。同時，開展國際標準化的碳排放權交易，有利于學習和探索交易所組織結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、交易產(chǎn)品設計、交易制度安排等問題，為中國全面參與國際碳交易做好準備。

1.4 建立國內(nèi)碳排放權交易市場的2個基本原則

1.4.1 總量控制

首先，建立全國統(tǒng)一的基于配額交易的碳排放權交易中心，國內(nèi)碳排放權交易應建立在總量控制的前提下，總量控制是指根據(jù)國家環(huán)境質(zhì)量標準和區(qū)域環(huán)境容量，計算出1年內(nèi)一定區(qū)域內(nèi)CO2允許排放總量，并將其分配到整個地區(qū)，暫且以省為區(qū)域劃分單位。

由國家對各省規(guī)定碳排放總量，各省再將具體額度按某種規(guī)則分配給企業(yè)。每一家企業(yè)都分配了一定數(shù)量的排放配額，每一個配額代表著允許排放1 t CO2。如果企業(yè)實際排放量低于各地政府分配給的額度，則可以把多余的配額拿到市場上出售，獲取經(jīng)濟利益。如果年末企業(yè)實際排放量超過各地政府分配給的額度上限，則需要到市場上購買在數(shù)量上等于超出部分的排放許可配額。如果企業(yè)不能或不愿購買減排量來彌補超額排放的指標，那政府就對企業(yè)實施罰款。

1.4.2 初始分配〔9-11〕

碳排放權初始分配有如下幾種方式:免費分配、定價出售、公開拍賣和基于期權機制的分配方式。定價出售和公開拍賣都是對環(huán)境外部性的內(nèi)部化，從企業(yè)的角度出發(fā)，企業(yè)抗拒定價出售和公開拍賣，因為要付出一定的成本，從國家的角度看，任何一個國家設立碳排放權交易制度的初衷，都是在總量上控制碳排放，而并非通過出售碳排放權來獲取利益。因此，從表面上看，免費分配是碳排放權初始分配的最佳方式，然而免費分配和公開拍賣、定價出售相比，不能為碳排放權的二次交易提供定價基礎，當企業(yè)無償從政府獲得足夠的免費分配的碳排放權配額后，出于對碳排放權回購的擔憂，通常不愿意出售多余的碳排放權配額。他們通常很少參與甚至拒絕碳排放權的二次交易，這就造成了碳排放權交易量不足和活躍性不夠，無法形成大規(guī)模的現(xiàn)貨市場，期貨市場也無從談起。

期權是指對特定對象物的選擇權，具體地說，就是期權擁有者在將來某一時間以約定價格買入或賣出一定數(shù)量標的資產(chǎn)的選擇權。期權是選擇權，而不是義務。在引入期權機制的碳排放權交易市場上，國家初始分配給企業(yè)在特定時刻購買和使用碳排放權配額的選擇權，而不是在一開始就履行某種義務來購買一定數(shù)量的碳排放權配額。

期權機制的引入，消除了碳排放權初始分配后進入二次交易的主要壁壘，又在很大程度上規(guī)避了碳排放權交易的風險。實際上，由于碳排放權期權賦予了期權所有者在某一特定時刻以某一價格購買碳排放權配額的權力，并允許期權所有者隨時執(zhí)行該項期權，因此，碳排放權期權屬于美式看漲期權。碳排放權期權中紅利是不存在的，不發(fā)紅利的美式看漲期權在實質(zhì)上相當于歐式看漲期權。期權價格可用基于碳排放權價格的Black-Scholes公式確定:

其中:

式 (1)中 C表示期權價格;N(d)為正態(tài)分布變量的累積概率分布函數(shù)，對于給定變量d，服從標準正態(tài)分布N(0，1)的概率;St為碳排放權配額的市場價格，不應低于初次分配時社會治理單位碳排放量的平均成本;X為碳排放權期權的執(zhí)行價格;T為碳排放權期權的到期期限，政府在每年年初確定以定價方式出售的碳排放權期權和碳排放權配額，并且規(guī)定每份期權的最后執(zhí)行期限為當年年末，即期權的有效期為1年;r為無風險連續(xù)年復利，1年期可用銀行儲蓄存款利率來代替;σ為碳排放權配額的實際市場價格的波動率 (一般采用年波動率)，從碳排放權交易的歷史數(shù)據(jù)中獲取收益率的標準差來計算波動率，假設由歷史數(shù)據(jù)計算得到的周波動率為0.01，取1年中交易周數(shù)為n=50周，年波動率σ =0.01×=0.071。

1.5 國內(nèi)碳排放權交易市場的2個階段

1.5.1 發(fā)展階段

在正確計算碳排放總量、合理分配碳排放權、建立全國統(tǒng)一的碳排放權交易中心和各省碳交易監(jiān)管所后，政府就可以建立碳交易現(xiàn)貨交易市場了。

交易對象為碳排放權，交易主體是具有碳排放權的政府、企業(yè)、交易中心和投資商，以現(xiàn)貨交易為主，即雙方共同協(xié)商簽訂協(xié)議，交貨時間、地點、方式、數(shù)量、質(zhì)量和價格，碳排放權配額有節(jié)余和配額不夠用的企業(yè)均可通過交易中心聯(lián)系，進行一對一的談判，達成買賣的意向，實現(xiàn)交易。

1.5.2 成熟階段

當現(xiàn)貨市場發(fā)展到一定階段后，可以建立以現(xiàn)貨交易為基礎、期貨交易為主的市場體系，期貨市場具有兩大功能: “價格發(fā)現(xiàn)”和“規(guī)避風險”。當現(xiàn)貨市場碳排放權價格波動頻繁，風險厭惡者可以利用期貨套期保值規(guī)避風險，即對于需要碳排放權的企業(yè)，當其確定了所缺的碳排放權的數(shù)量后，一方面可以向市場上發(fā)布需求信息，另一方面可在期貨市場上賣出等量同種類的碳排放權來降低現(xiàn)貨市場的交易風險。

對于擁有碳排放權余量的企業(yè)，一方面應向市場上發(fā)布所擁有碳排放權的信息，另一方面在期貨市場上買入等量同種類的碳排放權來降低現(xiàn)貨市場的交易風險。

在碳交易中心設立碳期貨交易所，交易主體有套期保值者和投機者，交易對象為碳排放權期貨合約，交易單位取1000t CO2/張，交易流程為開戶—下單—競價—成交回報和確認—結(jié)算—交割，其中保證金取合約價值的10%，交割方式以現(xiàn)金交割，期貨合約交易月份為每年的12個月。

2 碳捕集電廠

2.1 碳捕集電廠的運行機制

在傳統(tǒng)火電廠原有發(fā)電設備上，引入單獨的碳捕集系統(tǒng)，即為碳捕集電廠。CO2捕集的技術路線主要有3類:燃燒后脫碳、燃燒前脫碳、富氧燃燒脫碳。其中燃燒后脫碳技術很成熟，原理簡單，對電廠燃燒后的煙氣實施CO2的分離與捕集，捕集裝置往往處于煙氣排放的“下游”，不改變電廠原有的發(fā)電流程，適用范圍廣，可運用于現(xiàn)有的絕大多數(shù)電廠。

在火電廠運行中捕集CO2需耗費較大的能量，碳捕集能量主要來自于從發(fā)電循環(huán)抽取蒸汽或直接利用廠用電，將導致發(fā)電效率的下降，它由2個部分組成，一部分與碳捕集系統(tǒng)運行狀態(tài)無關，屬于固有能耗，另一部分與所捕集CO2的量成正比，屬于運行能耗。從現(xiàn)有技術條件看，碳捕集能量一般要占電廠發(fā)電功率的1/5左右。

由于固有能耗的存在，相比普通火電廠，碳捕集電廠最大凈出力有所減少，而最小凈出力有很大的減少:

式中 gCCmax表示碳捕集電廠的最大凈出力;gCCmin為碳捕集電廠的最小凈出力;gmax為煤炭等化石燃料按一定的轉(zhuǎn)換效率，通過發(fā)電循環(huán)輸出的最大電能;gmin為煤炭等化石燃料按一定的轉(zhuǎn)換效率通過發(fā)電循環(huán)輸出的最小電能;gCCM表示碳捕集系統(tǒng)的固有能耗;eG為單位電量的碳排放強度;λGE為捕集單位CO2所消耗的熱功率;βCC為電廠的碳捕集水平，從現(xiàn)有的技術條件看，βCC的取值范圍為85% ～90%。

與一般火電廠相比，碳捕集電廠具有更大的下調(diào)峰深度和更快的調(diào)峰響應速度。以rCCG與rG分別表示碳捕集與一般火電機組的調(diào)峰深度 (即最大最小出力的比值)，由于gCCM遠小于gmax，則根據(jù)式 (2)，可得

式 (3)的分母小于1，即有rCCG＞rG，碳捕集電廠的調(diào)峰深度得到了提高，而良好的下調(diào)峰深度有利于解決大規(guī)模風電并網(wǎng)產(chǎn)生的調(diào)峰問題〔7〕。

2.2 碳捕集電廠應對策略

從市場機制出發(fā)，國內(nèi)碳排放權初始分配可以考慮“定價出售+期權”的方式。每年1月，電廠可以預測當年的基荷，以固定價格來購買正常生產(chǎn)所需現(xiàn)貨形式的配額，對于當年最大負荷月，在年初簽訂期權合約來購買峰荷配額，期權期限為1年。又考慮到火電廠進行CCS改造，初期投資較大，企業(yè)資金不足以及碳捕集電廠對CO2減排發(fā)揮的不可替代的作用，從國家扶持和鼓勵碳捕集電廠角度出發(fā)，對于申請CCS改造或新建CCS電廠并提交設計方案書的企業(yè)，初期采取“免費60%+期權”的分配方式，其中，免費60%是指CCS改造后的碳捕集電廠當年正常生產(chǎn)所需現(xiàn)貨形式配額的60%，嚴禁免費配額轉(zhuǎn)讓，只提供1年，從碳捕集電廠投產(chǎn)運行日開始計算。交易中心相關監(jiān)管機構(gòu)監(jiān)督企業(yè)進行CCS改造，如未按設計方案書規(guī)定日期完成CCS改造的電廠，交易中心有權收回免費配額。

初始分配方式不同，導致燃煤火電廠分化，部分老火電廠或規(guī)模較小的火電廠選擇“定價出售+期權”方式，新建碳捕集火電廠或進行CCS改造的大規(guī)?；痣姀S選擇“免費60%+期權”方式，碳捕集電廠的運行方式比普通火電廠更靈活，碳捕集水平為85% ～90%〔7〕。當現(xiàn)貨市場碳配額價格高于發(fā)電收益或處于負荷低谷時，加大CO2捕集力度，減少發(fā)電量，出售多余的碳排放權;當現(xiàn)貨市場碳配額價格低于發(fā)電收益或處于負荷高峰時，減少CO2捕集力度，增加發(fā)電量，使用碳排放權。捕集的碳還可用于食品加工和工業(yè)應用獲益。

進行CCS改造后的火電廠投產(chǎn)1年后，如未選擇期貨市場，一旦現(xiàn)貨市場碳排放權價格波動，將制約電廠收益，如果選擇期貨市場套期保值，利用現(xiàn)貨和期貨2個市場的關系，在2個市場上進行數(shù)量相同但交易方向相反的交易，建立一種相互沖抵的機制來規(guī)避風險，減少CCS電廠損失。

3 結(jié)論

低碳經(jīng)濟給電力行業(yè)帶來挑戰(zhàn)，“十二五”已將碳排放作為約束性指標納入規(guī)劃中，而目前中國以煤電為主的格局不會改變，只有積極開展碳交易，同時對傳統(tǒng)火電廠進行碳捕集改造和新建碳捕集電廠，才能真正有效地減少電力行業(yè)的碳排放。

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