電力行業(yè)碳排放權(quán)的初始分配機(jī)制

宋旭東，莫 娟，向鐵元

（武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072）

0 引言

人類生存和發(fā)展所產(chǎn)生的CO2排放已經(jīng)成為日益嚴(yán)重的環(huán)境問題。發(fā)達(dá)國家所推行的“總量管制與排放交易”的措施能夠在限制CO2排放的同時(shí)，利用市場作用吸引資金流向低碳產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)低碳化可持續(xù)發(fā)展。而推行該方案的關(guān)鍵在于如何分配碳排放權(quán)［1-4］。電力行業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)中最大的CO2排放部門，占總排放量的38.76%。因此，低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代下，電力行業(yè)尤其是發(fā)電企業(yè)，如何合理分配碳排放權(quán)將顯得尤為重要。

文獻(xiàn)［5-6］從發(fā)展中國家的角度出發(fā)，提出“2個(gè)趨同”的碳排放權(quán)分配方法，保障了發(fā)展中國家的合理發(fā)展權(quán)；文獻(xiàn)［7］針對(duì)退出和進(jìn)入歐洲排放交易體系 EUETS（European Union Emission Trading System）的企業(yè)，提出了一種10年期的分配規(guī)則；文獻(xiàn)［8］提出以產(chǎn)量和排放量為基礎(chǔ)的隨時(shí)更新的分配規(guī)則；文獻(xiàn)［9］提出了一種可調(diào)的碳排放權(quán)分配機(jī)制，最大限度地減弱市場力的作用；文獻(xiàn)［10］采用基于歷史排放量和歷史產(chǎn)量2種分配規(guī)則，對(duì)比研究澳大利亞電力市場環(huán)境下，碳交易帶來的潛在收益和補(bǔ)償對(duì)發(fā)電企業(yè)的影響。

基于上述研究成果，同時(shí)考慮到碳排放權(quán)的性質(zhì)和作用，結(jié)合我國電力行業(yè)的特色，本文對(duì)我國電力行業(yè)的碳排放權(quán)分配機(jī)制進(jìn)行深入研究。

1 基于區(qū)域比較的兩級(jí)分配機(jī)制

1.1 碳排放權(quán)的分配原則

碳排放權(quán)作為一種環(huán)境資源，屬于全人類共有，人人享有相同的碳排放權(quán)以及實(shí)現(xiàn)相同生活質(zhì)量所必須的碳排放權(quán)。而作為一種稀缺資源，碳排放權(quán)必須優(yōu)化配置，以高效為前提，最大限度地創(chuàng)造價(jià)值。因此，碳排放權(quán)分配的總原則是公平和效率［11-13］。

1.2 基于區(qū)域比較的兩級(jí)分配機(jī)制的原理

目前電力行業(yè)關(guān)于碳排放權(quán)的分配方式并沒有考慮我國各區(qū)域電力行業(yè)發(fā)展程度的差異以及區(qū)域間發(fā)電資源分布的不均衡。單純地從效率和效益角度進(jìn)行碳排放權(quán)的分配，將使得電力發(fā)展落后以及發(fā)電資源貧乏的區(qū)域，由于發(fā)達(dá)以及發(fā)電資源豐富區(qū)域大量的CO2排放，而承受與之相同的CO2減排約束。這種分配方式將進(jìn)一步抑制前者的電力發(fā)展，不能保障該區(qū)域合理的發(fā)展權(quán)，無法體現(xiàn)公平性［14-15］。

因此，結(jié)合EUETS的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在我國實(shí)行強(qiáng)制CO2減排政策、政府免費(fèi)分配碳排放權(quán)的前提下，提出基于區(qū)域比較的兩級(jí)分配機(jī)制。該分配機(jī)制原理如圖1所示。

圖1 基于區(qū)域比較的兩級(jí)分配機(jī)制示意圖Fig.1 Schematic diagram of two-level allocation mechanism based on regional comparison

如圖1所示，基于區(qū)域比較兩級(jí)分配的碳排放權(quán)分配機(jī)制借鑒“2個(gè)趨同”的分配思想（即在趨同目標(biāo)年實(shí)現(xiàn)相同的人均碳排放權(quán)和從趨同基準(zhǔn)年算起到趨同目標(biāo)年實(shí)現(xiàn)相同的人均積累碳排放量），并對(duì)各區(qū)域內(nèi)發(fā)電資源的分布情況進(jìn)行協(xié)調(diào)，同時(shí)考慮區(qū)域內(nèi)各類發(fā)電資源的發(fā)電效率和效益，實(shí)現(xiàn)碳排放權(quán)的合理分配。該機(jī)制的原理如下。

a.區(qū)域間的一級(jí)分配。

假設(shè)人均GDP與區(qū)域發(fā)展水平正相關(guān)。在電力行業(yè)范疇內(nèi)，將全國劃分為多個(gè)區(qū)域。根據(jù)人均GDP將各區(qū)域降序排列；將排名在待分配碳排放權(quán)的目標(biāo)區(qū)域的前一位區(qū)域作為比較區(qū)域；以比較區(qū)域在達(dá)到目標(biāo)區(qū)域的人均用電量時(shí)，所產(chǎn)生的人均碳排放量（本文均指人均碳排放量的電力部分）作為目標(biāo)區(qū)域分配碳排放權(quán)的依據(jù)；同時(shí)，根據(jù)各區(qū)域發(fā)電資源（主要考慮清潔發(fā)電資源）的分布情況，將碳排放權(quán)按資源分布的比例，從發(fā)電資源豐富的區(qū)域讓渡一部分給發(fā)電資源貧乏的區(qū)域；此外，與排名第一的區(qū)域比較，考慮歷史積累的碳排放量。

b.區(qū)域內(nèi)的二級(jí)分配。

區(qū)域內(nèi)的二級(jí)分配，以區(qū)域總體的發(fā)電經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)進(jìn)行碳排放權(quán)的二次分配，即考慮不同發(fā)電類型發(fā)電機(jī)組的發(fā)電成本、發(fā)電效率和低碳效益，形成區(qū)域發(fā)電經(jīng)濟(jì)成本的最小值優(yōu)化問題。其中，碳排放權(quán)按發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量比例進(jìn)行分配［16］。

總之，一級(jí)分配能夠保證區(qū)域發(fā)展的公平性，以比較區(qū)域?yàn)閰⒖歼M(jìn)行碳排放權(quán)的分配能夠在一定程度上引導(dǎo)目標(biāo)區(qū)域的優(yōu)化發(fā)展；二級(jí)分配有利于推進(jìn)清潔能源、高效發(fā)電機(jī)組和低碳電力技術(shù)的發(fā)展，引導(dǎo)和加速低效高耗能發(fā)電機(jī)組的淘汰。因此，基于區(qū)域比較的兩級(jí)分配機(jī)制能夠充分體現(xiàn)碳排放權(quán)分配的公平性和效率性原則。

2 基于區(qū)域比較的兩級(jí)分配機(jī)制建模

根據(jù)第1節(jié)基于區(qū)域比較的兩級(jí)分配機(jī)制的原理，可將模型分為2塊：區(qū)域間的一級(jí)分配模型和區(qū)域內(nèi)的二級(jí)分配模型。

2.1 一級(jí)分配模型

假設(shè)在電力行業(yè)范疇內(nèi)，將全國劃分為N個(gè)區(qū)域，則區(qū)域i的碳排放權(quán)一級(jí)分配模型如式（1）所示：

該分量從區(qū)域發(fā)展的角度，保障各區(qū)域的合理發(fā)展權(quán)和各區(qū)域人均享有相同發(fā)展時(shí)期同等碳排放量的權(quán)利。

若cp=i，則表明區(qū)域i為最發(fā)達(dá)區(qū)域。此時(shí)，區(qū)域i以給定的目標(biāo)年人均碳排放權(quán)為目標(biāo)，實(shí)行遞減分配，則有：

第t年區(qū)域i由于清潔發(fā)電資源缺乏而需要增加的化石類能源發(fā)電裝機(jī)容量為：

該分量從資源分布和人均共享資源的角度，使得清潔發(fā)電資源豐富的區(qū)域向匱乏的區(qū)域按資源比例讓渡合理的碳排放權(quán)，保障了各區(qū)域?qū)τ谇鍧嵃l(fā)電資源公平使用的權(quán)利。

該分量的作用在于均衡各區(qū)域的人均積累碳排放量，保障落后區(qū)域擁有足夠的發(fā)展空間。

其中，T0為參考基準(zhǔn)年；T 為分配終止年；分別為排名第一的區(qū)域和目標(biāo)區(qū)域在第k年的人均碳排放量。

d.分配系數(shù)α。

2.2 二級(jí)分配模型

此外，式（10）必須滿足電量平衡約束式（12）和最大發(fā)電量約束式（13）：

二級(jí)分配模型在確保區(qū)域電量需求的同時(shí)，考慮低碳效益，以總成本最小化為目標(biāo)，符合發(fā)電企業(yè)的逐利本質(zhì)，使其在進(jìn)行發(fā)電行為和電源規(guī)劃時(shí)更加趨向于環(huán)保，有利于實(shí)現(xiàn)CO2減排。

3 仿真算例

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文根據(jù)中國某3個(gè)省份的相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)建一個(gè)只含有3個(gè)區(qū)域A、B、C的總區(qū)域。設(shè)參考基準(zhǔn)年為2001年，分配年為2011年至2020年。根據(jù)所提分配模型分配2011年至2020年各區(qū)域的碳排放權(quán)（一級(jí)分配），及2020年區(qū)域A內(nèi)碳排放權(quán)（二級(jí)分配）?；A(chǔ)數(shù)據(jù)如表 1—6所示［17-19］。 表 3中區(qū)域 A、B、C 可用裝機(jī)容量合計(jì)分別為40400、42400、13300 MW。表6中數(shù)據(jù)基于以下假設(shè)：設(shè)碳交易價(jià)格保持為100 元 /t［20］；本文僅考慮火電的 CO2排放，而忽略其他清潔能源的CO2排放；為簡化計(jì)算，將相同發(fā)電類型的機(jī)組合并為一類。

為簡化計(jì)算，令碳排放權(quán)分配期內(nèi)，總區(qū)域的清潔能源發(fā)電設(shè)備平均利用小時(shí)數(shù)化石類能源發(fā)電設(shè)備平均利用小時(shí)數(shù)分別為3 000 h和4 500 h，且保持不變；化石類能源發(fā)電的CO2排放強(qiáng)度保持0.85 kg/（kW·h）不變。設(shè)總區(qū)域計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)CO2排放強(qiáng)度比2001年降低約25%，則預(yù)期分配年的CO2排放強(qiáng)度和碳排放權(quán)如表5所示。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)一級(jí)分配模型以及表1—5的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，得到2011年至2020年各區(qū)域分配的碳排放權(quán)和人均碳排放量，如表7所示。各區(qū)域分配的具體情況如表8、表9所示。

表1 2001年至2020年各區(qū)域人口與經(jīng)濟(jì)Tab.1 Population and economics of each region from 2001 to 2020

表2 歷史碳排放量與用電量Tab.2 Historic data of carbon emission and electricity consumption

表3 2011年至2020年各區(qū)域可用的清潔能源發(fā)電資源Tab.3 Clean power resources available from 2011 to 2020 for different regions

表4 2011年至2020年各區(qū)域電力和電量需求Tab.4 Power and energy demand from 2011 to 2020 for different regions

表5 2011年至2020年預(yù)期CO2排放強(qiáng)度和碳排放權(quán)Tab.5 Expected CO2emission intensity and permit from 2011 to 2020

表6 2020年區(qū)域A裝機(jī)容量及相關(guān)費(fèi)用Tab.6 Power installation and corresponding cost of region A in 2020

表7 2011年至2020年各區(qū)域分配的碳排放權(quán)Tab.7 Allocated carbon emission permits from 2011 to 2020 for different regions

表8 2011年至2020年區(qū)域A分配的碳排放權(quán)Tab.8 Allocated carbon emission permits from 2011 to 2020 of region A kt

表9 2011年至2020年區(qū)域B、C分配的碳排放權(quán)Tab.9 Allocated carbon emission permits from 2011 to 2020 of region B and C kt

由表8和表9可以看出，根據(jù)區(qū)域發(fā)展情況分配的比較分量占有最大比重，表明了碳排放權(quán)的分配保證了區(qū)域的發(fā)展。

由于仿真算例中各區(qū)域的歷史人均碳排放量差距不是很大，且歷史積累分量根據(jù)區(qū)域的發(fā)展情況進(jìn)行了再分配，因此積累分量所占比重不大，不會(huì)影響到區(qū)域發(fā)展所需的碳排放量，但是實(shí)現(xiàn)了在目標(biāo)年人均歷史積累碳排放量相同的權(quán)利。

根據(jù)清潔發(fā)電資源分布情況設(shè)置的補(bǔ)償分量，隨著區(qū)域發(fā)展對(duì)清潔發(fā)電資源需求的增加，其所占比重逐步增大。從清潔發(fā)電資源的分布情況看，區(qū)域A能夠滿足自身要求；區(qū)域B存在大量盈余；區(qū)域C不能滿足自身要求，且存在大量缺額。在2011年至2015年間，各區(qū)域分布的清潔發(fā)電資源均能滿足自身的需求，因此該分量不起作用；在2016年至2020年間，區(qū)域C所需的清潔發(fā)電資源嚴(yán)重不足，只能使用化石能源類發(fā)電資源滿足電力需求，從而造成了CO2的超量排放。對(duì)于這種由清潔發(fā)電資源分布不均導(dǎo)致的碳排放量，區(qū)域A和區(qū)域B根據(jù)自身剩余清潔發(fā)電資源的比例讓渡出一定的碳排放權(quán)給區(qū)域C。因此，該分量有效地協(xié)調(diào)了各區(qū)域清潔發(fā)電資源分布不均的矛盾。

此外，從表1和表9可以看出，在2011年至2015年間，區(qū)域C發(fā)展領(lǐng)先于區(qū)域B，而人均碳排放量低于區(qū)域B。因此，在此期間區(qū)域B按區(qū)域C的人均碳排放量分配比較分量，起到了約束區(qū)域B降低單位GDP的CO2排放量的作用。

圖2是2011年至2020年根據(jù)本文提出的基于區(qū)域比較的兩級(jí)分配機(jī)制所得的人均碳排放量（對(duì)應(yīng)圖中實(shí)線A、B、C）與按區(qū)域電量需求比例分配碳排放權(quán)所得到的人均碳排放量（對(duì)應(yīng)圖中虛線A′、B′、C′）的對(duì)比圖。從圖中可以明顯看出，若按電量需求比例進(jìn)行分配，區(qū)域C分配的碳排放權(quán)難以滿足發(fā)展的要求；而區(qū)域A則獲得了過多的碳排放權(quán)。

圖2 人均碳排放量對(duì)比圖Fig.2 Comparison of per capita carbon emission permit

根據(jù)區(qū)域A通過一級(jí)分配在2020年獲得的碳排放權(quán)，以及二級(jí)分配模型和表6的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，得到2020年區(qū)域A內(nèi)的碳排放權(quán)分配方案及相應(yīng)的對(duì)比方案如表10所示。

表10 區(qū)域A碳排放權(quán)分配方案對(duì)比Tab.10 Comparison of carbon emission permit for region A kt

表10為碳排放權(quán)分配方案1（本文所得分配方案）、方案2（按各類發(fā)電設(shè)備裝機(jī)容量比例分配）和方案3（按發(fā)電設(shè)備最大發(fā)電量比例分配）對(duì)比。從表10可以看出，與方案1相比，方案2中光伏發(fā)電和生物質(zhì)發(fā)電能夠獲得更多的碳排放權(quán)，但并沒有體現(xiàn)出實(shí)際的發(fā)電效率；方案3與方案1相接近，能夠體現(xiàn)發(fā)電效率，但是并不能有效地區(qū)分相同發(fā)電效率的發(fā)電設(shè)備間的效益，如新、舊火電設(shè)備間的差異?？傊?，與方案2、3相比，方案1能夠有效地兼顧效率和效益，是最佳的分配方案。

4 結(jié)論

本文針對(duì)電力行業(yè)碳排放權(quán)的分配問題，提出了基于區(qū)域比較的兩級(jí)分配機(jī)制，所得結(jié)論如下。

a.區(qū)域間的一級(jí)分配是整個(gè)碳排放權(quán)分配的核心。比較區(qū)域的人均碳排放量多于目標(biāo)區(qū)域時(shí)，能保障目標(biāo)區(qū)域享有相同的碳排放權(quán)；反之，則能約束目標(biāo)區(qū)域發(fā)展所需的碳排放量。

b.仿真結(jié)果表明，一級(jí)分配中的歷史積累分量和資源補(bǔ)償分量，在沒有影響各區(qū)域發(fā)展所需的碳排放權(quán)的前提下，保障了同等的人均歷史積累碳排放權(quán)，并有效協(xié)調(diào)了資源分布的不均衡性。

c.二級(jí)分配方案對(duì)比結(jié)果表明，區(qū)域內(nèi)的二級(jí)分配作為碳排放權(quán)的初始分配體現(xiàn)了各類發(fā)電設(shè)備的發(fā)電效率和效益，保證了碳排放權(quán)在各類發(fā)電設(shè)備間分配的高效性。