碳捕捉和儲(chǔ)存技術(shù)的選擇與政策激勵(lì)分析

黃超　楊茜　陳理飛

摘要：利用實(shí)物期權(quán)方法，分析了不同激勵(lì)政策對兩種碳捕捉和儲(chǔ)存（CCS）技術(shù)選擇策略的影響。研究結(jié)果表明：投資成本補(bǔ)貼優(yōu)于運(yùn)營成本補(bǔ)貼，且如果補(bǔ)貼較多，投資者會(huì)選擇新一代CCS技術(shù)，否則，投資者選擇現(xiàn)有CCS技術(shù)，并再伺機(jī)升級到新技術(shù)；市場不確定性的增加雖然能導(dǎo)致CCS投資延遲，但當(dāng)其增大到一定程度，反而會(huì)促使CCS投資提前發(fā)生。

關(guān)鍵詞：碳排放；CCS；投資策略；政策激勵(lì)；成本補(bǔ)貼

DOI：10.13956/j.ss.1001-8409.2016.05.20

中圖分類號：F124.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1001-8409（2016）05-0091-05

Abstract：This paper analyzes the effect of different incentive policies on selecting strategy of two kinds of carbon capture and storage （CCS） technologies by the real option method. Results show that， the influence of the investment cost subsidy on CCS selection is better than one of the operation cost subsidy， and with the increasing of subsidy degree， investors will first select the new CCS technology， otherwise， they can select the old CCS technology， and then upgrade to the new one. Result also shows that， although increasing of market uncertainty can cause CCS investment delay， it also make it occur ahead of time when the uncertainty increases to a certain extent.

Key words：carbon emissions； CCS； investment strategy； policy incentive； cost subsidy

1 引言

目前，發(fā)展可再生能源發(fā)電和清潔發(fā)電等低碳技術(shù)已成為能源產(chǎn)業(yè)應(yīng)對氣候變化、協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間關(guān)系的主要發(fā)展模式，并創(chuàng)造了大量的投資機(jī)會(huì)。據(jù)國際能源署測算，約有41%的二氧化碳來源于發(fā)電過程，故電力行業(yè)應(yīng)承擔(dān)更多的減排義務(wù)。事實(shí)上，多種低碳發(fā)電技術(shù)在過去十幾年里已呈現(xiàn)出較快的發(fā)展態(tài)勢，其中碳捕捉和存儲(chǔ)技術(shù)（CCS）越來越受到重視。因此，CCS的推廣和應(yīng)用，對于促進(jìn)電力產(chǎn)業(yè)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

目前，關(guān)于CCS的研究主要集中在CCS的發(fā)展與應(yīng)用、CCS經(jīng)濟(jì)性及CCS政策作用等方面的分析[1～4]，關(guān)于CCS技術(shù)投資的研究相對不多?，F(xiàn)有研究中，Jana Szolgayova等在不同CO2價(jià)格上限情況下，通過期權(quán)模型，分析了是采用CCS技術(shù)改裝現(xiàn)有火電機(jī)組還是興建燃燒生物質(zhì)燃料發(fā)電機(jī)組的投資選擇問題[5]，Kato M和Zhou Y利用期權(quán)方法探討基于CCS的燃煤機(jī)組取代老的燃煤機(jī)組問題[6]，Lei Zhu和Ying Fan比較了安裝和不安裝CCS火電機(jī)組之間的成本節(jié)約效應(yīng)，研究了價(jià)格、政策等因素的不確定性對CCS投資的影響[7]，Reinelt和Keith、Abadie和Chamorro、Fleten和Nskkl均分析了CO2價(jià)格對CCS投資的影響[8～10]，Heydari等比較了電價(jià)、碳價(jià)、燃料價(jià)格對兩種CCS技術(shù)投資的影響[11]，Zhou等分析了碳價(jià)對中國CCS投資策略的影響[12]。不難看出市場的不確定性對CCS投資的影響是這類文獻(xiàn)研究的重點(diǎn)，而Fuss、張新華等在考慮市場不確定性情況下，進(jìn)一步分析技術(shù)不確定性對CCS投資的影響[13，14]。

作為一種新技術(shù)，CCS的推廣與應(yīng)用存在不少困難和障礙，許多文獻(xiàn)從宏觀角度研究政策對CCS技術(shù)發(fā)展的扶持作用，從微觀角度分析政策促進(jìn)CCS應(yīng)用的研究較少。與現(xiàn)有研究相比，本文不僅分析CCS政策的微觀激勵(lì)作用，而且還研究不同政策和不同CCS技術(shù)應(yīng)用之間的激勵(lì)關(guān)系。

2 問題闡述和假設(shè)

在碳排放約束下，發(fā)電商可以通過投資CCS技術(shù)減少二氧化碳排放，并獲得減排收入，或者通過購買碳排放權(quán)（這里不考慮碳稅）來承擔(dān)相應(yīng)的環(huán)境責(zé)任。如選擇前者，則會(huì)面臨著何時(shí)投資CCS的決策。市場背景下，收益最大化是發(fā)電商考慮問題的基本原則，毫無疑問，碳排放交易市場上二氧化碳價(jià)格是影響發(fā)電商收益的主要因素，而價(jià)格的不確定性使得投資決策更為復(fù)雜。同時(shí)，CCS技術(shù)本身也具有較大的不確定性，而為了促進(jìn)碳減排和CCS的發(fā)展，政府往往出臺(tái)激勵(lì)政策，鼓勵(lì)發(fā)電商投資CCS技術(shù)，因此，CCS激勵(lì)政策又進(jìn)一步加劇了投資決策的復(fù)雜性。

顯然，選擇一個(gè)合適的方法描述二氧化碳價(jià)格的變化規(guī)律至關(guān)重要。由于碳排放交易市場形成時(shí)間不長，缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)，關(guān)于二氧化碳價(jià)格變化規(guī)律的相關(guān)研究較少。通常幾何布朗運(yùn)動(dòng)常被用來描述價(jià)格的長期波動(dòng)情況，因而大部分學(xué)者均利用它描述二氧化碳價(jià)格的隨機(jī)變化情況[15]，本文也假設(shè)二氧化碳價(jià)格變化遵循下面的幾何布朗運(yùn)動(dòng)：

dP（t）=αP（t）dt+σP（t）dw（t）（1）

其中，P表示二氧化碳價(jià)格，α和σ分別是漂移參數(shù)和方差參數(shù)，dw是標(biāo)準(zhǔn)維納過程增量。

對于技術(shù)因素，本文假設(shè)有兩種CCS技術(shù)可供選擇，即現(xiàn)有技術(shù)和剛面世的新一代CCS技術(shù)（以下稱新CCS技術(shù)），相比于現(xiàn)有CCS技術(shù)，假設(shè)新CCS技術(shù)取得重大突破，捕捉效率有顯著改善，令c1、c2、φ1、φ2分別為現(xiàn)有CCS和新CCS技術(shù)的運(yùn)行成本與捕捉效率，并設(shè)c2

由于CCS技術(shù)成本較高，發(fā)電商投資CCS具有較大風(fēng)險(xiǎn)，需要政府給予一定的激勵(lì)，本文考慮投資成本和運(yùn)行成本兩種成本補(bǔ)償機(jī)制。如果發(fā)電商投資CCS，投資成本和運(yùn)行成本分別為Ii和ci（i=1或2，分別代表現(xiàn)有CCS技術(shù)和新CCS技術(shù)），則發(fā)電商將會(huì)獲得ηIi或ηci數(shù)額的成本補(bǔ)償，η為補(bǔ)償因子，隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的發(fā)展，η也具有可變性。

在市場背景下，當(dāng)碳價(jià)較低和CCS成本較高時(shí)，發(fā)電商購買碳排放權(quán)是首選策略。但從長遠(yuǎn)看，碳排放權(quán)是稀缺資源，發(fā)電商購買成本會(huì)越來越高，且隨著技術(shù)進(jìn)步，CCS技術(shù)的成本也會(huì)逐漸下降。因此，投資低碳技術(shù)將會(huì)是發(fā)電商的最終選擇。至于何時(shí)投資和選擇何種技術(shù)，則是發(fā)電商面臨的具體問題。

3 CCS投資模型

顯然，發(fā)電商擁有三種投資策略：第一種是僅投資現(xiàn)有CCS技術(shù)；第二種是僅投資新CCS技術(shù)；第三種是先投資現(xiàn)有CCS技術(shù)，然后再投資升級到新CCS技術(shù)。究竟采用哪種策略取決于該種策略投資價(jià)值的高低。令這三種策略的價(jià)值函數(shù)依次為V1（P）、V2（P）和V3（P），下面對三種投資策略進(jìn)行深入分析。

3.1 第一種投資策略——投資現(xiàn)有CCS技術(shù)的投資價(jià)值

式（12）中第一行表示連續(xù)實(shí)施第一階段和第二階段投資所得到的投資價(jià)值，第二行中第二項(xiàng)為升級期權(quán)，其余幾項(xiàng)為投資現(xiàn)有CCS所得到的現(xiàn)金流現(xiàn)值，第三行為復(fù)合期權(quán)價(jià)值。不難發(fā)現(xiàn)，P11=P1和A11=A1，這表明第三種策略中第一階段現(xiàn)有CCS的投資規(guī)則不受第二階段升級投資的影響。

4 CCS投資模型分析——最優(yōu)投資策略的選擇

新CCS技術(shù)的面世，可能會(huì)對現(xiàn)有CCS技術(shù)造成沖擊，迫使I1下降，同時(shí)，國家為鼓勵(lì)采用效率更高的新技術(shù)，也會(huì)提高對新技術(shù)的補(bǔ)貼，甚至還會(huì)降低或取消對現(xiàn)有技術(shù)的補(bǔ)貼。下面以投資成本補(bǔ)貼政策為例，根據(jù)I1和η在新CCS技術(shù)出現(xiàn)后是否變化，對投資策略進(jìn)行分析。

4.1 現(xiàn)有CCS技術(shù)投資成本I1和激勵(lì)政策η保持不變時(shí)的最優(yōu)投資策略

從式（4）和式（12）可知V3（P）>V1（P），故第一種策略不可取，下面僅討論第二種和第三種策略。令Y（P）=V3（P）-V2（P），Y（P）是一個(gè)分段的連續(xù)函數(shù)，根據(jù)Y（P）的性質(zhì)以及P2與P11之間關(guān)系，可以證明下面兩個(gè)關(guān)于最優(yōu)策略的定理成立。

一般而言，由于新技術(shù)投資成本較高，其投資門檻也較高，但如果新技術(shù)所產(chǎn)生的收益足夠大，有助于投資商早日收回投資成本，則投資門檻也會(huì)有所下降，投資商無需等待，可以盡早直接進(jìn)行一次性大批量投資，反之則需采取等待策略或先少量投資再追加投資的策略。定理一論述了前一種情況，而定理二屬于后一種情況。

5.1 兩種CCS技術(shù)的投資價(jià)值分析與比較

圖1反映了投資價(jià)值與碳價(jià)之間的關(guān)系。圖1a表明升級成本相對較高情況下，第二種策略較優(yōu)，圖1b則顯示升級成本較低情況下，碳價(jià)較低時(shí)，第三種策略較優(yōu)，否則第二種策略占優(yōu)，這主要是由于升級成本較低會(huì)激勵(lì)發(fā)電商選擇第三種策略，并在碳價(jià)較低時(shí)先投資現(xiàn)有CCS技術(shù)，但碳價(jià)較高時(shí)（P≥P），則會(huì)直接投資新CCS技術(shù)，因?yàn)榈谌N策略的總投資成本畢竟要高于第二種策略的投資成本。

實(shí)際上，第三種投資策略可視為第二種策略的一個(gè)特例，即先投資現(xiàn)有CCS技術(shù)，再升級到新CCS技術(shù)，雖然投資總成本較高，但也帶來兩個(gè)好處，一是獲取投資收益的時(shí)間提前，二是通過分步投資降低投資風(fēng)險(xiǎn)。

5.2 投資成本補(bǔ)貼政策對CCS技術(shù)投資策略的影響

新CCS技術(shù)面世后，將會(huì)對現(xiàn)有CCS投資成本產(chǎn)生沖擊，同時(shí)，政府也會(huì)為推廣新CCS技術(shù)的應(yīng)用而加大對新CCS技術(shù)投資的補(bǔ)貼力度。假設(shè)現(xiàn)有CCS投資成本下降為I1=3000元/千瓦，保持其他參數(shù)不變，圖2反映了政策激勵(lì)的變化對投資策略的影響。

從圖2可以看出，現(xiàn)有CCS投資補(bǔ)貼政策不變，P11也保持不變，而新CCS的投資閾值P12則呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，變化較為明顯的是P，P隨η的增加而明顯下降。由于P是V2（P）和V3（P）的交點(diǎn)，也是最優(yōu)策略由第三種策略演變?yōu)榈诙N策略的起始點(diǎn)，P的下降說明隨著補(bǔ)貼激勵(lì)的增強(qiáng)，發(fā)電商越來越傾向于選擇第二種策略，且實(shí)施第二種策略的時(shí)機(jī)變?yōu)閙ax（P，P2）。同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)隨η的繼續(xù)增加，P趨向于零，則V2（P）和V3（P）只有一個(gè)交點(diǎn)——零點(diǎn)，此時(shí)V2（P）和V3（P）的關(guān)系就如圖1a所示，第二種策略始終占優(yōu)。這充分表明政府加大激勵(lì)程度有助于降低投資的不確定性，有利于新技術(shù)的采用和擴(kuò)散。

5.3 不同激勵(lì)政策對CCS技術(shù)投資策略的影響

圖3中曲線PI和Pc分別反映投資成本補(bǔ)貼η和運(yùn)營成本補(bǔ)貼ηc對投資策略的影響。由圖可見，一次性的投資成本補(bǔ)貼政策對發(fā)電商的投資激勵(lì)作用較強(qiáng)，且隨著投資成本激勵(lì)程度的增強(qiáng)，發(fā)電商越來越傾向于選擇第二種投資策略（當(dāng)然還需滿足PI

圖3也顯示η較大時(shí)，PI趨向于零，表明第二種策略也始終是最優(yōu)的選擇。另外，曲線Pc輕微向上傾斜，說明ηc的增加反而促使發(fā)電商趨向于選擇第三種策略，這是因?yàn)楸舅憷羞\(yùn)營成本c1高于c2的緣故。而c2>c1時(shí)，ηc對投資新CCS技術(shù)有較強(qiáng)激勵(lì)作用，圖4中P曲線向下傾斜的情況就證明了這種情況，由于c2與c1相差不大，這種影響不太明顯，P曲線向下傾斜的力度不大（圖3中情況亦是如此）。

5.4 市場不確定性對CCS技術(shù)投資策略的影響

市場背景下，碳排放市場的不確定性導(dǎo)致碳價(jià)變化具有一定的隨機(jī)性，圖5反映碳排放市場的不確定性對不同投資成本補(bǔ)貼情況下CCS投資策略的影響。由圖可見，隨市場不確定性的增大，即σ值增加，P呈現(xiàn)上升趨勢，表明發(fā)電商更趨向于選擇第三種策略，因?yàn)榉蛛A段投資有助于降低投資風(fēng)險(xiǎn)。但是，當(dāng)σ增加到一定數(shù)值時(shí)，P會(huì)直線下降到零，表明第二種投資策略始終是最優(yōu)，這是因?yàn)檩^大的σ值雖然既能使碳價(jià)上升到一個(gè)更高的價(jià)位，也能使碳價(jià)下降到一個(gè)更低的價(jià)位，但從式（1）可知，碳價(jià)還具有一個(gè)穩(wěn)定上升的趨勢，因而較大的σ值使得碳價(jià)上升到更高價(jià)位的可能性較大，從而使得直接投資捕捉效率較高的新CCS技術(shù)投資收益也較高，在一定程度上彌補(bǔ)了選擇第二種策略所產(chǎn)生的高風(fēng)險(xiǎn)。從圖5還可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)投資成本補(bǔ)貼較大時(shí)，發(fā)電商會(huì)傾向于選擇第二種投資策略，這種現(xiàn)象與圖2和圖3的情況是一致的，這兒不再贅述。

6 結(jié)論

隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，CCS技術(shù)越來越受到人們重視和應(yīng)用，但高昂的投資成本成為阻礙CCS應(yīng)用的主要因素。本文在碳排放交易背景下，從成本補(bǔ)貼角度出發(fā)，分析了不同激勵(lì)政策對兩種CCS技術(shù)投資策略的影響，研究表明，當(dāng)投資成本激勵(lì)程度較大時(shí)，發(fā)電商會(huì)優(yōu)先選擇投資新技術(shù)，且激勵(lì)程度越大，投資新技術(shù)的時(shí)機(jī)越早，反之則會(huì)首先選擇投資現(xiàn)有技術(shù)，然后再伺機(jī)升級到新技術(shù)；另一方面，運(yùn)營成本的激勵(lì)效果需視CCS技術(shù)運(yùn)營成本而定，如新技術(shù)運(yùn)營成本高于現(xiàn)有技術(shù)，則運(yùn)營成本激勵(lì)程度的增強(qiáng)能夠促進(jìn)發(fā)電商選擇新技術(shù)，否則選擇現(xiàn)有技術(shù)。同時(shí)，研究還表明，投資成本激勵(lì)政策要優(yōu)于運(yùn)營成本激勵(lì)政策，因此，為促進(jìn)CCS技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，政府應(yīng)強(qiáng)化對CCS技術(shù)投資成本的激勵(lì)。

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（責(zé)任編輯：何 彬）