碳交易機(jī)制下風(fēng)電項(xiàng)目投資決策研究

王喜平， 李崇燁

(華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

可再生能源被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)氣候變化、能源短缺和全球變暖的有效辦法，中國(guó)作為全球最大的碳排放國(guó)，在2015年的《強(qiáng)化應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)——中國(guó)國(guó)家自主貢獻(xiàn)》文件中確立了“到2030年非化石能源比重達(dá)到20%”的目標(biāo)。另一方面，《2018全球可再生能源投資趨勢(shì)》的研究結(jié)果顯示，可再生能源2017年的全球總投資相較于2016年增加了15.8%，實(shí)現(xiàn)了逆勢(shì)回溫；中國(guó)在2017年度的投資額比2016年增長(zhǎng)31%，達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的1 266美元，中國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的可再生能源投資國(guó)。風(fēng)電是目前最具大規(guī)模商業(yè)開發(fā)潛力的新能源技術(shù)，并且中國(guó)具有豐富的風(fēng)能資源，促進(jìn)風(fēng)能的開發(fā)和利用對(duì)于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和緩解生態(tài)壓力具有重要意義。然而，風(fēng)電投資具有投入大、投資不可逆、收益不確定等特點(diǎn)，項(xiàng)目投資面臨較大的風(fēng)險(xiǎn)。2017年12月，全國(guó)碳交易市場(chǎng)正式啟動(dòng)，風(fēng)電項(xiàng)目的投資環(huán)境更加復(fù)雜。在此背景下，分析投資者的決策過程以及碳交易對(duì)投資者投資決策的影響，不僅有助于投資者合理投資決策而且對(duì)政府制定相關(guān)政策具有重要意義。

近年來，學(xué)界對(duì)可再生能源的應(yīng)用和推廣進(jìn)行了大量研究，這些研究可以大致分為三種類型：項(xiàng)目評(píng)估、政策評(píng)估[1]和研發(fā)評(píng)估[2]。其中，項(xiàng)目評(píng)估方面的研究最多，占到了60%以上[3]。風(fēng)能是目前最為成熟并且最具商業(yè)開發(fā)潛力的可再生能源技術(shù)，因此也成為項(xiàng)目?jī)r(jià)值評(píng)估研究的焦點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]基于蒙特卡羅方法應(yīng)用現(xiàn)金流折現(xiàn)模型分別評(píng)估了有無碳交易市場(chǎng)下的風(fēng)電項(xiàng)目的可行性，結(jié)果表明基于現(xiàn)金流折現(xiàn)基礎(chǔ)的項(xiàng)目投資具有較高的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[5]采用凈現(xiàn)值法對(duì)一家具有代表性的中國(guó)企業(yè)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析，結(jié)果顯示最重要的影響因子分別是發(fā)電量、投資成本和核證減排量(Certified Emission Reduction, CER)補(bǔ)貼。這些研究主要基于傳統(tǒng)的凈現(xiàn)值(Net Present Value, NPV)法，忽視了項(xiàng)目投資決策中的管理柔性，可能造成項(xiàng)目?jī)r(jià)值低估，因而不適于風(fēng)電項(xiàng)目投資決策。

鑒于風(fēng)電投資的不可逆性、收益不確定性等特點(diǎn)，Myers等在金融期權(quán)理論基礎(chǔ)上提出的實(shí)物期權(quán)方法得到越來越廣泛的應(yīng)用：文獻(xiàn)[6]考慮了上網(wǎng)電價(jià)波動(dòng)與單位容量投資成本波動(dòng)等不確定性因素，建立了基于實(shí)物期權(quán)理論的風(fēng)電項(xiàng)目投資決策模型。文獻(xiàn)[7]引入符合實(shí)物期權(quán)思路和模型，并以實(shí)例討論了Geske復(fù)合實(shí)物期權(quán)定價(jià)模型的應(yīng)用方法，驗(yàn)證了實(shí)物期權(quán)方法在評(píng)估風(fēng)電項(xiàng)目投資價(jià)值中的有效性。文獻(xiàn)[8]將實(shí)物期權(quán)方法應(yīng)用到海上風(fēng)電項(xiàng)目的投資決策中，建立了基于二叉樹的成長(zhǎng)實(shí)物期權(quán)定價(jià)模型和延遲實(shí)物期權(quán)模型，結(jié)果表明實(shí)物期權(quán)方法可以有效避免決策失誤。文獻(xiàn)[9]建立了風(fēng)電固定上網(wǎng)電價(jià)政策實(shí)物期權(quán)模型，從理論上證明了風(fēng)電最優(yōu)投資電價(jià)與上網(wǎng)電價(jià)波動(dòng)率的關(guān)系。文獻(xiàn)[10]提出了基于實(shí)物期權(quán)方法和最小二乘蒙特卡洛模擬的優(yōu)化投資者決策行為的量化模型，研究了產(chǎn)出不確定性對(duì)最優(yōu)投資時(shí)間和裝機(jī)容量的影響。

然而上述研究主要考慮電價(jià)、化石燃料價(jià)格和技術(shù)進(jìn)步等不確定因素，較少涉及碳交易價(jià)格等不確定因素，缺乏對(duì)碳交易和政策性補(bǔ)貼影響風(fēng)電投資收益、進(jìn)而影響投資決策的研究?？紤]到以上問題，本文做了以下工作：(1)將傳統(tǒng)的二叉樹定價(jià)模型擴(kuò)展為四叉樹模型，可以更準(zhǔn)確地評(píng)估風(fēng)電投資；(2)權(quán)衡了碳價(jià)和電價(jià)補(bǔ)貼之間的最優(yōu)組合，確定這兩種互補(bǔ)機(jī)制對(duì)于促進(jìn)風(fēng)電投資的意義；(3)通過敏感性分析考察了投資成本等因素對(duì)碳臨界價(jià)格的影響。

1 方法模型

1.1 模型描述

從發(fā)電企業(yè)的角度看，風(fēng)電投資旨在實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目投資價(jià)值最大化，其由項(xiàng)目運(yùn)行周期內(nèi)歷年現(xiàn)金流折現(xiàn)和初始投資成本所決定?？紤]到影響項(xiàng)目?jī)r(jià)值的不確定性，假設(shè)項(xiàng)目?jī)r(jià)值滿足式(1)：

，0≤t≤tv

(1)

式中：Vt為項(xiàng)目?jī)r(jià)值；πt為t時(shí)刻的現(xiàn)金流；r為折現(xiàn)率；T為項(xiàng)目周期；It為初始投資成本。

碳交易機(jī)制下，風(fēng)電投資收益包括風(fēng)電發(fā)電收益和碳減排收益；而項(xiàng)目的現(xiàn)金流出主要包括運(yùn)行成本和稅收支出。因此，項(xiàng)目的年現(xiàn)金流量可以描述為式(2)：

πt=ERt+CRt-OMt-Taxt

(2)

式中：ERt和CRt分別為電價(jià)銷售和碳減排的利潤(rùn)；OMt為運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本；Taxt為稅收支出。

1.1.1 售電收入

(3)

隨著電力體制改革的不斷推進(jìn)，電力市場(chǎng)化成為必然。假設(shè)市場(chǎng)電價(jià)滿足幾何布朗運(yùn)動(dòng)：

(4)

(1-η)

(5)

1.1.2 碳減排收入

(6)

1.1.3 運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本

假設(shè)運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本滿足以下方程：

(7)

1.1.4 稅收成本

假設(shè)稅收成本滿足如下方程式：

Taxt=VTt+ITt

(8)

(9)

(10)

式中：VT、IT分別為增值稅和企業(yè)所得稅；Rv和Ri分別為增值稅稅率和企業(yè)所得稅稅率。

1.1.5 投資成本

已有研究[13-14]表明風(fēng)電技術(shù)符合“學(xué)習(xí)效率曲線”，這意味著風(fēng)電項(xiàng)目的投資成本會(huì)隨著投資規(guī)模的增加和技術(shù)進(jìn)步而下降。基于此，假設(shè)風(fēng)電投資成本滿足式(11)：

It=IC×ξe-αt

(11)

式中：It為t時(shí)刻初始投資成本；ξ為單位投資成本；α為技術(shù)進(jìn)步對(duì)初始投資成本的影響。

1.2 風(fēng)電投資的凈現(xiàn)值

假設(shè)風(fēng)電項(xiàng)目的投資時(shí)間為t1，建設(shè)期為一年，壽命為T；即項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)時(shí)間為t1+1至T；投資者必須于每一決策周期開始時(shí)做出決定，期滿時(shí)設(shè)備的剩余價(jià)值為零。因此，t1時(shí)刻凈現(xiàn)值滿足：

(12)

式中：r0為基準(zhǔn)貼現(xiàn)率。若1+r0=er0，則式(12)可以寫為

(13)

1.3 基于實(shí)物期權(quán)的風(fēng)電投資模型

假設(shè)在延遲期權(quán)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)碳價(jià)格以概率p上漲或者以概率1-p下降，同時(shí)市場(chǎng)電價(jià)會(huì)以概率q上漲或者以概率1-q下降，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)風(fēng)電項(xiàng)目的凈現(xiàn)值將有4種可能性：pq、p(1-p)、(1-p)q和(1-p)(1-q)，這意味著傳統(tǒng)的二叉樹模型被擴(kuò)展為四叉樹模型。將風(fēng)電投資的項(xiàng)目?jī)衄F(xiàn)值在延遲投資期內(nèi)按四叉樹展開，如圖1所示。

圖1 風(fēng)電項(xiàng)目?jī)衄F(xiàn)值的四叉樹模型

在四叉樹模型中每個(gè)節(jié)點(diǎn)(i,j)的項(xiàng)目?jī)衄F(xiàn)值為：

(0≤k

(14)

風(fēng)電投資項(xiàng)目延遲實(shí)物期權(quán)作為一種美式期權(quán)，在延遲期內(nèi)投資者可以重新評(píng)估每個(gè)節(jié)點(diǎn)的項(xiàng)目?jī)r(jià)值，從而決定立即投資或者推遲投資。表1給出了具體的投資決策規(guī)則。在最后一個(gè)周期(k=n)時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)(i,j)的凈現(xiàn)值將是NPVk,i,j和0中的較大值。

(15)

對(duì)于延遲投資期內(nèi)的0≤k

(16)

基于實(shí)物期權(quán)理論的風(fēng)電投資項(xiàng)目，其項(xiàng)目?jī)r(jià)值NPVC包括兩部分：凈現(xiàn)值NPV和期權(quán)價(jià)值C。

NPVC=NPV+C

(17)

表1 實(shí)物期權(quán)理論下風(fēng)電投資項(xiàng)目的投資決策規(guī)制

2 算例

2.1 參數(shù)估計(jì)

本文采用中國(guó)人民銀行一年期定期存款利率的平均值作為無風(fēng)險(xiǎn)利率，即r=5%。此外，基于2016年1月1日至2016年12月31日深圳碳交易市場(chǎng)的歷史數(shù)據(jù)，得到碳交易價(jià)格參數(shù)，初始碳價(jià)格設(shè)定為0.036 元/kW·h(2016年1月1日至2016年12月31日，深圳碳交易市場(chǎng)日均碳價(jià)格為40元/t。假設(shè)平均碳排放因子892 g/kW·h，由此可以得到初始碳價(jià)格0.036 元/kW·h)。碳價(jià)格和電價(jià)的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)見表2。

表2 碳交易價(jià)格和市場(chǎng)電價(jià)的相關(guān)參數(shù)

風(fēng)電投資的相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表3。假設(shè)項(xiàng)目壽命期為20年，期權(quán)有效期為10年(即2018年-2027年)；風(fēng)電投資項(xiàng)目生產(chǎn)的所有電力都能上網(wǎng)；同時(shí)為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)單位裝機(jī)容量，即IC= 1 kW；步長(zhǎng)(Δt)為一年。

表3 風(fēng)電項(xiàng)目的基本參數(shù)

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 風(fēng)電投資價(jià)值分析

首先采用傳統(tǒng)的NPV方法對(duì)項(xiàng)目?jī)r(jià)值進(jìn)行了測(cè)算，得到項(xiàng)目?jī)r(jià)值為-794.2 元/kW，項(xiàng)目?jī)r(jià)值為負(fù)，應(yīng)當(dāng)放棄投資。考慮到NPV方法的局限性，進(jìn)一步采用實(shí)物期權(quán)法(Real Options, RO)對(duì)項(xiàng)目?jī)r(jià)值進(jìn)行測(cè)算，發(fā)現(xiàn)實(shí)物期權(quán)方法下風(fēng)電投資的項(xiàng)目?jī)r(jià)值為 2 987.1 元/kW，根據(jù)表1中的投資決策規(guī)則，投資項(xiàng)目是可行的，投資者應(yīng)當(dāng)延遲投資。通過對(duì)比，發(fā)現(xiàn)NPV方法低估了風(fēng)電投資項(xiàng)目的投資價(jià)值，因其忽視了與項(xiàng)目相關(guān)的不確定性和管理的靈活性。但實(shí)物期權(quán)方法克服了這些缺點(diǎn)，因而比NPV方法更具優(yōu)勢(shì)。

2.2.2 碳交易對(duì)風(fēng)電投資價(jià)值的影響

(1)有無碳交易的風(fēng)電投資價(jià)值對(duì)比分析

表4對(duì)比分析了有無碳交易情境下風(fēng)電項(xiàng)目投資價(jià)值，結(jié)果表明考慮碳交易情景下的項(xiàng)目?jī)r(jià)值和期權(quán)價(jià)值明顯高于不考慮碳交易的情景；考慮碳交易的情景下，項(xiàng)目?jī)r(jià)值在NPV方法下將增長(zhǎng)749.5元/kW·h，而在實(shí)物期權(quán)方法下則將增長(zhǎng) 2 987.1元/kW·h。比較這兩種情境下的結(jié)果可知，考慮碳交易時(shí)的項(xiàng)目?jī)r(jià)值和期權(quán)價(jià)值顯著增加，這意味著碳交易對(duì)風(fēng)電項(xiàng)目投資具有正向激勵(lì)，具體的激勵(lì)作用大小則通過碳初始價(jià)格和其波動(dòng)率的影響加以考察。

表4 有無碳交易市場(chǎng)的結(jié)果對(duì)比

(2)碳初始價(jià)格的影響

圖2反映了碳初始價(jià)格變化下的影響：當(dāng)初始碳價(jià)由0.036元/kW·h上漲到0.076元/kW·h時(shí)，投資價(jià)值以平均27%的增長(zhǎng)率從2 987.1元/kW上漲到7 761.2 元/kW。當(dāng)初始碳價(jià)下降至0.026元/kW·h時(shí)，投資價(jià)值下降至1 824.5 元/kW·h。這表明較高的碳初始價(jià)格將會(huì)促進(jìn)風(fēng)電項(xiàng)目投資。

考慮到碳價(jià)是影響風(fēng)電項(xiàng)目投資價(jià)值的關(guān)鍵因素，進(jìn)一步計(jì)算了延遲期權(quán)下使得風(fēng)電項(xiàng)目投資的碳臨界價(jià)格。根據(jù)表1可知，碳臨界價(jià)格必須同時(shí)滿足NPV>0和NPVC=NPV。目前條件下得到的碳臨界價(jià)格為0.471元/kW·h，比現(xiàn)行碳價(jià)高出近13倍。這表明碳交易不足以獨(dú)自支撐風(fēng)電項(xiàng)目的投資，補(bǔ)貼等其他政策仍有必要。

圖2 初始碳價(jià)的影響

(3)碳價(jià)波動(dòng)率的影響

圖3分析了碳價(jià)格波動(dòng)率的影響：隨著碳價(jià)波動(dòng)率從0.2上升到0.4，項(xiàng)目?jī)r(jià)值從923.9元/kW增長(zhǎng)到8 266.2元/kW；同時(shí)，碳臨界價(jià)格從0.12元/kW·h增加到0.47元/kW·h。項(xiàng)目?jī)r(jià)值和碳臨界價(jià)格與碳價(jià)波動(dòng)率均呈現(xiàn)高度正相關(guān)。碳價(jià)波動(dòng)較高意味著收益的不確定性較大，從而需要更高的碳價(jià)來保證投資收益。由此看來，保持碳價(jià)的相對(duì)穩(wěn)定有益于促進(jìn)風(fēng)電投資。

圖3 碳價(jià)波動(dòng)率的影響

2.2.3 電價(jià)補(bǔ)貼對(duì)項(xiàng)目投資價(jià)值的影響

盡管碳交易為風(fēng)電項(xiàng)目投資提供了激勵(lì)，但鑒于碳臨界價(jià)格遠(yuǎn)高于實(shí)際碳價(jià)，目前單靠碳交易市場(chǎng)仍不足以促成風(fēng)電項(xiàng)目投資，仍需電價(jià)補(bǔ)貼等相關(guān)政策的補(bǔ)充協(xié)調(diào)。

圖4分析了項(xiàng)目投資價(jià)值和碳臨界價(jià)格隨電價(jià)補(bǔ)貼而變化的情況。隨著電價(jià)補(bǔ)貼由0.15 元/kW·h上漲到0.25 元/kW·h，碳臨界價(jià)格將由0.471元/kW·h下降至0.371元/kW·h。這表明增加電價(jià)補(bǔ)貼對(duì)降低碳臨界價(jià)格和促進(jìn)風(fēng)電投資有顯著的促進(jìn)作用。但是，電價(jià)補(bǔ)貼下的碳臨界價(jià)格仍然比目前的市場(chǎng)碳價(jià)0.036元/kW·h高出很多，目前的碳價(jià)格遠(yuǎn)未達(dá)到支撐風(fēng)電投資的水平。

圖4 電價(jià)補(bǔ)貼的影響

2.2.4 敏感性分析

(1)初始電價(jià)

圖5表明初始電價(jià)的上漲可以使投資價(jià)值平均每年增長(zhǎng)8.5%，從最低2 761.5元/kW上漲至 41 52l.5元/kW；與此同時(shí)，碳價(jià)格以平均每年5.5%的速率從0.491元/kW·h下降至0.371元/kW·h，但這一價(jià)格仍是當(dāng)前市場(chǎng)碳價(jià)的10倍左右。盡管初始電價(jià)的上漲會(huì)增加投資價(jià)值并降低風(fēng)電投資的碳價(jià)格臨界值，但目前情況下其并不能直接促使風(fēng)電項(xiàng)目的投資。

圖5 初始電價(jià)的影響

(2)風(fēng)電項(xiàng)目的年發(fā)電小時(shí)數(shù)

圖6表明隨著年發(fā)電小時(shí)數(shù)的增加，項(xiàng)目?jī)r(jià)值將會(huì)增加。具體而言，年發(fā)電量1 800 h/年時(shí)，投資價(jià)值為2 251.9元/kW；如果年發(fā)電量增加至2 500 h/年，投資價(jià)值將增加至4 894.6元/kW。另一方面，碳臨界價(jià)格會(huì)隨著年發(fā)電小時(shí)數(shù)的增加而下降，如果年發(fā)電小時(shí)數(shù)增加至2 500 h/年，碳臨界價(jià)格下降至0.32元/kW·h；但是當(dāng)年發(fā)電小時(shí)數(shù)下降至1 800 h/年時(shí)，碳臨界價(jià)格上漲到0.56元/kW·h。由此可見，風(fēng)電項(xiàng)目的發(fā)電時(shí)間在激勵(lì)投資者投資風(fēng)電項(xiàng)目方面發(fā)揮著重要作用。

圖6 年發(fā)電小時(shí)數(shù)的影響

(3)單位投資成本

圖7考察了不同單位投資成本的影響。高投資成本仍是影響風(fēng)電投資的重要因素之一。項(xiàng)目?jī)r(jià)值與單位成本幾乎成負(fù)相關(guān)關(guān)系，碳臨界價(jià)格與單位投資成本成正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)單位投資成本由8 500元/kW下降至6 500元/kW時(shí)，項(xiàng)目?jī)r(jià)值以9.6%的速率從2 407.3元/kW上漲至 3 600.6元/kW，同時(shí)，碳臨界價(jià)格由0.52 元/kW·h下降至0.42元/kW·h。

圖7 單位成本的影響

3 結(jié)論

考慮碳價(jià)格、市場(chǎng)電價(jià)、投資成本等不確定性因素，本文提出了基于實(shí)物期權(quán)理論的四叉樹模型，對(duì)碳交易機(jī)制下的風(fēng)電投資價(jià)值進(jìn)行評(píng)估；通過對(duì)比有無碳交易不同情境下的項(xiàng)目投資價(jià)值分析了碳交易對(duì)風(fēng)電投資決策的影響；并進(jìn)一步考察了碳交易初始價(jià)格及其波動(dòng)率的變動(dòng)對(duì)風(fēng)電投資價(jià)值的具體影響。研究表明：第一，傳統(tǒng)凈現(xiàn)值下，風(fēng)電投資的項(xiàng)目?jī)r(jià)值被低估；實(shí)物期權(quán)方法有效克服了凈現(xiàn)值方法的缺陷，更適合處理不確定情況下的投資決策。第二，碳交易對(duì)風(fēng)電項(xiàng)目有著明顯的促進(jìn)作用，但目前碳價(jià)格較低無法獨(dú)自支撐風(fēng)電投資。更高的碳價(jià)格和更穩(wěn)定的碳交易市場(chǎng)有助于激勵(lì)風(fēng)電項(xiàng)目投資。隨著碳交易市場(chǎng)的發(fā)展、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的成熟、投資成本的不斷下降，在沒有政府投資補(bǔ)貼的情況下也會(huì)促成風(fēng)力發(fā)電投資。進(jìn)一步的敏感性分析表明單位投資成本、發(fā)電運(yùn)行小時(shí)數(shù)等因素對(duì)風(fēng)電項(xiàng)目投資均具有一定的影響。

上述結(jié)論將有助于投資者做出是否投資以及何時(shí)投資的最佳決策；同時(shí)為政府提供相應(yīng)的政策支持，如調(diào)整補(bǔ)貼、保持碳交易市場(chǎng)的穩(wěn)定，以促進(jìn)風(fēng)電投資的發(fā)展。