碳抵消機(jī)制下的制造/再制造生產(chǎn)決策優(yōu)化研究

陳偉達(dá)，陳政屹

(東南大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江蘇 南京 211189)

因CO2為主的溫室氣體大量排放導(dǎo)致的全球變暖問題已成為全球治理的重要議題，也引起了社會的廣泛關(guān)注，世界各國政府都在努力平衡經(jīng)濟(jì)發(fā)展與節(jié)能減排之間的關(guān)系。2005年《京都議定書》正式生效，由此形成的碳排放權(quán)交易機(jī)制將碳排放權(quán)視作一種可在碳市場流通的商品，旨在市場化條件下引導(dǎo)企業(yè)和國家進(jìn)行減排。同年，歐盟采用碳限額與交易制度建立碳市場，是目前規(guī)模最大、最成熟的碳排放權(quán)交易體系。我國于2011年10月開始碳排放權(quán)交易試點(diǎn)工作，并在2017年12月啟動全國碳市場建設(shè)。與歐盟相同，我國碳市場采用碳限額與交易制度，納管企業(yè)需使用配額 (Chinese emission allowances, CEA)與核證減排量 (Chinese certification emission reductions, CCER)對碳排放進(jìn)行履約，即一個履約期內(nèi)企業(yè)需要擁有與碳排放等額的CEA和CCER。

隨著碳限額與交易制度的發(fā)展，碳排放權(quán)抵消機(jī)制成為碳市場的重要補(bǔ)充機(jī)制，該機(jī)制允許納管企業(yè)使用一定量的CCER進(jìn)行碳排放履約。目前，我國7個試點(diǎn)碳市場均引入抵消機(jī)制，制定了不盡相同的政策，其中6個試點(diǎn)發(fā)布了專門的碳排放權(quán)抵消機(jī)制管理規(guī)定。從規(guī)定上看，按照CCER可使用量計算方法的不同可將抵消機(jī)制分為兩類：1) 基于配額的抵消機(jī)制 (下文簡稱：配額機(jī)制)；2) 基于排放量的抵消機(jī)制 (下文簡稱：排放量機(jī)制)。值得關(guān)注的是，與CEA相比CCER具有價格優(yōu)勢，企業(yè)可通過充分使用CCER獲益。表1介紹了2019年我國碳市場的相關(guān)情況。以上海碳市場為例，其CEA和CCER的平均價格分別為33.42 元/t、3.61 元/t，CCER總成交量達(dá)1.512×107t，若全部用于履約可為納管企業(yè)節(jié)約碳排放成本4.5億元。

表1 2019年中國碳市場平均價格與抵消機(jī)制規(guī)定Table 1 The average price of CEA and CCER, and offsets mechanism policy of China's pilot carbon market in 2019

除了政府實(shí)施各項(xiàng)碳政策外，企業(yè)也在選擇綠色生產(chǎn)模式以降低碳排放量。其中，具有低成本、低耗材、低排放優(yōu)勢的再制造策略受到企業(yè)的廣泛關(guān)注，如惠普和卡特彼勒等。再制造是指通過檢測、拆卸、維修和測試等一系列程序?qū)U舊產(chǎn)品恢復(fù)到原始工作狀態(tài)的一種工業(yè)過程[1-3]，可有效實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用，具有顯著的碳減排效益，是企業(yè)向低碳生產(chǎn)轉(zhuǎn)型的有效途徑。再制造和碳市場在碳減排方面具有較強(qiáng)的一致性。

目前，許多學(xué)者對碳限額與交易制度下的制造/再制造生產(chǎn)優(yōu)化決策問題展開研究。杜少甫等[4]在國內(nèi)首先建立碳限額與交易制度下的生產(chǎn)決策優(yōu)化模型。常香云等[5]對比研究無碳排放約束、碳稅和碳限額3種碳政策下的制造/再制造生產(chǎn)決策問題。Liu等[6]在需求分布信息有限的情況下研究碳限額、碳稅和碳排放限額與交易制度3種碳政策對再制造的影響。Miao等[7]研究在碳稅和碳限額與交易制度下考慮以舊換再的再制造生產(chǎn)決策。Wang等[8]在不同的資本條件下建立3種優(yōu)化模型，研究生產(chǎn)決策和融資決策問題。陳玉玉等[9]基于碳限額交易制度研究再制造企業(yè)生產(chǎn)和減排投資決策。Zhou等[10]在碳稅制度下研究回收品質(zhì)量不確定的再制造問題。張煥勇等[11]將消費(fèi)者劃分為高端和低端群體，并將產(chǎn)品拓展為新品、再制造品、翻新品，研究碳限額與交易制度下的企業(yè)再制造問題。

盡管以上文獻(xiàn)對碳限額與交易制度下的制造/再制造生產(chǎn)決策進(jìn)行了廣泛的研究，但是涉及碳排放權(quán)抵消機(jī)制的研究還很少見。目前，對碳排放權(quán)抵消機(jī)制的研究聚焦于機(jī)制的運(yùn)作情況以及CEA和CCER的價格關(guān)系。李峰等[12]比較分析我國各試點(diǎn)碳市場的抵消機(jī)制。Mansanetbataller等[13]通過歐盟碳市場實(shí)證研究發(fā)現(xiàn)，在碳政策確定時，歐盟碳市場配額 (European Union allowance, EUA)和核證減排量 (certification emission reductions, CER)價格具有較強(qiáng)的一致性。Nazifi等[14]發(fā)現(xiàn)對CER的使用限制和抵消機(jī)制政策變化是影響EUA和CER價格差異的主要因素。Barrieu等[15]通過均衡框架證明履約規(guī)則是影響EUA和CER價格的顯著因素。但是，這些研究大都從理論以及實(shí)證角度分析碳排放權(quán)抵消機(jī)制，還沒有從運(yùn)作管理的角度分析其作用，更沒有文獻(xiàn)將其與制造/再制造問題相結(jié)合。

基于此，本文在碳限額與交易制度下分析碳抵消機(jī)制對制造/再制造生產(chǎn)決策的影響。分別構(gòu)建在碳抵消機(jī)制下的基于配額機(jī)制和基于排放量機(jī)制的生產(chǎn)決策優(yōu)化模型，分析在不同抵消上限、政府免費(fèi)配額和再制造品接受度下，兩種抵消機(jī)制對制造/再制造生產(chǎn)決策的影響。旨在通過該研究，為企業(yè)和政府提供更多決策依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 問題描述與假設(shè)

1.1 問題描述

考慮一個壟斷制造/再制造企業(yè)的單周期決策，在該周期內(nèi)同時生產(chǎn)新品和再制造品。新品的生產(chǎn)成本和碳排放量較高。另外，新品與再制造品在市場上存在競爭關(guān)系，消費(fèi)者對新品和再制造品的接受度不同。在碳限額與交易制度下，政府在當(dāng)期給予企業(yè)一定免費(fèi)配額，企業(yè)在期末使用CEA和CCER對碳排放進(jìn)行履約，不足或多余的部分可通過碳市場進(jìn)行交易，其中CCER的使用受抵消機(jī)制約束。

1.2 基本假設(shè)

本文用到的基本假設(shè)如下。

2) 企業(yè)的CEA、CCER、碳排放量只占市場的極小部分，其增減不會影響碳市場價格，即在單周期內(nèi)碳價格不發(fā)生波動。

3) 不考慮由于項(xiàng)目來源等因素對CCER使用形成的限制，CCER在碳市場充分可得無交易成本。

4) 隨著市場對CCER的需求增加，CEA和CCER的價格將分別出現(xiàn)下跌和上漲，CEA的價格總是不小于CCER[15]。

當(dāng)市場交易主體預(yù)期人民幣匯率升值時，出口企業(yè)為規(guī)避匯率風(fēng)險，具有定價權(quán)的企業(yè)可以通過提高出口產(chǎn)品價格來增加出口收入，不具備出口產(chǎn)品議價能力的企業(yè)則可能通過調(diào)低出口產(chǎn)品價格提高產(chǎn)品競爭力，出口收入隨之減少，同時國外進(jìn)口企業(yè)可能預(yù)計未來中國進(jìn)口產(chǎn)品價格上漲而加快進(jìn)口，從而加快貨物貿(mào)易跨境資金流出。

1.3 符號說明

本文用到的符號及其含義如表2所示。

表2 符號及其含義Table 2 Variables and parameters

2 模型建立與求解

2.1 模型建立

1) 不考慮抵消機(jī)制的最優(yōu)生產(chǎn)決策模型。

在不考慮抵消機(jī)制時，碳限額與交易制度下的企業(yè)利潤函數(shù)為

2) 考慮配額機(jī)制的最優(yōu)生產(chǎn)決策模型。

引入碳排放權(quán)抵消機(jī)制后，鑒于CEA與CCER實(shí)際存在的價格差，企業(yè)可以通過購買并使用CCER進(jìn)行履約獲得收益，這使得碳排放履約機(jī)理發(fā)生變化。詳見圖1。

圖1 碳排放履約機(jī)理Figure 1 Carbon emissions compliance mechanism

圖2 抵消上限 K 對碳價格ζCEA與ζCCER的影響Figure 2 The effect of K on ζCEA andζCCER

2.2 模型求解

2.2.1 抵消機(jī)制對生產(chǎn)決策最優(yōu)解的影響

3 數(shù)值分析

表3 相關(guān)參數(shù)設(shè)定Table 3 Related parameter assignment

3.1 抵消上限對最優(yōu)生產(chǎn)決策的影響

圖3、圖4分別描述了在不同抵消上限K下，配額和排放量機(jī)制下的制造/再制造最優(yōu)生產(chǎn)決策及碳排放量E的變化。

圖3 配額機(jī)制下抵消上限 K 對最優(yōu)生產(chǎn)決策的影響Figure 3 The effect of K on optimal production decision under allowance-based mechanism

圖4 排放量機(jī)制下抵消上限 K 對最優(yōu)生產(chǎn)決策的影響Figure 4 The effect of K on optimal production decision under emission-based mechanism

由圖3可知，在配額機(jī)制下，由于K的提高使企業(yè)可以使用更多CCER且降低了CEA價格，這減少了企業(yè)碳排放成本，削弱了再制造品的低排放優(yōu)勢，企業(yè)生產(chǎn)更多的新品并減少再制造品產(chǎn)量，產(chǎn)品總量小幅上升，碳排放量提高。這驗(yàn)證了命題1。

由于抵消機(jī)制降低了碳排放成本，相較于機(jī)制引入前，企業(yè)總是會選擇生產(chǎn)更多的新品，降低再制造產(chǎn)量，造成更多的碳排放。

3.2 再制造品接受度對最優(yōu)生產(chǎn)決策的影響

圖5、圖6分別描述了在不同抵消上限的情形下，再制造品接受度對配額和排放量機(jī)制下的制造/再制造最優(yōu)生產(chǎn)決策的影響。

圖6 排放量機(jī)制下再制造品接受度 α對最優(yōu)生產(chǎn)決策的影響Figure 6 The effect of α on optimal production decision under emission-based mechanism

觀察可知，當(dāng)α較低時企業(yè)只生產(chǎn)新品，隨α提高增產(chǎn)再制造品的同時減產(chǎn)新品，并在 α較大時只生產(chǎn)再制造品，當(dāng)α繼續(xù)向1趨近，再制造品產(chǎn)量小幅增加。在同時生產(chǎn)新品和再制造品的情形下，α越大時最優(yōu)生產(chǎn)決策對于K變化越敏感，再制造品接受度高的企業(yè)更應(yīng)關(guān)注碳市場抵消上限政策的變化。

對比圖5、圖6，K變化對于排放量機(jī)制下的最優(yōu)生產(chǎn)決策影響更顯著。這是由于此機(jī)制下產(chǎn)量不僅受到CEA價格影響，還受到CCER可使用量及價格的雙重影響。觀察圖6可以發(fā)現(xiàn)，在K較大時其變化影響減弱 (K= 0.4和0.7時，曲線接近)。這進(jìn)一步驗(yàn)證了命題1、命題2。

3.3 政府免費(fèi)配額與抵消上限對企業(yè)利潤差額的影響

由圖3、圖4可知，當(dāng)前參數(shù)下E在1 000左右。觀察圖7可知，當(dāng)Eg明顯大于 (小于)E時，配額 (排放量)機(jī)制下的企業(yè)利潤更高，K在一定范圍內(nèi)提高會放大這種差異。但若是K過高，由于CEA與CCER的同質(zhì)化，兩種機(jī)制在企業(yè)利潤上的差異被削減。同樣，在K極小時差異也有限。

圖7 政府免費(fèi)配額和抵消上限K對兩種機(jī)制下企業(yè)利潤差額的影響Figure7Theeffect of Egand Kon Π3′-Π2′

若制造/再制造企業(yè)的碳減排水平較高，能取得高于實(shí)際排放量的免費(fèi)配額，在配額機(jī)制下運(yùn)作更具經(jīng)濟(jì)效益。反之，在排放量機(jī)制下運(yùn)作更優(yōu)。制造/再制造行業(yè)具有工廠分散的特點(diǎn)，例如卡特彼勒在中國多省市設(shè)立了工廠，加之目前碳市場的抵消機(jī)制各不相同，碳排放權(quán)抵消機(jī)制能對企業(yè)的業(yè)務(wù)布局和投資決策造成具有現(xiàn)實(shí)意義的影響。例如企業(yè)可優(yōu)先對在配額機(jī)制下運(yùn)作的工廠進(jìn)行碳減排投資，獲得超出行業(yè)的碳減排水平。

3.4 抵消上限對消費(fèi)者剩余和社會總福利的影響

圖8描述了θ=1時抵消上限K對兩種機(jī)制下的企業(yè)利潤Π、消費(fèi)者剩余CS和社會總福利W的影響。

圖8 抵消上限對企業(yè)利潤、消費(fèi)者剩余和社會總福利的影響Figure 8 The effect of K on Π, CS andW

值得注意的是，在設(shè)定抵消上限時適度犧牲企業(yè)利潤能夠?qū)崿F(xiàn)社會總福利最大化，政府可以據(jù)此合理設(shè)定抵消上限。并且，在當(dāng)前參數(shù)的分析下，排放量機(jī)制更具優(yōu)勢。

4 結(jié)論

本文研究了碳限額與交易制度下考慮碳排放權(quán)抵消機(jī)制的制造/再制造生產(chǎn)決策優(yōu)化問題。根據(jù)我國碳市場實(shí)際情況引入抵消機(jī)制，構(gòu)建了制造/再制造生產(chǎn)決策優(yōu)化模型，并得到相應(yīng)的最優(yōu)解。對比分析了基于配額和基于排放量兩種抵消機(jī)制下，抵消上限和再制造品接受度變化對最優(yōu)生產(chǎn)決策的影響，并進(jìn)一步分析抵消上限對企業(yè)利潤、消費(fèi)者剩余和社會總福利的影響。主要結(jié)論如下。

1) 抵消機(jī)制使新品增產(chǎn)，再制造品減產(chǎn)。提高抵消上限會使企業(yè)制造更多新品，減少再制造品產(chǎn)量，產(chǎn)品總量和碳排放量增加。排放量機(jī)制下，在上限較高時提高上限會帶來相反效果。

2) 企業(yè)同時生產(chǎn)新品和再制造品時，消費(fèi)者對再制造品的接受度越高，抵消上限變化對最優(yōu)生產(chǎn)決策的影響越大。

3) 政府免費(fèi)配額影響兩種抵消機(jī)制在企業(yè)利潤上的大小對比。配額較高時，配額機(jī)制下的企業(yè)利潤更高；配額較少時，排放量機(jī)制下的企業(yè)利潤更高。提高抵消上限會使得利潤差距先放大后縮小。

4) 抵消機(jī)制提高了企業(yè)利潤，但提高抵消上限不總是降低碳排放成本。隨著抵消上限的提高，企業(yè)利潤先增加后減少。

5) 抵消機(jī)制增加了消費(fèi)者剩余和社會總福利。配額機(jī)制下，消費(fèi)者剩余隨抵消上限增加而增加；排放量機(jī)制下，提高抵消上限會使消費(fèi)者剩余先增加后減少；社會總福利均隨抵消上限提高先增加后減少。

碳排放權(quán)抵消機(jī)制能給企業(yè)、消費(fèi)者和社會帶來福利，但會使再制品產(chǎn)量降低。抵消上限在一個適中區(qū)間內(nèi)變動時的影響具有不確定性，政府應(yīng)設(shè)定一個較低水平的上限，并且謹(jǐn)慎調(diào)整，確保碳政策調(diào)整方向精準(zhǔn)可控。政府在設(shè)定抵消上限時可以適當(dāng)犧牲企業(yè)利潤以獲得更大的社會福利。鑒于我國當(dāng)前的碳政策，基于排放量的抵消機(jī)制可以給社會帶來更多福利。

需要指出的是，本文假設(shè)碳市場中的CCER充分可得無交易成本，但實(shí)際上CCER以市場主體間的協(xié)議交易為主，存在交易壁壘。下一步可探討在CCER供給不充足且存在壁壘的情況下抵消機(jī)制對企業(yè)生產(chǎn)決策的影響。