可再生能源配額制與碳排放權交易并行實施的政策效果

鮑熊劍濤, 趙文會, 宋亞君, 王曉梅

(1.上海電力大學 經(jīng)濟與管理學院,上海 200090; 2.國網(wǎng)上海市電力公司 崇明供電公司,上海 202150; 3.上海交通大學 國家電投智慧能源創(chuàng)新學院,上海 200240)

0 引言

固定上網(wǎng)電價(Feed-in Tariff，F(xiàn)IT)政策激勵了中國可再生能源電力的投資，但電網(wǎng)消納能力的不足造成“棄電”現(xiàn)象[1]?？稍偕茉措娏ρa貼的缺口促使中國引入可再生能源配額制(Renewable Portfolio Standards，RPS)。配額制為一種數(shù)量驅動(Quantity Driven)支持機制，其實施一般輔之以可交易的綠色證書(Tradable Green Certificate，TGC)[2,3]，借助市場以最小系統(tǒng)成本完成能源轉型[4]。另一方面，中國同期為實現(xiàn)減排承諾，以電力行業(yè)作為試點對象建立了全國碳排放權交易(emissions trading，ET)。因此，需分析上述兩項政策并行實施于電力市場時，政策間的相互作用對實施效果的影響?，F(xiàn)有文獻多假設以發(fā)電商為配額制的責任主體，不符合中國的政策現(xiàn)狀。故本文建立以售電商為配額制的責任主體的兩級供應鏈模型，通過引入售電商競爭強度變量，建構了包含若多個售電商的完全競爭零售市場。從而本文在更為一般的情境中，研究了以售電商為配額制的責任主體時，市場參與者的博弈行為與政策實施效果，并基于均衡結果具體分析了配額比例、碳排放權價格與售電商競爭強度等因素的作用方式。

1 文獻綜述

1.1 可再生能源配額制的相關研究

綠色證書價格受供求關系影響，較大的可再生能源電力產(chǎn)量波動可能造成證書價格的劇烈變動[5]。為提高制度的效率，配額比例應使證書具備稀缺性[6]。同時，綠色證書交易通過成本與價格的傳導，作用于電力市場。雖然可再生能源配額制可使得邊際電價下降[7]，但難以確定對零售電價的影響[7,8]。較之固定上網(wǎng)電價政策，可再生能源配額制激勵投資的效果更為平穩(wěn)[9,10]，但有必要設置合理的配額比例與罰金[9,11]。然而，配額制增加了新投資者面臨的風險[3]，面臨難以促進可再生能源發(fā)電技術革新[12]，抬高綠色證書與電力價格等問題[13]。

1.2 可再生能源配額制與碳排放權交易的相互作用

政策工具組合(Policy Mix)的內涵同時囊括了政策工具間的相互作用，政策制定過程及長期目標，于近年被用于討論碳排放權交易與可再生能源電力支持政策并存的情境[14～16]。因可再生能源電力的環(huán)境效益，兩項制度的目標實現(xiàn)路徑與實施效果存在重疊[17]，即規(guī)制重疊效應(overlapping regulation effects)[18]。具體而言，包括碳排放配額是否考慮了配額制的額外減排效應，以及額外減排效應如何影響碳排放權價格[7,16,19,20]。然而，該效應的具體影響尚無定論[19～23]。

此外，綠色證書價格將通過電力價格與碳排放權價格構成聯(lián)系[8]。引入碳排放權交易后，綠色證書的價格隨零售電價上漲而下降[8]。但更為嚴格的碳排放要求不僅可能減小可再生能源發(fā)電量[24]，且不利于分布式可再生能源的發(fā)展[25]。

中國的可再生能源配額制度將以售電商為責任主體[26]，但少有文獻以該前提分析配額制的政策效果[27]，且多簡化為寡頭模型。本文針對上述兩點不足，納入售電商競爭變量拓展已有均衡模型，使結論符合政策實踐的同時具備普適性。

2 理論假設與博弈模型

如圖 1所示，建立一個兩級供應鏈模型分析政策的實施效果。圖1包含批發(fā)市場與零售市場。假設批發(fā)市場包括火力發(fā)電商與可再生能源發(fā)電商兩類發(fā)電主體，二者向售電商出售火電與可再生能源電力的價格分別為wi,t和wr,i。由于不同能源生產(chǎn)的電力的物理屬性基本一致，難以區(qū)分銷售，因此假定售電商打包不同類型電力，以單一價格pi出售消費者。綜上，發(fā)電商的集合為M={1,2}，售電商的集合為R={1,2,…,n}。兩類發(fā)電商的批發(fā)價格策略向量分別為wt={wt,1,wt,2,…,wt,n}和wr={wr,1,wr,2,…,wr,n}；售電商的零售價格策略向量為p={p1,p2,…,pn}。博弈順序為：第一階段，發(fā)電商在批發(fā)市場報價，且火力發(fā)電商與可再生能源發(fā)電商分別決策最優(yōu)減排量與綠色證書價格，以最大化自身利潤；第二階段，售電商購買電力后，制定零售電價出售消費者獲取最大利潤。

圖1 電力供應鏈結構與博弈順序

2.1 符號說明

各變量說明參見表1。其中pi、wt,i、wr,i、cg,i與Ai為決策變量，πr,i、πmt與為πmr目標函數(shù)，其他參數(shù)為常量。

表1 模型參數(shù)說明

2.2 基本假設

(1)

假設售電商僅購買配額比例的可再生能源電力，則售電商i的利潤函數(shù)為:

πr,i=α(pi+cg,i-wr,i)qi+(1-α)(pi-wt,i)qi

(2)

ct和cr分別為生產(chǎn)單位火電與單位可再生能源電力平均成本。同時引入可再生能源配額制與碳排放權交易時，火電與可再生能源電力發(fā)電商總利潤分別為:

(3)

(4)

當只引入可再生能源配額制時，上述假定不變，火力發(fā)電商的目標函數(shù)為:

(5)

3 模型求解

本節(jié)目標函數(shù)的Hessian矩陣是負定的。

3.1 零售市場均衡結果

根據(jù)博弈順序和逆向求解法，首先求解售電商的最優(yōu)零售電價。由于售電商目標函數(shù)的Hessian矩陣負定，售電商的最優(yōu)零售電價可由式(2)一階條件解得：

(6)

其中ηi=α(wr,i+cg,i)+(1-α)wt,i，表示售電商采購單位電力的成本。式(6)表明售電商依據(jù)市場潛在需求，售電商之間的采購成本差值以及售自身采購成本決策零售電價。

3.2 批發(fā)市場均衡結果

發(fā)電商利用售電商的價格反應函數(shù)決定批發(fā)市場報價。發(fā)電商目標函數(shù)的Hessian矩陣負定，由式(3)和式(4)一階條件可得批發(fā)電價與售電商采購成本為:

(7)

(8)

3.3 最優(yōu)減排量

火力發(fā)電商的最優(yōu)減排量可由一階條件?πmt/?Ai=0解得:

(9)

4 制度實施影響分析

相類似，可解得只引入可再生能源配額制時的Nash均衡解，如表2所示。

表2 電力供應鏈Nash均衡結果

計算表2兩種情境均衡結果的差值，可得到在實施可再生能源配額制的基礎上，引入碳排放權交易對供應鏈的影響：

(10)

(11)

則總電力需求變動為:

(12)

命題1引入碳排放權交易后，火力發(fā)電商將轉嫁部分碳排放成本，導致火電與可再生能源電力批發(fā)價格分別上漲和下降，零售電價提高，抑制消費者電力需求。碳排放權交易將增加消費者的用電成本。

命題1與其他研究結論相符：碳排放權交易的引入使得環(huán)境成本內化至火電生產(chǎn)成本，火電批發(fā)價格與零售電價隨之上漲[32]；同時碳排放權交易可能造成綠色證書價格下降[33]。命題1進一步指出，碳排放權價格上漲將促使可再生能源發(fā)電商降低報價，以最大化自身利潤。換言之，可再生能源電力批發(fā)價格(含綠色證書價格)因引入碳排放權交易而下降。雖然售電商采購綠色電力的成本因此而降低，零售電價仍將因碳排放權交易而上漲。

式(10)和式(11)中引入碳排放權交易對電價與電力需求的影響可拆解為火電增加成本(ei-pc,i/2ζ)pc,i與某一系數(shù)乘積。在消費側，該系數(shù)由配額比例α與售電商差異性γ構成；在批發(fā)側，由配額比例α構成。下文對諸參數(shù)做進一步討論。

4.1 碳排放權價格與減排成本對政策效果的影響

命題2火電減排成本提高與碳排放權價格上升將提高火電批發(fā)價格與零售電價漲幅，同時增加可再生能源電力價格與電力需求量降幅。

火電批發(fā)價格上升源于火力發(fā)電商尋求將增加的成本轉嫁至售電商。觀察式(8)售電商的反應函數(shù)可知，售電商將因此尋求抬高電力零售價格，用電成本增加隨之造成電力需求減少[8]。然而，碳排放權交易將同時影響可再生能源發(fā)電商的收益。命題2表明，可再生能源發(fā)電商為減小電力需求下降對利潤的負面影響，降低自身批發(fā)價格，從而削減火力發(fā)電商轉嫁成本所造成的電力需求量下降。然而均衡結果表明，可再生能源電力批發(fā)價格的降低不足以抵消轉嫁的碳排放權交易成本，最終零售電價上漲，總電力需求量下降。因此，碳排放權交易的引入亦使可再生能源發(fā)電商的收益面臨下行壓力。

4.2 零售側競爭對政策效果的影響

命題3售電商差異性對均衡結果直接影響不明確。但當售電商差異性提高時，引入碳排放權交易造成的零售電價漲幅下降，消費者承擔的轉嫁成本減小，故電力需求降幅減小。當火電減排成本與碳排放權價格提高時，零售電價與電力需求量的變化幅度將隨售電商差異性增加而趨于平緩。

與直覺認識不同，由于零售電價均衡結果包含一項其他售電商購電成本之和，因此當有更多售電商參與競爭時，消費者的用電成本并非必然降低。另一方面，當售電商可提供多樣化服務，即售電商差異性增加時，雖然無法判明其對均衡結果的直接影響，但零售電價差值對電力需求的影響增強。因此，售電商將減少轉嫁因碳排放權價格上漲而增加的成本，從而消費者承擔的碳排放權交易轉嫁成本減小。同理，高配額比例情境下，碳排放權價格與減排成本上升帶來相對較小的零售電價漲幅與電力需求量降幅。

4.3 配額比例對政策效果的影響

命題4配額比例對均衡結果的直接影響不明確。隨著配額比例提高，零售電價漲幅，可再生能源電力批發(fā)價格漲幅與電力需求量降幅減小。當火電減排成本與碳排放權價格提高，零售電價，可再生能源電力批發(fā)價格與電力需求量的變化幅度更為平緩。但火電價格變動與配額比例無關。

當配額比例提高時，由售電商的反應函數(shù)式(8)可知，零售電價漲幅將因此減小，從而電力需求量的降幅收窄。故碳排放權交易對可再生能源發(fā)電商利潤的負面影響減弱，可再生能源電力批發(fā)價格(含綠色證書價格)降幅減小。命題4進一步指出，雖然高配額比例可削弱引入碳排放權交易對電價與電力需求的影響，但火力發(fā)電商轉嫁的碳排放權交易成本大小不受配額比例影響。

5 結論

本文構建了包含發(fā)電商與售電商的兩階段Stackelberg模型，將可再生能源配額制的分析拓寬至售電商為考核主體的情境。模型同時納入碳排放權交易，以厘清兩項制度并行實施時，政策組合間的相互作用對電力系統(tǒng)供應鏈的影響。

研究結果表明，碳排放權交易內化環(huán)境成本于火電批發(fā)價格的同時，導致可再生能源電力批發(fā)價格下降。由于兩種電力的價差減小，有利于實現(xiàn)在同一價格水平競爭。然而，碳排放權交易將增加消費者的用電成本，抑制電力需求。電力需求降幅隨碳排放權價格與減排成本成正比。因此，可再生能源發(fā)電商的利潤將間接受到負面影響。反觀可再生能源配額制，配額比例不影響火電批發(fā)價格的漲幅，即碳排放權交易對環(huán)境成本的內化效果。當配額比例提高時，因售電商的轉嫁成本減小，消費者的用電成本漲幅降低，從而減弱碳排放權交易對電力需求的抑制作用。加之可再生能源電力批發(fā)價格降幅減小，因此高配額比例可削弱碳排放權交易對可再生能源發(fā)電商利潤的負面影響。

另一方面，就售電商競爭程度對政策效果而言，雖參與競爭的售電商個數(shù)影響不明，但當售電商提供多樣化服務，彼此間的差異性增加時，將減小售電商的轉嫁成本，由此減弱故因碳排放權交易造成的用電成本提高與電力需求下降。進一步，當碳排放權價格與減排成本上升時，售電商差異性的提高亦可平抑可再生能源電力批發(fā)價格與零售電價的波動。

綜上，可再生能源配額制與碳排放權交易并行實施將發(fā)揮制度間的互補效應。但是，碳排放權交易造成的用電成本提高可能降低政策實施效率。結合本文結論，政策制定者需實施其他配套措施，如可考慮將企業(yè)的碳排放權交易收入或政府罰金所得收入部分返還消費者，通過此類補貼減緩用電成本上升的負面影響。此外，建議對售電商的增值服務展開研究，增強零售電力市場的競爭性，以減少售電商轉嫁給消費者的成本。本文已討論了兩項制度并行實施對電力供應鏈帶來的影響，但對配額比例的假設較為嚴格，同時忽略了電力網(wǎng)絡的物理約束。未來將在此基礎上放松對配額比例的假設，進一步分析考慮物理約束的政策效果與相互作用。