考慮碳價下限的燃煤發電碳減排投資及其政策分析

張新華，黃天銘，甘冬梅，葉 澤

（長沙理工大學經濟與管理學院，湖南 長沙 410114）

1 引言

全球氣候變暖是當今人類社會所面臨的最大挑戰之一。在氣候變暖的諸多原因中，人類活動排放的二氧化碳被認為是主要原因。中國《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》的總體目標為：到2020年，單位國內生產總值二氧化碳排放比2015年下降18%，碳排放總量得到有效控制，并將其作為約束性指標，納入了國民經濟和社會發展規劃。研究機構Carbon Brief根據最新的統計數據推算：2018年我國二氧化碳排放總量約為100億噸，其中煤炭消費排放的二氧化碳為73億噸，而燃煤機組發電消耗的煤炭約占全社會煤炭消費一半以上，因此2018年燃煤發電排放二氧化碳36億噸以上。顯然，作為碳排放主要來源之一，分析和探討燃煤發電商的碳減排投資及其相關政策，對推動低碳電力市場的建立，實現國家碳減排宏觀政策的實施無疑具有重要的現實意義。

目前發電市場的碳減排途徑主要體現為發展清潔能源（如風電、太陽能光伏發電等）、對燃煤機組進行技術改造等兩方面。由于目前我國燃煤發電機組容量占55%以上（發電量占60%以上），而清潔能源發電機組的發電出力往往帶有隨機性，因此在確保電力供給前提下實現我國電力市場的碳減排目標，對現有燃煤機組進行技術改造，以降低單位電量碳排放水平尤為重要。本文將上述燃煤發電機組技術性改造支出稱為 “碳減排投資”。就目前電力市場實踐來看，碳減排投資包括發電機組檢修、燃煤處理工藝改造、關鍵設備更換等有利于降低單位發電量碳排放的技術性改造投資或安裝碳減排裝置（如CCS）等方面的投資。發電商碳減排投資的回報是減排的碳排放權在碳交易市場上的成交“價值”，可表示為碳價（單位碳排放權的市場價格）、上網電量及減排成本等變量的函數，而這些變量都是隨機變化的，因此燃煤發電商在進行碳減排投資決策時，需綜合考慮碳價等多重不確定性。對市場規制機構而言，為實現總體的碳減排目標，針對上述不確定性因素，出臺燃煤發電碳減排投資激勵政策是必需的。在影響燃煤發電碳減排投資的因素中，燃煤發電商的上網電量受電力需求等眾多因素影響、碳減排成本是減排投資商的私有信息，因此規制機構通過干預碳價來激勵燃煤發電碳減排投資成為一種選擇。

目前有關碳減排的文獻越來越多，其中燃煤發電商的碳減排投資（尤其是CCS投資）方面的文獻主要集中在以下幾方面：

一是從燃煤發電商的角度出發，針對不確定的外部因素，運用實物期權方法討論發電商的最優碳減排投資策略。Abadie和Chamorro［1］假設碳價服從幾何布朗運動、電價服從均值回歸，針對西班牙電力市場分析發電商的碳捕獲與儲存（CCS）投資策略。Wang Xiping 和Du Lei［2］考 慮 碳 價、燃 料 價格、投資成本和政府補貼的不確定性，運用實物期權理論對現有火電CCS投資項目進行評價。Zhu Lei和Fan Ying［3］針對上網電價、碳價、投資成本和運行維護成本不確定的情況，討論CCS投資策略，并采用最小二乘蒙特卡羅（LSM）方法對復雜模型進行求解。Zhang Xian 等［4］提出碳價、政府激勵、設施年運行時間、機組生命周期、技術進步等不確定條件下的CCS投資決策模型。與上述文獻不同，考慮碳價的不確定性和隨機性，Walsh等［5］通過構建實物期權數學模型，研究發電商CCS 投資的最優時機。王素鳳等［6］分析了碳減排技術進步、電力價格、燃料價格、碳價、補貼政策和投資項目的碳減排率等不確定條件下的發電商碳減排投資決策。顯然上述文獻的分析范式是相似的，提出的投資模型的主要區別在于考慮的不確定因素是不同的，因此這些模型的具體求解過程和分析結果也是有差異的。

二是針對政策因素對低碳投資的影響，從鼓勵投資的角度提出政策建議。Fan Lin等［7］討論了碳管制政策不確定性下規避風險的發電商的產能投資策略。Zhou Wenji等［8］討論了政策對低碳技術投資的影響。針對碳減排不確定性下的最優投資，Wang Mingxi等［9］的研究表明：在缺乏政策引導的情況下，單個發電商的投資將偏離最優投資水平。Chen Huadong等［10］考慮碳市場和補貼政策的共同作用下，分析了發電補貼對中國燃煤電廠碳捕獲與封存改造投資和碳減排的影響。Cao Kaiying等［11］研究了總量管制和貿易政策以及低碳補貼政策對制造商生產和碳減排水平的影響，并探討了哪些政策對社會更有利。Zhang Mingming等［12］提出了一個估計可再生能源發電項目最優補貼的實物期權模型，并利用項目價值和閾值來得到最優補貼。此外，對碳減排政策的評價也有一些參考文獻，如Lu Liwei［13］。

三是關于我國的碳減排方面的討論，汪明月等［14］討論了合作減排，趙黎明和殷建立［15］討論了碳交易和碳稅，張新華等［16］考慮了碳調度模式下的減排投資策略，而程發新和邵世玲［17］討論了企業自主減排，黃守軍和楊?。?8］則討論了競爭性減排。

與上述研究不同的是，近年來有一些研究文獻關注碳價下限對低碳投資的影響。Wood 和Jotzo［19］比較了碳價格下限機制的三種情況。Egli和Lecuyer［20］分析了碳價下限對德國電力市場和可再生能源補貼的影響。Brauneis等［21］利用蒙特卡羅方法研究碳價格下限對低碳技術投資的影響，其中碳價格下限反映在碳價格樣本的路徑數據處理中。文獻［19-21］的研究結果表明：碳價下限政策可以促使發電廠更早地進行投資。對于中國未來的碳市場，Mo Jianlei等［22］討論了上網電價、碳價格下限和上限等因素對低碳能源投資的影響，以風力發電仿真為例的分析結果表明：現有的能源政策不足以支持風電投資，包括碳價下限的碳價穩定機制可能激勵低碳能源投資。這一結果意味著，在中國未來的碳交易市場上，碳價下限政策未必會促使燃煤發電廠進行碳減排投資。

本文針對碳價、上網電量以及碳減排單位運維成本均隨機波動的情況，構建考慮碳價下限的燃煤發電商碳減排投資實物期權模型。在此基礎上，針對某60萬千瓦燃煤發電機組，通過數值仿真考察碳價下限對碳減排預期投資時間的影響，并討論碳價初值、碳減排單位運維成本初值等對碳價下限政策激勵的有效性，比較碳價下限政策與直接投資補貼政策的優劣。和現有相關文獻比較，本文在以下方面進行了創新性嘗試：（1）構建了碳價、發電商上網電量、碳減排設施運維成本多重隨機波動情況下的碳價下限期權博弈模型；（2）討論了促使發電商碳減排“立即”投資的初始碳價和碳減排設施的單位運維成本初值條件，即考察了碳價下限政策對碳減排投資的有效性條件；（3）通過比較同一預期投資時間情況下所需的補貼資金大小，討論碳價下限和直接碳減排投資補貼的優劣。

2 燃煤發電商碳減排投資模型

假定電力市場中二氧化碳排放權價格（碳價）、燃煤發電商的上網電量以及碳減排設施的單位運行維護費都是隨機波動變化的。

參考Abadie和Chamorro［1］，Zhang Mingming等［12］，Zhu Lei和Fan Ying［23］，Tian Lixin等［24］，假定碳價p c（元／噸）服從以下幾何布朗運動

其中μp＞0，σp＞0是漂移項和標準差，dz p是標準維納過程，dt為無限趨近零的時間間隔。類似地，基于Cardin等［25］和Pringles等［26］，假定發電商的上網電量q（k Wh）也服從以下幾何布朗運動

其中μq＞0，σq＞0 分別是漂移項和標準差，dz q是標準維納過程。進一步地，由Brauneis等［21］，假定燃煤發電商碳減排設施的單位運行維護費用c（元／噸）滿足如下變化過程：

其中μc＞0，σc＞0表示漂移項和標準差，dz c是標準維納過程。

燃煤發電商碳減排投資收益包括兩方面：一是如燃煤發電商不進行碳減排投資，則需要外購碳排放權，該購買成本可視為碳減排投資收益；二是可將多余的碳排放權外賣直接獲得收益。燃煤發電商碳減排投資利潤π（億元）可表示為：

上式中，p f＞c為碳排放權價格下限（元／噸），η（噸／千瓦時）為單位發電量通過碳減排設施減排的二氧化碳，τ為企業所得稅率。因此，發電商的碳減排投資價值函數V滿足：

式中，E（·）表示取期望，r為無風險利率。由Huisman 等［27］，將式（4）代入式（5），則有：

求解上式，則有

在p c＞p f情況下，若燃煤發電商不進行碳減排投資，則其持有投資期權的價值函數F（p，q，c）滿足：

式中，D，D1為待定系數。顯然，當p c=c，即ζ=1時，F=0，因此有D+D1=0，因此燃煤發電商的碳減排投資期權函數為：

由實物期權理論，在投資閾值點ζ*，滿足：

式中，I為燃煤發電商的碳減排投資額?；喩鲜?，即有：

將式（8）代入上式，整理則有：

顯然，式（11）給出了燃煤發電商碳減排投資閾值條件，即投資閾值由碳價，上網電量q*以及碳減排設施運維成本c*共同決定，并且與碳價下限p f等參數有關。

3 碳減排投資模型分析

顯然，當碳價p c（t）≥，上網電量q（t）≥q*或碳減排設置單位運維成本c（t）≤c*時，燃煤發電商將進行碳減排投資，否則將持有投資期權，待式（11）表示的閾值條件滿足后再進行投資。由于式（11）給出的表達式相對復雜，為直觀地討論碳價下限政策對碳減排投資的激勵作用，下文針對某60萬千瓦燃煤機組進行數值分析，相關參數見表1。

表1 基本參數表

表1中參 數 參 考 了Brauneis 等［21］，Tian Lixin等［24］，Cardin 等［25］，Pringles 等［26］，Mo Jianlei和Zhu Lei［29］。

將表1中相關參數代入式（11），則可得到燃煤發電商碳減排投資閾值對應的上網電量、碳價以及碳減排設施的單位運維成本之間的關系。圖1給出了p c≥p f=40時的p*c-q*關系曲線，圖中從上至下依次為c=30，15，5三種情況。

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圖1 碳減排投資閾值條件下p*c -q* 關系曲線

圖1中水平虛線為q*=15億千瓦時，其與c=5，15，30三條曲線相交于=49.7，69.8，96.0，也就是說：當c=5，15，30時，若＜49.7，69.8，96.0元／噸，則燃煤發電商不會進行碳減排投資。

從圖1 可看出：（1）當碳減排單位成本c一定時，隨碳價的上漲，以燃煤發電商上網電量為標志的碳減排投資閾值逐步遞減；（2）減排單位成本c與碳減排投資閾值正向變化，其對閾值的影響隨碳價的遞增而遞減，當碳價遞增到一定程度，碳減排單位成本對投資閾值幾乎沒有影響。

3.1 碳價下限對碳減排預期投資時間的影響

若設p c（t）的初值為p c0，其達到投資閾值p*c的時間為t s，由Rhys等［29］，有：

因此有：

其中，q0，c0為q（t），c（t）的初值，q*，c*為投資閾值。將式（12）（13）代入式（11），則可得到碳減排投資的期望時間E（ts）=ts（p f，p c0，q0，c0）。圖2給出了c0=15，q0=15且p c0=35，45，55，65，75情況下，碳減排投資預期時間E（ts）隨碳價下限p f的變化曲線。

圖2 碳減排期望投資時間隨碳價下限變化曲線

從圖2中可以看出：（1）隨著碳價下限p f的遞增，燃煤發電商的預期投資時間E（ts）隨之遞減，也就是說，碳價下限支持政策可能會激勵燃煤發電商提早進行碳減排投資。（2）圖中p c0=35，45兩種情況下的E（ts）曲線與橫坐標軸沒有交點（E（ts）=0），因此實施碳價下限支持政策無法激勵燃煤發電商立即進行碳減排投資。（3）當p c0=55，65，75時，則可通過碳價下限政策激勵燃煤發電商立即進行投資；若記E（ts）=0與橫坐標軸交點對應的碳價下限為，則隨碳價初值p c0的遞增而遞減。

3.2 碳價下限對碳減排投資激勵的有效性討論

圖2分析結果表明：碳價下限政策能否有效激勵燃煤發電商提早進行碳減排投資，與碳價初值等因素有關，即若碳價初值過低，即使有更高的碳價下限，也無法激勵發電商在預期的時間內進行投資。

進一步地，圖3給出了c0=15時，燃煤發電商立即投資（即E（ts）=0）情況下，碳價初值與碳價下限的關系曲線。圖中高于=p c0的粗虛線表示當碳價下限高于該虛線值時，碳價下限政策不再有激勵作用，該虛線對應圖2中類似p c0=35，45情況下曲線的最右端點值。

圖3 激勵碳減排立即投資的碳價下限

圖4中從左至右依次給出了c0=5，15，30情況下，燃煤發電商立即投資情況下碳價下限隨著碳價初值的變化曲線。從圖中可得：（1）當c0=5時，當碳價初值42.5＜p c0＜57.0時，碳價下限激勵是有效的，并隨碳價初值的遞增，有效的碳價下限從=42.5逐步遞減至零。（2）當c0=15時，當碳價初值53.45＜p c0＜80.0時，碳價下限激勵是有效的，并隨碳價初值的遞增，有效的碳價下限從=53.45逐步遞減至零。（3）當c0=30時，當碳價初值69.92＜p c0＜120.0時，碳價下限激勵是有效的，并隨碳價初值的遞增，有效的碳價下限從=69.92逐步遞減至零。

圖4 不同減排成本情況下，激勵發電商立即投資的碳價下限隨碳價初值的變化曲線

圖4表明：碳價下限對碳減排投資的激勵是否有效與碳價初值p c0和碳減排成本初值c0有關。在圖4基礎上，通過考察更多的單位碳減排成本初值情況，則可以得到如圖5所示的碳價下限政策實施的有效區域。

圖5 碳價下限政策實施的碳價初值與減排成本初值有效區域

圖5中兩條遞增的曲線將平面分為3個區域，不妨稱上面的曲線為上確界，下面的曲線為下確界，則有：（1）當碳價初值高于上確界時，即使沒有實施碳價下限支持政策，燃煤發電商也會立即進行碳減排投資；（2）當碳價初值低于下確界時，碳價下限支持政策無法激勵燃煤發電商立即進行碳減排投資；（3）當且僅當碳價初值處于圖5中上確界和下確界圍成的區域，碳價下限激勵政策才有效的，即可通過碳價下限的調整來誘導燃煤發電商的預期碳減排投資時間。

4 碳價下限與直接碳減排投資補貼政策的比較

實施碳價下限支持政策的目的是激勵燃煤發電商提早進行碳減排投資，而維持碳價下限政策需要政府進行補貼，即當碳價波動到低于碳價下限時，政府通過補貼將碳價維持在碳價下限處。實施碳價下限支持政策預期要補貼的資金貼限值為BT1為：

類似地，實施稅收優惠政策政府少收的稅收貼現值T x為：

顯然，式（14）（15）都很難得到解析解，因此不妨采用Monte Carlo方法，對p c（t），c（t），q（t）分別抽樣N 次，然后分別代入式（14）（15），針對Ω1和Ω2區間計算每一條樣本路徑上的BT1或T x，并將其均值作為BT1和T x的估計值。

圖6給出了N=10000，p c0=60，c0=15時，政府總補貼額隨燃煤發電商預期投資時間的變化曲線。圖中從上至下依次為κ=0，0.4，1.0情況下直接投資補貼額（政府直接對燃煤發電商的碳減排投資額進行補貼，相應的稅收優惠按式（15）估算）與預期投資時間的關系曲線，最下面的遞減曲線為碳價下限支持政策下補貼額（按式（14）估算）與預期投資時間的關系曲線。

圖6 不同政策下發電商預期投資時間與總補貼額關系

圖6表明：（1）不論在哪種支持政策（碳價下限或直接投資補貼）下，若激勵發電商越早投資，需要的政策性補貼越多；或者說，若沒有政府補貼，發電商會延遲一段時間后才進行碳減排投資。（2）相對于直接投資補貼政策，碳價下限支持政策有明顯的節省補貼金額的優勢，但這種優勢隨預期投資時間的遞增而遞減。（3）若直接投資補貼與稅收優惠政策同時實施，免稅政策（τ=0）既能節省補貼資金也能激勵燃煤發電商盡早進行碳減排投資。

5 結語

論文假定碳價、燃煤發電商的上網電量、碳減排設施的單位運維費用服從幾何布朗運動，構建考慮碳價下限政策的發電商碳減排投資實物期權模型，基于模型的求解，針對某60萬燃煤發電機組相關技術參數，考察碳價下限對燃煤發電商碳減預期投資時間的影響，并討論碳價下限政策實施的有效區域，然后從節省補貼資金角度比較碳價下限與碳減排投資直接補貼的優劣。論文分析結果表明：一是碳價下限能否激勵燃煤發電商進行碳減排投資，與碳價初值和單位碳減排成本初值等參數有關：1）在有效區域內，通過碳價下限的調整可調節碳減排投資的預期時間；2）當碳價初值高于有效區域時，即使沒有碳價下限政策，燃煤發電商也會進行碳減排投資；3）當碳價初值低于有效區域，即使實施碳價下限，也無法激勵燃煤發電商在預定時間內進行碳減排投資。二是相對于碳減排投資直接補貼政策，碳價下限支持政策能顯著節省補貼資金；而對直接補貼政策而言，同時免稅既能節省補貼資金也更能激勵燃煤發電商進行碳減排投資。

我國的碳交易市場尚處于起步階段，對市場規制機構（政府）而言，如何激勵燃煤發電商進行碳減排投資，對完成國家的宏觀減排目標尤為重要。本文的研究結論對激勵性碳減排政策的出臺有以下幾方面的啟示：

一是相對于直接的碳減排投資補貼政策，從節省政府補貼資金角度來看，應優先推行碳價下限政策，但實施碳價下限政策的前提是測算碳價下限政策實施的有效區域。

二是碳價初值與碳減排設施的單位維護運行成本決定碳價下限政策是否有效，而碳價隨時間波動，因此選擇合適的碳價下限政策實施時機是必需的。

三是在碳價較低的情況下，可推行低運行維護成本的碳減排投資，而在碳價較高情況下推行碳價下限政策，則可推行運維成本較高的碳減排投資項目。