張新華, 陳 敏，葉 澤

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考慮碳價下限的發(fā)電商CCS投資策略與政策分析

張新華, 陳 敏，葉 澤

（長沙理工大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，湖南 長沙410114）

針對發(fā)電量與碳價雙重不確定的情況，構(gòu)建考慮碳價下限的發(fā)電商CCS投資期權(quán)模型，在模型解析求解基礎(chǔ)上，通過數(shù)值仿真，考察碳價下限、政府的投資補貼、稅收減免等對發(fā)電商CCS期望投資時點的影響，研究結(jié)果表明：1）若碳價下限過低，即使政府的CCS投資補貼足夠高，發(fā)電商也不會進行CCS投資；2）雖然稅收減免可激勵發(fā)電商進行CCS投資，但“直接補貼且正常征稅”可節(jié)約政府的補貼資金。

實物期權(quán)；價格下限；碳捕獲與儲存；電力市場

0 引言

全球氣候變暖是當(dāng)今人類社會所面臨的最大挑戰(zhàn)之一。在氣候變暖的諸多原因中，人類活動排放的溫室氣體被認(rèn)為是主要原因，而在溫室氣體引致的氣候變暖效應(yīng)中二氧化碳的作用高達75%以上[1]。我國是目前二氧化碳排放最多的國家，作為發(fā)展中國家，雖然暫時還沒有強制的減排義務(wù)，但《京都議定書》達成的減排協(xié)議已于2012 年到期，目前世界各國都在努力推動達成新的減排協(xié)議，可以預(yù)計在不久的將來我國也將面臨強制且可量化的碳減排計劃。國際能源署（International Energy Agency）的調(diào)查報告認(rèn)為我國的二氧化碳排放主要來源于以煤炭為主的能源行業(yè)[2]。2012年全國火力發(fā)電約37866.89478億kWh（約占總發(fā)電量78%），按我國的碳排放量平均值約為0.8kg/kWh計算，共排放約30.29億噸二氧化碳。因此作為碳排放主要來源之一，分析和探討火力發(fā)電商的碳排放策略及其相關(guān)的碳排放政策，對推動低碳電力市場的建立，實現(xiàn)國家碳減排宏觀政策的實施無疑具有重要的現(xiàn)實意義。

實現(xiàn)發(fā)電市場的碳減排，無非是以下三種途徑：一是發(fā)展清潔能源，如水電、核電、太陽能與風(fēng)電等，并強制現(xiàn)有的高排放火力發(fā)電機組退出市場；二是對現(xiàn)有的高排放火力機組進行技術(shù)改造，從而降低碳排放；三是對現(xiàn)有火力發(fā)電機組安裝脫碳裝置，也可實現(xiàn)碳減排的目標(biāo)。由于目前我國火力發(fā)電機組容量占75%以上，在保證電力有效供給前提下，上述第一種途徑顯然是不可取的，因此實現(xiàn)我國發(fā)電市場的碳減排，比較現(xiàn)實的做法是采用上述第二、三種方法來實現(xiàn)。

對火力發(fā)電企業(yè)而言，碳排放具有外部性，其本身不具有經(jīng)濟價值，因此發(fā)電企業(yè)沒有減排的積極性，但一旦政府實施碳排放許可制度，碳排放權(quán)則表現(xiàn)為火力發(fā)電成本的增加。目前我國的火力發(fā)電企業(yè)普通效益低下，如果在發(fā)電市場直接推廣碳排放權(quán)，無疑會增加火力發(fā)電企業(yè)的負(fù)擔(dān)，使本來處于市場劣勢的火力發(fā)電企業(yè)處于更加不利的地位，而一旦火力發(fā)電企業(yè)長期虧損，將不可避免地帶來新一輪的電力短缺。因此，在相關(guān)政策支持下，對現(xiàn)有火力發(fā)電機組安裝CCS（Carbon Capture and Storage）設(shè)施，并實施碳排放權(quán)及其對應(yīng)的交易制度，則既可給火力發(fā)電企業(yè)帶來額外的收益（在一定程度內(nèi)彌補火力發(fā)電企業(yè)在電能市場上的虧損），也可望實現(xiàn)政府的碳減排目標(biāo)。

在CCS投資策略方面，文[3]較為經(jīng)典，該文在對西班牙電力市場進行實證考察基礎(chǔ)上，假定碳排放權(quán)交易價格（即碳價）服從幾何布朗運動，而電價服從均值回歸過程，運用實物期權(quán)方法分析了發(fā)電商的CCS投資策略，而文[4]討論了發(fā)電成本、技術(shù)與碳價等不確定條件下的CCS 投資策略，但文[3-4]均沒有考慮能源政策對CCS投資的影響。與上述研究略有不同，有部分文獻考察了政策對CCS投資的影響，文[5]研究了碳規(guī)制政策不確定下，風(fēng)險規(guī)制型發(fā)電商的容量投資策略；文[6]研究了碳減排不確定條件下的最化投資，并考慮了政策誘導(dǎo)問題；但文[5-6]構(gòu)建的模型考慮的影響因素相對較少。文[7]考察了碳價下限對發(fā)電技術(shù)轉(zhuǎn)換時點的影響；該文假定碳價、電價以及發(fā)電商的變動成本服從幾何布朗運動，基于動態(tài)規(guī)劃原理，對每一條隨機樣本路徑進行分析，并運用LSM方法計算每一時點上的期望NPV，作為發(fā)電技術(shù)轉(zhuǎn)換決策的依據(jù)。該文建立在數(shù)值仿真基礎(chǔ)上，且假定發(fā)電商的電量是一定的，也未考慮其它政策變量對發(fā)電技術(shù)轉(zhuǎn)換時點的影響。

發(fā)電商CCS投資策略由預(yù)期的投資收益決定，而投資收益無疑與其發(fā)電量（上網(wǎng)電量）、二氧化碳的排放權(quán)交易價格以及相關(guān)的能源政策有關(guān)；而在電力市場環(huán)境下，發(fā)電商的上網(wǎng)電量、碳價是不確定的。在上述文獻基礎(chǔ)上，本文針對發(fā)電商上網(wǎng)電量和碳價雙重不確定的情況，建立考慮碳價下限的發(fā)電商CCS投資期權(quán)模型，在模型解析求解基礎(chǔ)上，通過數(shù)值仿真考慮碳價下限、CCS投資補貼、稅收政策等政策性變量對發(fā)電商CCS期望投資時點的影響，研究結(jié)果表明：1）若碳價下限過低，即使政府的CCS投資補貼足夠高，發(fā)電商也不會進行CCS投資；2）稅收減免可激勵發(fā)電商進行CCS投資，但從節(jié)約政府的補貼資金角度來看，對發(fā)電商CCS投資進行直接補貼且正常征稅（不減免）是合理的。

1 發(fā)電商CCS投資模型

影響發(fā)電商CCS投資的不確定性因素很多，其中碳排放權(quán)價格和發(fā)電商的發(fā)電量直接影響投資CCS的利潤。由于碳排放權(quán)價格和發(fā)電量是隨機的，因此CCS投資利潤也是隨機的。文[3]假定碳排放權(quán)價格服從幾何布朗運動，即

（2）

由貝爾曼方程，發(fā)電商CCS投資價值函數(shù)滿足以下方程：

求解上式，則有：

（5）

求解上式，則有：

（6）

求解上式①，則有：

（7）

將式（5）（7）代入上式，則有：

求解上式，則有:

（9）

將式（8）代入上式，則有：

（10）

其中，

2 模型分析與數(shù)值仿真

為直觀地考察發(fā)電商CCS投資閾值條件及投資時點，參照文[3],不妨設(shè)定下述參數(shù)：,。針對一臺容量為60萬千瓦的火力發(fā)電機組，設(shè)其CCS投資額，期間運行費為，則有：

2.1 發(fā)電商CCS投資時點的數(shù)值仿真

圖1 發(fā)電商CCS投資閾值對應(yīng)的碳價與上網(wǎng)電量關(guān)系

圖2 一條碳價抽樣路徑

圖1中可看出：1）隨碳價下限的遞增，發(fā)電商CCS投資閾值對應(yīng)的上網(wǎng)電量遞減，當(dāng)時，對應(yīng)的上網(wǎng)電量達最低；2）當(dāng)碳價下限較低（如）時，投資閾值對應(yīng)的上網(wǎng)電量將可能超過發(fā)電商的最大可供電量，顯然此時發(fā)電商不會進行CCS投資。簡單地，下文的數(shù)值分析中，假定碳價下限。

圖3 基于隨機抽樣的CCS投資時點示意圖

圖4 發(fā)電商業(yè)CCS投資時點的統(tǒng)計柱狀圖

2.2發(fā)電商CCS投資的政策討論

圖5 投資補貼對CCS期望投資時點的影響

圖6 不同CCS期望投資時點下的政府總補貼曲線

圖7情況下的曲線

類似地，若給定發(fā)電商CCS投資期望時點，可得到類似圖7的曲線。因此，對發(fā)電商CCS投資規(guī)制機構(gòu)而言，在期望投資時點和碳價下限給定的前提下，不難推導(dǎo)出其投資補貼比率，從而實現(xiàn)發(fā)電市場碳減排目標(biāo)。

顯然，發(fā)電商CCS期望投資時點的選擇，需要規(guī)制結(jié)構(gòu)根據(jù)全社會總體的碳減排情況來確定，但一經(jīng)確定，則可通過類似圖7的分析，得到規(guī)制機構(gòu)的組合規(guī)制政策；但最優(yōu)的碳價下限或最優(yōu)的投資補貼比率的確定，則須綜合考察規(guī)制機構(gòu)（如補貼資金的來源、減排目標(biāo)）與其它碳排放單位（過高的碳價無疑增加了其生產(chǎn)或生活成本）的效用函數(shù)，本文暫不做探討。

3 結(jié)論

隨著京都議定書的到期，可以預(yù)計不久的將來我國也將面臨強制且可量化的碳減排計劃，作為碳排放最重要來源的火力發(fā)電企業(yè)無疑將是碳減排的重要對象，CCS投資被認(rèn)為是火力發(fā)電企業(yè)碳減排最重要的途徑之一。影響火力發(fā)電企業(yè)進行CCS投資的不確定性因素很多，論文針對發(fā)電量與碳價雙重不確定的情況，構(gòu)建考慮碳價下限的發(fā)電商CCS投資期權(quán)模型，在模型解析求解基礎(chǔ)上，通過數(shù)值仿真考察碳價下限、政府的投資補貼、稅收減免等對發(fā)電商CCS期望投資時點的影響，研究結(jié)果表明：1）若碳價下限過低，即使政府的CCS投資補貼足夠高，發(fā)電商也可能不會進行CCS投資；該結(jié)論是比較直觀的，如2013年上半年歐洲碳價“觸底”（持續(xù)在2～5歐元/噸波動），相關(guān)的激勵性政策對發(fā)電商的CCS投資幾乎沒有刺激作用。2）雖然執(zhí)行稅收減免政策能激勵發(fā)電商進行CCS投資，但從節(jié)約補貼資金的角度來看，政府應(yīng)直接給予CCS投資補貼，并對其投資收益正常征稅；該結(jié)果與文[9]的研究結(jié)論是相吻合的（研究途徑和研究對象不一樣），該結(jié)論對發(fā)電商CCS投資收益“稅收減免”政策的謹(jǐn)慎性實施提供了理論支撐。

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Investment Strategy of CCS for Power Producer and Policy Analysis with Carbon Price Floor

ZHANG Xin-hua，CHEN Min, YE Ze

(School of Economic and Management, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114，China)

In the 21st century, the emissions of greenhouse gases have brought serious threats to human being’s living environment. This growing concern has made carbon emission reduction an important topic in the international community. Because power industry is the main producer of carbon dioxide, its strategy of carbon emission reduction is very important in the sustainable movement.

Carbon capture and storage (CCS) investment is a major research field about carbon emission to power producers, which contains many uncertainties, such as power demand, carbon trade price, and investment policy uncertainties. At present, most literatures model the carbon capture investment as an irreversible investment problem based on real option theory, and for simplicity, generally consider only one kind of uncertainty. Under power demand uncertainty and carbon trade price uncertainty, this paper presents an oligopoly power producer’s carbon capture investment model. This model considers carbon price floor, and investigates the impact of carbon price floor, investment subsidy and tax policy on expected investment timing based on the analysis of a numerical simulation model.

Empirical literatures on carbon trade price in Europe show that CO2trade price follows Geometric Brownian motion. Electricity power demand is assumed to follow the Geometric Brownian motion, which is proved in many studies. Based on the findings of these literatures, section II of this paper presents an oligopoly power producer’s CCS investment value function. This function considers carbon trade price floor, in which carbon trade price and power demand are variables. Applying Bellman equation and Ito’s Lemma to solve the value function, we analyze three cases and obtain three partial differential equations. By solving the value matching and smooth pasting conditions of the real option theory in carbon price floor, we can obtain analytical solutions of oligopoly power producer’s CCS investment value function, based on the solutions of above-mentioned differential equations. In addition, by comparing the values between investment and waiting to invest with classic real option method, we obtain the oligopoly power producer’s CCS investment threshold conditions: (1) invest when real power demand is higher than the threshold, or (2) do not invest when the power demand threshold is the function of carbon trade price and carbon price floor.

In section III of this paper, we use Matlab 2008 to examine numerical correlation between power demand quantity and carbon price in investment threshold with different carbon price floors based on the empirical data. In addition, we explore numerical solution of CCS investment threshold with Monte Carlo sampling method. The CCS investment threshold is stochastic due to the sample paths of two stochastic processes. In order to analyze stochastic properties of investment threshold, we sample the threshold for 5000 times, and construct histograms to examine the investment threshold’s statistical attribute. In addition, in the case of same carbon price floor the effects of policy-related investment subsidy on expected investment timing and different tax policy on total subsidy are examined. In the end, from the perspective of saving total subsidy combination strategies, including carbon price floor and subsidy, are discussed if oligopoly power producers will invest immediately.

In conclusion, power producer will not invest in CCS even if government’s subsidy is high enough when carbon price floor is too low. Tax deduction or exemption is effective to induce earlier investment. However, it is rational for government to provide power producer with investment subsidy of CCS while simultaneously taxing its future profit.

real option; price floor; CCS; power market

中文編輯：杜 健；英文編輯：Charlie C. Chen

F830.59

A

1004-6062(2016)02-0160-06

10.13587/j.cnki.jieem.2016.02.019

2013-06-30

2014-01-03

國家自然科學(xué)基金資助項目（71271033）；國家社科基金重大資助項目（12&ZD051）；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃（NCET-11-0978）；湖南省高校創(chuàng)新平臺開放資助基金（13K057）

張新華（1973—），男，湖南雙峰人。長沙理工大學(xué)教授，博士（后），研究方向：能源經(jīng)濟管理。

① 詳細(xì)求解過程見附錄。