張 賢 許 毛 樊靜麗

(1.中國21世紀(jì)議程管理中心，北京市海淀區(qū)，100038；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

★ 經(jīng)濟(jì)管理 ★

燃煤電廠碳捕集與封存技術(shù)改造投資的激勵措施評價研究

張 賢1許 毛2樊靜麗2

(1.中國21世紀(jì)議程管理中心，北京市海淀區(qū)，100038；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

煤電在我國電力供給中長期占據(jù)主導(dǎo)地位，2016年燃煤機(jī)組裝機(jī)容量占比超過57%。燃煤電廠的CO2排放量一直居高不下，碳捕集與封存技術(shù)(CCS)是實(shí)現(xiàn)燃煤電廠近零碳排放的重要途徑。由于CCS技術(shù)尚未成熟，整體仍處于示范階段，投資面臨的不確定性較高，此階段政府出臺正確的激勵措施尤為重要。采用實(shí)物期權(quán)方法并結(jié)合三叉樹模型對CCS改造投資的激勵措施進(jìn)行探究評價，并提出相應(yīng)的政策建議。研究結(jié)果顯示，提高脫碳發(fā)電的上網(wǎng)電價能夠?qū)CS改造投資產(chǎn)生較為明顯的激勵作用。提高碳價或?qū)CS改造前期成本進(jìn)行補(bǔ)貼會產(chǎn)生一定的激勵效果，但效果不佳。因此，政府可針對CCS脫碳發(fā)電制定合理的電價政策以促進(jìn)CCS技術(shù)在燃煤電廠中的應(yīng)用。

CCS改造投資 燃煤電廠 CO2減排 實(shí)物期權(quán) 三叉樹模型

為應(yīng)對和減緩氣候變化，我國政府已經(jīng)向國際社會做出了CO2減排承諾并制定了中長期的CO2減排目標(biāo)：到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)碳排放在2005年的基礎(chǔ)上降低40%～45%，到2030年降低60%～65%，CO2排放總量在2030年前后達(dá)到峰值。在落實(shí)減排工作時，電力行業(yè)首當(dāng)其沖。目前我國的電力供給仍以火電為主，國家統(tǒng)計局公布數(shù)據(jù)顯示，2016年我國火力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量約為1054 GW，占我國總裝機(jī)容量的64%，其中燃煤機(jī)組裝機(jī)容量為943 GW。根據(jù)國際能源署(IEA)統(tǒng)計，2014年我國能源相關(guān)的CO2排放總量約為86億t，其中燃煤電廠的排放大約占50%。受到資源稟賦、能源安全等因素的影響，我國火力發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量占比和燃煤電廠的煤炭消費(fèi)量在短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)大幅度調(diào)整。因此，在高碳能源結(jié)構(gòu)和能源需求迅速增加的雙重作用下，碳捕集與封存技術(shù)(CCS)已經(jīng)成為我國減排技術(shù)組合中不可或缺的組成部分。

近年來，我國多個部委均對CCS技術(shù)的發(fā)展給予了高度重視。2013年，國家發(fā)改委印發(fā)《關(guān)于推動碳捕集、利用和封存試驗(yàn)示范的通知》，科技部發(fā)布《“十二五”國家碳捕集、利用與封存科技發(fā)展專項規(guī)劃》并編制技術(shù)發(fā)展路線圖。2016年，環(huán)境保護(hù)部發(fā)布《二氧化碳捕集、利用與封存環(huán)境風(fēng)險評估技術(shù)指南》(試行)，國土資源部開展了應(yīng)對全球氣候變化地質(zhì)調(diào)查研究工作，對CO2儲存潛力評估與工程示范等進(jìn)行了研究。此外，我國還積極與其他國家在CCS技術(shù)方面開展合作，如科技部組織實(shí)施了中歐燃煤發(fā)電近零排放項目。由此可見，在考慮大力發(fā)展可再生能源技術(shù)的同時，我國政府也在積極探索并示范能夠?qū)崿F(xiàn)煤炭等高碳能源低碳利用的碳捕集、利用與封存技術(shù)。但現(xiàn)階段的主要問題在于，CCS技術(shù)仍處于示范工程階段，燃煤電廠短期內(nèi)也無法依靠CCS技術(shù)快速實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)，CCS技術(shù)亟待政府出臺有效的激勵措施予以扶持。因此，探究并評價燃煤電廠實(shí)施CCS改造投資的激勵措施十分有必要。本文對燃煤電廠CCS改造投資開展定量評價研究，以期為燃煤電廠CCS改造投資以及政府制定CCS技術(shù)發(fā)展規(guī)劃提供決策支持。

1 文獻(xiàn)綜述

針對CCS改造投資，國內(nèi)外學(xué)者展開了豐富的研究。在CCS改造投資評估方面，大多數(shù)學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)主要包括：CCS改造投資成本，不同類型電廠進(jìn)行CCS投資時其盈虧平衡點(diǎn)所對應(yīng)的碳價，以及碳價、碳捕集技術(shù)、政策補(bǔ)貼等不確定因素對于CCS投資延遲的影響等。

由于受到政策因素、市場因素、技術(shù)因素等多種不確定因素的影響，CCS改造投資也面臨著較大的風(fēng)險和較高的沉沒成本。傳統(tǒng)的投資評估方法(如凈現(xiàn)值法、現(xiàn)金流量法、內(nèi)部收益率法等)針對此類投資有一定的局限性，忽略了其不確定性所帶來的價值，因此無法反映出投資項目存在的潛在價值。針對此類帶有較高風(fēng)險的大型投資，較多學(xué)者采用的是實(shí)物期權(quán)法。

通過對以上文獻(xiàn)的研究可以發(fā)現(xiàn)，碳交易、電價以及CCS改造前期投資成本等是影響CCS改造投資的重要不確定因素。因此，本文擬采用實(shí)物期權(quán)法，在碳價、電價以及CCS改造前期投資成本等多重不確定因素約束下，對我國燃煤電廠實(shí)施CCS改造投資進(jìn)行效益評估并探究相應(yīng)的激勵措施。在進(jìn)行效益評估時本文將采用北京碳交易試點(diǎn)的碳價數(shù)據(jù)(碳價數(shù)據(jù)在時間維度上較為連續(xù))。

2 模型介紹

2.1 實(shí)物期權(quán)法

實(shí)物期權(quán)包含多種類型，如延遲投資期權(quán)、擴(kuò)張期權(quán)、收縮期權(quán)等。為有效降低投資失敗的風(fēng)險，本文選用的是延遲投資期權(quán)。所謂延遲投資期權(quán)是指項目持有者有權(quán)推遲對項目的投資，在投資環(huán)境不佳或者投資者對于市場的信息掌握不夠充分時，延遲投資期權(quán)可以降低當(dāng)前立即投資所面臨的風(fēng)險。此時，總投資價值可表示為：

TIV=NPV+VDO

(1)

式中：TIV——總投資價值；

NPV——投資的凈現(xiàn)值；

VDO——延遲期權(quán)所產(chǎn)生的價值。

2.2 三叉樹模型

為提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文采用三叉樹定價模型進(jìn)行分析。假設(shè)碳價的波動服從幾何布朗運(yùn)動，假定在單位時間Δt內(nèi)，碳價有3種變化狀態(tài)，即上升、保持不變或下降，其對應(yīng)的概率分別為Pa、Pk和Pd，碳價的漲幅及跌幅系數(shù)分別為a和d，得出以下公式：

式中：r——無風(fēng)險利率；

v——?dú)v史碳價的波動率；

e——自然對數(shù)的底數(shù)。

2.3 凈現(xiàn)值與總投資價值的計算

燃煤電廠CCS改造投資的凈收益如下式所示：

(7)

式中：CCER——核證減排量，t；

PC——碳價，元/t；

Pw——燃煤電廠的單位發(fā)電純利潤，元/kWh；

Qe——燃煤電廠的年清潔電售電量，kWh;

Pe——火電上網(wǎng)電價，元/kWh；

Qr——因捕集CO2而損失的可并網(wǎng)發(fā)電量，kWh;

Cccs——CCS改造項目投資成本，元；

COM——CCS設(shè)備的年運(yùn)行維修成本，元；

CDS——CO2的運(yùn)輸及封存量，t；

Ct——單位CO2運(yùn)輸成本，元/t；

Cs——單位CO2存儲成本，元/t。

技術(shù)進(jìn)步會降低CCS改造的投資成本以及設(shè)備的年運(yùn)行維修成本。與國內(nèi)外學(xué)者對CCS改造成本的研究類似，本文未考慮技術(shù)進(jìn)步對設(shè)備年運(yùn)行維修成本的影響，即假設(shè)設(shè)備年運(yùn)行維修成本保持不變，而技術(shù)進(jìn)步會使得CCS改造的投資成本逐年降低，即：

(8)

假設(shè)燃煤電廠壽命期為τ2，在t=τ1時進(jìn)行CCS改造投資，捕集系統(tǒng)建設(shè)時間為1年，捕集系統(tǒng)于t=τ1+1開始投入使用，直到電廠壽命末。假設(shè)捕集系統(tǒng)設(shè)備的殘余價值為0，則燃煤電廠CCS改造投資的凈現(xiàn)值計算公式如下式所示：

(9)

式中：r0——基準(zhǔn)折現(xiàn)率。

將各節(jié)點(diǎn)的凈現(xiàn)值與零相比，取其較大者，即為該節(jié)點(diǎn)的投資價值IVN。以各節(jié)點(diǎn)的投資價值為基礎(chǔ)，從延遲投資的最后期限開始向前逆推，直到最初時刻，即可求得延遲投資實(shí)物期權(quán)下各節(jié)點(diǎn)的總投資價值TIV(i, j)。計算公式如下式所示:

(10)

3 案例分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

本文所選取的電廠為中歐煤炭利用近零排放合作項目Ⅱ期(CN-NZEC Ⅱ)示范工程電廠，機(jī)組類型為 200 MW亞臨界機(jī)組，CO2捕集方式為燃燒后捕集，CCS改造前期一次性投資為50188萬元，設(shè)備運(yùn)行維修成本為3745萬元/a，CO2捕集量為10萬t/a。CO2運(yùn)輸及封存成本分別為100元/t、50元/t(這里假設(shè)捕集的CO2全部運(yùn)輸、封存)。根據(jù)北京市2013年11月-2016年9月的歷史碳價數(shù)據(jù)，這里設(shè)初始碳價為50元/t，碳價波動率為0.0445，θ取0.0202，并假設(shè)燃煤電廠壽命及延遲期權(quán)年限分別為40年、10年。參考CN-NZECⅡ示范工程預(yù)可研報告和中國人民銀行一年期定期存款利率，無風(fēng)險利率和基準(zhǔn)折現(xiàn)率分別取4.43%和5%。

3.2 結(jié)果分析

在當(dāng)前碳價、燃煤機(jī)組上網(wǎng)電價以及CCS前期改造投資成本等多重因素的影響下，燃煤電廠進(jìn)行CCS改造投資的凈現(xiàn)值及總投資價值變化趨勢如表1所示。此時，在10年延遲期內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的凈現(xiàn)值均為負(fù)值，而總投資價值在各節(jié)點(diǎn)均為零(未列出)。這表明，在當(dāng)前的政策環(huán)境下燃煤電廠不適合進(jìn)行CCS改造投資。售電收入是電廠的主要收入來源，因此我們首先考慮改變CCS脫碳發(fā)電的上網(wǎng)電價，即CCS脫碳發(fā)電將分別執(zhí)行光電、近海風(fēng)電、潮汐風(fēng)電以及生物質(zhì)電能的上網(wǎng)電價，此時CCS改造投資各節(jié)點(diǎn)的最大凈現(xiàn)值和最大總投資價值變化趨勢如圖1所示。

由圖1可以看出，上網(wǎng)電價的高低會對CCS改造投資的收益產(chǎn)生本質(zhì)性的影響，可以引發(fā)一種從量變到質(zhì)變的效果。售電收入大幅增加，當(dāng)預(yù)期收入足以平衡CCS改造的資本支出時，投資價值將由零變正。各節(jié)點(diǎn)投資凈現(xiàn)值均為正，根據(jù)式(10)，此時總投資價值與投資凈現(xiàn)值相同。根據(jù)延遲期權(quán)理論，不同上網(wǎng)電價水平下燃煤電廠CCS改造投資的投資決策如表2所示。

表1 延遲期權(quán)下燃煤電廠CCS改造投資凈現(xiàn)值表 億元

圖1 不同上網(wǎng)電價水平下燃煤電廠CCS改造投資凈現(xiàn)值及總投資價值變化趨勢

同時，我們將碳價以及CCS改造前期投資成本這兩項影響因素納入考慮范圍，進(jìn)一步考察不同影響因素對于投資收益的影響程度如圖2所示，據(jù)此為制定切實(shí)有效的激勵措施提供量化依據(jù)。

由圖2可以看出，電價上升對于CCS改造投資凈現(xiàn)值有較為明顯的促進(jìn)作用，當(dāng)電價增幅超過80%時，凈現(xiàn)值將由負(fù)變正，此時投資價值也會由零變正，實(shí)現(xiàn)質(zhì)變。CCS前期投資成本下降和碳價上漲對于CCS改造投資凈現(xiàn)值的刺激作用較小，碳價的激勵作用十分微弱。當(dāng)碳價上升幅度達(dá)到100%時投資凈現(xiàn)值增幅約為10%，仍為負(fù)值。對于捕集規(guī)模較小的電廠，碳價上漲無法有效促進(jìn)減排收入的增加。

圖2 上網(wǎng)電價、碳價及CCS前期投資成本敏感性分析圖

4 結(jié)論與政策啟示

4.1 結(jié)論

(1)在目前的碳價、電價、激勵機(jī)制、技術(shù)水平等多重不確定因素的影響下，現(xiàn)有燃煤電廠不適合進(jìn)行CCS改造投資，制定合理有效的激勵措施十分必要。

(2)上網(wǎng)電價的變動對于燃煤電廠實(shí)施CCS改造投資的影響重大。當(dāng)前燃煤機(jī)組的上網(wǎng)電價水平無法有力支撐燃煤電廠進(jìn)行CCS改造投資。若CCS脫碳發(fā)電可與光伏、近海/潮汐風(fēng)電、生物質(zhì)等可再生能源享受同等上網(wǎng)電價，則CCS改造投資環(huán)境將發(fā)生質(zhì)變。因此，對于CCS改造投資而言，提高脫碳發(fā)電上網(wǎng)電價是十分有效的激勵措施，這將有利于CCS技術(shù)在我國的推廣。但隨著投資節(jié)點(diǎn)的延遲，其投資價值將會逐漸降低。

(3)當(dāng)燃煤電廠的捕集規(guī)模較小時，即使碳價在現(xiàn)有基礎(chǔ)上大幅上漲，也無法平衡燃煤電廠進(jìn)行CCS改造投資的資本支出。因此，提升碳價可以作為激勵措施，但其激勵效果要根據(jù)電廠規(guī)模而定。

(4)CCS改造前期投資成本下降可在一定程度上緩解投資的成本壓力，但僅依靠這一改變同樣無法扭轉(zhuǎn)燃煤電廠進(jìn)行CCS改造后面臨經(jīng)營虧損的局面。因此，對于電廠而言，政府在CCS前期投資成本方面給予補(bǔ)貼難以起到良好的激勵效果。

4.2 政策啟示

CCS技術(shù)目前推廣的進(jìn)程較慢，主要是減排收入較低，導(dǎo)致市場投資信心不足，現(xiàn)階段主要靠政府建立示范工程。在碳交易方面政府需加以引導(dǎo)，建立起完善的碳交易市場機(jī)制，切實(shí)有效促進(jìn)CCS技術(shù)的發(fā)展和高碳行業(yè)減排。

此外，政府可針對CCS脫碳發(fā)電制定合理的電價政策以激勵CCS技術(shù)的應(yīng)用。在解決能源結(jié)構(gòu)問題的同時更需注重平衡波動的能源需求，應(yīng)在保證電力供給安全的前提下優(yōu)化資源配置，統(tǒng)籌火電與其他能源的協(xié)調(diào)發(fā)展。

[1] IEA . Ready for CCS retrofit: The potential for equipping China's existing coal fleet with carbon capture and storage[R]. Paris， 2016

[2] Renner M. Carbon prices and CCS investment: A comparative study between the European Union and China[J]. Energy Policy，2014(1)

[3] Wu N, Parsons J E,Polenske K R. The impact of future carbon prices on CCS investment for power generation in China[J]. Energy Policy，2013(8)

[4] 張新華，陳敏，葉澤.考慮碳價下限的發(fā)電商CCS投資策略與政策分析[J].管理工程學(xué)報，2016(2)

[5] Rohlfs W, Madlener R. Investment Decisions Under Uncertainty: CCS Competing with Green Energy Technologies [J]. Energy Procedia，2013(37)

[6] 王素鳳，楊善林，彭張林.面向多重不確定性的發(fā)電商碳減排投資研究[J].管理科學(xué)學(xué)報，2016(2)

[7] 張正澤.基于實(shí)物期權(quán)的燃煤電站CCS投資決策研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010

[8] 張凌.基于延遲實(shí)物期權(quán)的不確定條件下礦業(yè)投資項目評價[J].管理現(xiàn)代化，2013(3)

[9] Abadie L M, Chamorro J M. European CO2, prices and carbon capture investments [J]. Energy Economics，2008(6)

[10] 鳳振華.碳市場復(fù)雜系統(tǒng)價格波動機(jī)制與風(fēng)險管理研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012

[11] 孫欣.燃煤電廠二氧化碳捕集與儲存技術(shù)[J].中國煤炭，2008(4)

[12] 中國21世紀(jì)議程管理中心.碳捕集、利用與封存技術(shù)：進(jìn)展與展望[M].北京：科學(xué)出版社，2012

Studyonevaluationofincentivemeasuresforcarboncaptureandstorageretrofittinginvestmentincoal-firedpowerplants

Zhang Xian1, Xu Mao2, Fan Jingli2

(1. The Administrative Centre for China's Agenda 21, Haidian, Beijing 100038, China; 2. School of Resources & Safety Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

The coal power had occupied a dominant position in the electricity supply in China for a long time and the total installed capacity of coal-fired units accounted for more than 57% in 2016. Carbon capture and storage technology (CCS) is an important way to achieve near zero emissions of coal-fired power plants while CO2emissions from coal-fired power plants was tremendous all the time. However, because the CCS technology was not yet mature, which was still in the demonstration stage, and the investment would face higher uncertainties, it was particularly important for the government to develop incentive measures at present. In this paper, the real options approach was used combined with the trinomial tree model to explore and evaluate the incentive measures of CCS retrofitting investment, and it put forward the corresponding policy recommendations. The research results showed that increasing tariff power of CCS decarburization power could produce obvious incentive effect on CCS retrofitting investment. Improving the carbon price or subsidizing the cost of CCS retrofitting would also have some incentive effect, but the effect was not favorable. Therefore, the government could make a reasonable electricity tariff policy for the CCS decarburization power to promote the application of CCS technology in coal-fired power plants.

CCS retrofitting investment, coal-fired power plants, CO2emission reduction, real options approach, trinomial tree model

中國科協(xié)“高端科技創(chuàng)新智庫青年項目”(DXB-2KQN-2016-046)，國家能源局重點(diǎn)項目(SHJT-14-66)

張賢，許毛，樊靜麗. 燃煤電廠碳捕集與封存技術(shù)改造投資的激勵措施評價研究[J].中國煤炭，2017，43(12):22-26.

Zhang Xian , Xu Mao, Fan Jingli. Study on evaluation of incentive measures for carbon capture and storage retrofitting investment in coal-fired power plants [J].China Coal，2017，43(12):22-26.

TD-9

A

張賢(1981-)，博士，副研究員，主要研究方向：低碳經(jīng)濟(jì)、能源與環(huán)境政策建模、CCS投資評價等。

(責(zé)任編輯 宋瀟瀟)