李雪瑞，付學(xué)謙，李國棟

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,北京市 100083；2.北京電力交易中心，北京市 100031)

0 引 言

2013年以來，我國先后啟動深圳、北京、上海、廣東、天津、湖北、重慶、福建八個地方碳試點[1]，2021年7月16日，全國碳市場正式上線，未來一段時間，我國碳市場體系將保持地方試點與全國市場共同運行[2]。通過碳市場運行促進控排企業(yè)進行低碳能源消費和低碳技術(shù)改造，有利于減排目標(biāo)的實現(xiàn)。對于沒有建立碳試點的省份，直接面向全國市場缺乏經(jīng)驗與指導(dǎo)，致使實際履約過程存在諸多困難[3]。同時僅納入全國碳市場配額管理的企業(yè)減排量不足以實現(xiàn)碳達峰目標(biāo)，對非試點省份而言，需要從多方面探索建設(shè)碳減排體系，確保順利實現(xiàn)減排目標(biāo)。

初始碳配額是碳市場運營的基礎(chǔ)，目前很多學(xué)者專家從不同角度對碳配額機制進行研究。文獻[4]根據(jù)歷史強度法免費分配碳配額，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建考慮產(chǎn)品質(zhì)量升級的定價決策模型，得到最優(yōu)定價和省級策略。文獻[5]考慮企業(yè)減排驅(qū)動力，分析影響碳配額機制有效性關(guān)鍵因素，提升企業(yè)減排技術(shù)。文獻[6]建立了政府-企業(yè)-消費者碳配額分配和交易減排混合模型，分析企業(yè)和消費者雙重異質(zhì)性對減排決策的影響。文獻[7]通過建立兩階段集中式和收益共享契約下分散式的決策模型，分析配額機制下的最優(yōu)訂購量決策及最優(yōu)碳減排決策。文獻[8]研究了供應(yīng)鏈成員收益、碳排放量及減排率等隨配額機制的變化，找出了實現(xiàn)利益最大化的決策。文獻[9]研究了在碳配額機制下，收益共享契約協(xié)調(diào)供應(yīng)鏈實現(xiàn)整體利益最大。文獻[10]研究了碳配額和交易機制對供應(yīng)鏈中各成員決策和行為的影響。文獻[11]研究了基于產(chǎn)量的配額有償分配對閉環(huán)供應(yīng)鏈定價和資源回收的影響。文獻[12]分析了碳配額機制對決策的影響，研究了最佳分配方案。目前國內(nèi)碳市場政策性較強，各學(xué)者多以市場化為基礎(chǔ)，研究配額機制對供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)各成員的影響，技術(shù)研究超越工程實際。考慮配額機制本身的有效性以及配額機制的設(shè)計如何確保我國“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)等相關(guān)研究內(nèi)容較少。

電力作為能源轉(zhuǎn)型、碳減排的關(guān)鍵行業(yè)，相關(guān)減排工作對碳達峰目標(biāo)的實現(xiàn)十分關(guān)鍵。本文建立符合碳達峰目標(biāo)要求的省域發(fā)電行業(yè)月度碳配額模型，結(jié)合發(fā)電行業(yè)現(xiàn)狀以及計劃與市場兩方面建設(shè)要求設(shè)計有償與無償相結(jié)合的分配機制，從省域總量落實到控排單位個量，形成發(fā)電行業(yè)碳排放權(quán)分配體系，首次以碳達峰背景為發(fā)電行業(yè)火電機組減排工作下的初始配額發(fā)放提供一種可行機制。

文章具體工作為：以實現(xiàn)碳達峰目標(biāo)為研究出發(fā)點，建立省域配額總量計算模型，推算出發(fā)電行業(yè)月度配額模型，提出發(fā)電行業(yè)初始碳配額分配機制，詳細設(shè)計免費發(fā)放以及拍賣市場機制，將分配機制具體化、流程化，明確配額發(fā)放過程中各參與主體的職責(zé)及具體流程，最后以山東省發(fā)電行業(yè)為仿真對象，在模擬機組系統(tǒng)中驗證提出模型和機制的可實施性和有效性。

1 碳達峰下的月度碳配額模型

2021年10月24日，國務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達峰行動方案》[13]，其主要目標(biāo)指出：到2030年，非化石能源消費比重達到25%左右，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降65%以上，順利實現(xiàn)2030年前碳達峰目標(biāo)。鑒于此，提出年度碳配額總量測算模型，并進一步推出發(fā)電行業(yè)月度碳配額模型。

為實現(xiàn)文件傳達的減排目標(biāo)，設(shè)2030年碳排放強度為2005年碳排放強度的35%，碳排放強度即單位GDP的二氧化碳排放量，t/萬元[14]：

I2030=0.35I2005

(1)

式中：I2005、I2030分別指2005年、2030年的碳排放強度，t/萬元。

以2017年碳排放強度為基準(zhǔn)，得到2018—2030年間的碳排放強度年平均變化率q為：

(2)

式中：I2017指2017年的碳排放強度，t/萬元。

結(jié)合GDP年均增長速度，可得到2017—2030年間年度碳配額總量測算模型[14-16]：

Ct=G2017×I2017×(1-q)t-2017×(1+b)t-2017

(3)

式中：Ct表示第t年碳配額總量，t；G2017指2017年GDP總量，萬元；b表示2017—2030年間GDP增速，根據(jù)經(jīng)濟發(fā)展態(tài)勢，可對其做出預(yù)測。

對省域而言，年度碳配額總量包括三部分：

Ct=Ct1+Ct2+Ct3

(4)

式中：Ct1表示企業(yè)初始配額，等于區(qū)域內(nèi)各重點排放單位年度碳配額之和，占年度配額總量的90%；Ct2表示政府預(yù)留配額，用于重大項目建設(shè)、市場調(diào)節(jié)等，占年度配額總量的5%；Ct3表示新增預(yù)留配額，用于區(qū)域內(nèi)企業(yè)新增產(chǎn)量及產(chǎn)能變化，占年度配額總量的5%。

本文主要研究用于分配至各發(fā)電行業(yè)重點排放單位的企業(yè)初始配額，年度企業(yè)初始碳配額分配至月,提出碳達峰背景下發(fā)電行業(yè)企業(yè)月度碳配額模型：

(5)

δt=eft/et

(6)

式中：Ct1n表示t年n月發(fā)電行業(yè)碳配額總量，t；δt表示第t年火力發(fā)電行業(yè)的碳排放占比；eft表示第t年火電行業(yè)碳排放量，t；et表示第t年總碳排放量，t；Qtn表示t年n月火電發(fā)電量，MW·h。

2 碳配額分配機制

在深圳、北京、上海、廣東、天津、湖北、重慶、福建八個地方碳試點建設(shè)過程中，除北京、福建目前未開始有償發(fā)放的具體實踐，完全采用免費配額以外，其余試點均嘗試開展不同規(guī)模的碳配額拍賣市場，且發(fā)放拍賣總量均不超過當(dāng)年配額總量的10%，目前最高比例為湖北試點的8%[17]。本文設(shè)計發(fā)電行業(yè)企業(yè)碳配額采用有償與無償分配相結(jié)合的方式，無償分配符合我國政策性碳市場的建設(shè)現(xiàn)狀，有利于提高企業(yè)參與度。逐漸提高無償分配比例是市場化發(fā)展趨勢，是提高企業(yè)減排意識的有力手段，同時拍賣價格也能為二級市場提高價格信號[18]。設(shè)計有償分配比例為10%，不悖于工程實際，是對我國碳排放權(quán)高占比計劃分配下的市場化探索研究。綜合我國市場現(xiàn)狀，規(guī)定初始配額90%免費發(fā)放，10%有償分配。

2.1 有償分配

根據(jù)我國碳試點建設(shè)經(jīng)驗，目前主要采用拍賣法進行有償分配[19]，本文結(jié)合歷史經(jīng)驗以及市場現(xiàn)狀，完善初始碳排放權(quán)拍賣機制。對碳配額拍賣市場做出如下規(guī)定[20]：

1)納入配額管理名單的重點排放單位必須參與拍賣市場競價，才能獲得免費配額；

2)拍賣市場各參與主體競拍量不得超過單次拍賣總量的10%；

3)采用按統(tǒng)一價格結(jié)算的靜態(tài)拍賣法，各市場成員一次集中報價報量；

4)以月度配額為單位進行組織發(fā)放，并且定期組織拍賣。

具體組織拍賣流程為：

第1步：碳市場服務(wù)中心提前3個工作日發(fā)布配額有償競價發(fā)放公告，公布發(fā)放總量、發(fā)放時間等交易信息。

第2步：在開市的前一個工作日，服務(wù)中心公布競拍底價。競拍底價可隨市場行情動態(tài)調(diào)整，參考有償競價發(fā)放結(jié)果公告日前兩個月所有交易日市場加權(quán)平均價的80%/1倍/1.2倍。

第3步：在規(guī)定的申報時間內(nèi)，各競價主體將計劃購得配額數(shù)量及價格密封投標(biāo)至服務(wù)中心。

第4步：申報結(jié)束后，服務(wù)中心將各申報量按申報價格從高到低進行排序，報價相同按申報時間先后排，累計申報量等于發(fā)放總量時確定成交均衡點，此處價格為統(tǒng)一價格。

拍賣市場交易時序如圖1所示。

圖1 拍賣市場交易時序圖Fig.1 Timing chart of auction market transaction

服務(wù)中心確定最終成交結(jié)果時，根據(jù)申報總量與發(fā)放總量的大小關(guān)系確定成交量，根據(jù)形成的統(tǒng)一價格與競拍底價的大小關(guān)系確定成交價格，具體規(guī)則為：

規(guī)則一：申報總量大于等于發(fā)放總量，統(tǒng)一價格大于等于競拍底價時，按統(tǒng)一價格進行結(jié)算，申報價格高于統(tǒng)一價格的拍賣成功，成交情況如圖2所示。

規(guī)則二：申報總量大于等于發(fā)放總量，統(tǒng)一價格小于競拍底價時，按競拍底價結(jié)算，申報價格高于競拍底價的拍賣成功，成交情況如圖3所示。

規(guī)則三：申報總量小于發(fā)放總量，最小申報價格大于等于競拍底價時，按最小申報價格結(jié)算，申報量全部成交，成交情況如圖4所示。

規(guī)則四：申報總量小于發(fā)放總量，最小申報價格小于競拍底價時，按競拍底價結(jié)算，申報量全部成交，成交情況如圖5所示。

圖2 規(guī)則一成交情況Fig.2 Deals under rule 1

圖3 規(guī)則二成交情況Fig.3 Deals under rule 2

2.2 無償分配

在碳市場發(fā)展初期階段，無償分配將在很長一段時間內(nèi)是初始配額發(fā)放的主要手段。本文針對發(fā)電行業(yè)火電機組，設(shè)計初始碳配額無償分配機制。

圖4 規(guī)則三成交情況Fig.4 Deals under rule 3

圖5 規(guī)則四成交情況Fig.5 Deals under rule 4

由于不同類型燃料機組單位發(fā)電量產(chǎn)生的二氧化碳排放量不同，在無償分配中考慮引入機組分配系數(shù)。分配系數(shù)是無償分配過程中考慮不同燃料類型機組發(fā)電碳排放量不同而引入的影響因子。首先對納入省重點排放單位履約名單的機組進行分類，分類標(biāo)準(zhǔn)參考《2019—2020年全國碳排放權(quán)交易配額總量設(shè)定與分配實施方案》(發(fā)電行業(yè))規(guī)定的機組判定標(biāo)準(zhǔn)[21]，具體機組分類情況如表1所示。

表1 機組分類情況Table 1 Classification of units

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，將納入配額管理的火電機組大致分為上述四類，分別記為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類機組，在各火電廠獲得免費碳配額時，參考文件規(guī)定各類機組供電基準(zhǔn)值數(shù)值設(shè)置分配系數(shù)ki(i=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ)，分別取值情況如表2所示：

表2 不同類型機組的分配系數(shù)Table 2 Distribution coefficients of different types of units

由于火電機組歷史運行小時數(shù)比較穩(wěn)定，波動不大，考慮分配系數(shù)結(jié)合機組裝機容量占比，得到機組無償分配碳配額模型：

(7)

式中：Cj2為火電機組j免費分得碳配額，t；μ為發(fā)電行業(yè)月配額免費發(fā)放比例系數(shù)(即90%)；Pj為火電機組j裝機容量，MW；p為火電機組總數(shù)。

3 碳配額發(fā)放流程

碳配額發(fā)放流程如圖6所示。

圖6 碳配額發(fā)放流程圖Fig.6 Flowchar of carbon allowance issuance

具體流程如下：

1)確定納入配額管理的重點排放企業(yè)名單，重點排放單位在系統(tǒng)注冊并登記信息。

2)省生態(tài)環(huán)境部門根據(jù)納入企業(yè)前一年履約量的70%進行配額預(yù)分配?？嘏牌髽I(yè)可根據(jù)獲得預(yù)配額對配額盈缺進行初步判斷。

3)省生態(tài)環(huán)境部門對全省年碳配額總量進行核定，要確保滿足單位生產(chǎn)總值二氧化碳排放量要求和經(jīng)濟增長預(yù)期。

4)省電力交易中心、核查機構(gòu)協(xié)助完成電力行業(yè)碳配額任務(wù)，對發(fā)電行業(yè)月配額總量進行核算。

5)碳排放權(quán)服務(wù)中心進行配額發(fā)放。將月配額總量的90%免費分配給各火電廠，剩下的10%組織拍賣，交易結(jié)束后碳排放權(quán)交易中心公布統(tǒng)一結(jié)算價格以及各市場主體中標(biāo)量，后將收益返回生態(tài)環(huán)境主管部門用于省內(nèi)環(huán)保建設(shè)。

6)各排放單位核算配額量，碳配額總量為免費配額與拍賣市場購得配額之和。

4 算例分析

山東省作為能源消耗大省，碳排放量位居全國首位，減排任務(wù)繁重。本文選取山東省為研究對象，根據(jù)山東省發(fā)電行業(yè)實際數(shù)據(jù)進行模擬仿真。

4.1 總量預(yù)測

根據(jù)文獻[22-23]，山東省2005年與2017碳排放強度分別為3.03 、1.11 t/萬元，計算可得山東省碳排放強度在2018—2030年間年平均變化率為0.350 3%。根據(jù)山東省統(tǒng)計局公布數(shù)據(jù)，2017年山東省地區(qū)生產(chǎn)總值為72 678.18億元，推算山東省2018—2030年間GDP平均增速為5.5%—6.5%，結(jié)合前文提出配額總量模型，得到山東省某年碳配額量為9.289億～9.643億t。根據(jù)世界資源研究所的統(tǒng)計，設(shè)來自火力發(fā)電行業(yè)的碳排放量占比為40%，則該年度山東省發(fā)電行業(yè)企業(yè)初始碳配額量約為3.344億～3.471億t，近似取值3.400億t[24]。根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，該年度山東省各月發(fā)電量情況統(tǒng)計如表3所示。

表3 山東省該年各月發(fā)電情況Table 3 Monthly power generation in Shandong Province

根據(jù)提出碳達峰背景下發(fā)電行業(yè)企業(yè)月度碳配額模型，可得到該年度山東省發(fā)電行業(yè)每月碳配額，如表4所示。

表4 山東省發(fā)電行業(yè)各月碳配額Table 4 onthly carbon quotas for the power generation industry in Shandong Province

4.2 參數(shù)設(shè)置

采用文獻[25]中機組系統(tǒng)模擬該年度某月山東省某區(qū)域火電機組碳配額。根據(jù)山東省統(tǒng)計局公布數(shù)據(jù)，該年度山東省發(fā)電裝機容量為15 917.6萬kW，其中火電機組裝機容量為11 126.4萬kW，約占全省發(fā)電機組裝機容量的70%，風(fēng)電、光伏、水電、核電等新能源和可再生能源發(fā)電裝機容量為4 791.2萬kW，風(fēng)電、光伏機組裝機容量分別占全省裝機容量的11.3%、17.3%。

設(shè)系統(tǒng)發(fā)電裝機容量為1 615萬kW，模擬時間為一個月(720 h)。根據(jù)山東省該年度實際裝機情況，設(shè)置模擬系統(tǒng)火電裝機容量占比70%，非化石能源裝機容量占比30%，其中光伏占比17.3%，風(fēng)電占比11.3%。該系統(tǒng)各類型機組裝機容量分別為：火電裝機1 130萬kW，包括燃煤機組和燃氣機組；光伏裝機280萬kW；風(fēng)電裝機183萬kW；水電裝機22萬kW。

模擬系統(tǒng)中各母線機組數(shù)據(jù)如表5所示(表中只列出了有機組的母線)，其中HD表示水電機組，WD表示風(fēng)電機組，PV表示光伏機組，COAL表示燃煤機組，GAS表示燃氣機組。根據(jù)表1中的機組類型劃分依據(jù)，將火電機組分為四類，表5中母線7上的COAL-Ⅲ-1表示Ⅲ類火電1號機組，數(shù)字“1”用來標(biāo)記同一母線上相同機組類型相同裝機容量的不同機組。

設(shè)該系統(tǒng)在某月火電機組發(fā)電量占山東省該年度火電發(fā)電量的1%，計算得該月發(fā)電企業(yè)配額為340萬t，其中免費分配量為306萬t，有償分配量為34萬t。

4.3 仿真結(jié)果

1)無償分配結(jié)果。

模擬系統(tǒng)免費發(fā)放碳配額總量為306 t，根據(jù)各機組類型和裝機容量，確定各機組免費配額?；痣姼鳈C組免費配額量如表6所示。

2)有償分配結(jié)果。

拍賣市場發(fā)放總量為34萬t，要求各機組報量小于3.4萬t，各機組申報價格和數(shù)量如表7所示。根據(jù)拍賣結(jié)果公示日前兩個月所有交易日的市場加權(quán)平均價格，進行有償分配競拍底價的設(shè)置。本文設(shè)置競拍底價參考國內(nèi)最大碳市場公布價格數(shù)據(jù)，如圖7所示，此價格符合我國碳市場一般價格水平[26]。

表5 各母線機組數(shù)據(jù)Table 5 Unit Data of each bus

表6 各機組免費配額Table 6 Free quota for each unit

此輪拍賣市場各機組申報總量為41.93萬t，大于發(fā)放總量，根據(jù)規(guī)則一、二，有償配額全部成交，無剩余，同時計得本輪拍賣市場統(tǒng)一價格為34.51元/t。根據(jù)文獻[25]可知，我國目前各試點碳價為15～60元/t，本文形成的統(tǒng)一價格在此區(qū)間內(nèi)，價格合理。各機組成交情況如表8所示。

表7 各機組申報數(shù)據(jù)Table 7 Declaration data of each unit

圖7 參考交易日成交價格Fig.7 Transaction price on the trading days referred

表8 機組成交情況Table 8 The unit transaction situation

此輪拍賣成交價格取決于統(tǒng)一價格與拍賣底價的大小關(guān)系，競拍底價的設(shè)置體現(xiàn)對碳初始配額價格的引導(dǎo)調(diào)控作用。選取參考倍數(shù)為0.8/1.0時，統(tǒng)一價格大于等于競拍底價，根據(jù)成交規(guī)則一，本輪拍賣按統(tǒng)一價格成交。當(dāng)參考倍數(shù)為1.2時，統(tǒng)一價格小于競拍底價，根據(jù)成交規(guī)則二，本輪拍賣按競拍底價成交。各參考倍數(shù)下成交結(jié)果如表9所示。

表9 設(shè)置不同競拍底價的成交結(jié)果Table 9 Results of the deal for different auction floor prices

在碳配額拍賣市場中，當(dāng)各機組申報總量大于發(fā)放總量時，發(fā)放總量全部成交，有未成交機組，競拍底價對市場成交總量無影響。統(tǒng)一價格小于競拍底價時，競拍底價越高，拍賣市場成交總額越高；統(tǒng)一價格大于競拍底價時，競拍底價對成交總額無影響。當(dāng)機組申報總量小于發(fā)放總量時，各機組申報量全部成交，此時考慮最小申報價格與競拍底價的大小關(guān)系，兩者較大值為市場成交價格。由此可見，碳配額拍賣市場為數(shù)量先定市場，適應(yīng)我國碳市場化過渡階段的分配性目的，根據(jù)市場行情合理設(shè)置競拍底價的大小，均衡各方利益，促進碳市場穩(wěn)定發(fā)展。

3)各機組配額。

在本文設(shè)置的申報量下，拍賣市場無配額余量，存在未獲得有償配額機組。結(jié)合各機組獲得無償配額，各機組總配額如表10所示。

表10 各機組總配額量Table 10 The total quota of each unit

5 結(jié) 論

本文綜合地方碳試點運行經(jīng)驗以及全國碳市場建設(shè)要求，充分體現(xiàn)相關(guān)政策及文件傳達精神，以實現(xiàn)2030年碳達峰目標(biāo)為出發(fā)點，從工程實際出發(fā)，研究設(shè)計省域碳排放權(quán)一級市場機制。從總量設(shè)定落實到控排單位，以發(fā)電行業(yè)為對象設(shè)計具體配額機制。最后以山東省為例，在模擬機組系統(tǒng)驗證機制的有效性。本文可為非試點省份碳排放體系的建設(shè)以及減排工作的順利完成提供一定的啟發(fā)與借鑒。