劉 娜, 宋福鐵

(華東理工大學(xué) 商學(xué)院,上海 200237)

0 引言

全球氣候變暖是當(dāng)今人類面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn),嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展,而人為碳排放是全球氣候變暖產(chǎn)生的根源。為了控制碳排放,中國政府致力于能源系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型、碳移除等末端治理技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新及全國碳交易市場的部署建設(shè),三管齊下體現(xiàn)了中國應(yīng)對全球氣候變化的決心。作為核心的減排政策工具之一,中國政府于2017年12月開啟了全國碳交易市場的建設(shè),并于2021年7月正式啟動交易。碳交易的基本思想是在總量控制的前提下向企業(yè)分配一定數(shù)額的碳排放權(quán),并允許這種權(quán)力像商品一樣買進(jìn)賣出,以實(shí)現(xiàn)控制碳排放的目標(biāo)。其中,碳排放權(quán)交易價(jià)格(簡稱“碳價(jià)格”)是碳交易的核心要素。碳價(jià)格設(shè)置過低,導(dǎo)致真實(shí)的排放量高于預(yù)期值無法實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo);碳價(jià)格設(shè)置過高,使得碳交易市場無法發(fā)揮資源優(yōu)化配置功能[1]。因此,科學(xué)地制定未來時(shí)期的碳價(jià)格至關(guān)重要。

鑒于碳價(jià)格具有明顯的隨機(jī)性,一些文獻(xiàn)研究了隨機(jī)框架下碳均衡價(jià)格動態(tài)。如SEIFERT等[2]針對歐盟排放交易系統(tǒng)在連續(xù)時(shí)間、隨機(jī)框架下構(gòu)建包含總減排成本和懲罰成本的隨機(jī)均衡模型,推導(dǎo)碳價(jià)格過程。由于該研究忽略碳排放權(quán)交易的環(huán)境影響或社會價(jià)值,YU[3]在此基礎(chǔ)上建立包含總減排成本、懲罰成本及環(huán)境損害的隨機(jī)均衡模型,模擬碳價(jià)格動態(tài)。以上兩位學(xué)者均從中央計(jì)劃者的視角構(gòu)建成本最小化模型,成本函數(shù)中無法考慮碳交易成本。為了克服這一局限性,HITZEMANN和UHRIG-HOMBURG[4]從多企業(yè)視角構(gòu)建了包含總減排成本、碳交易成本和懲罰成本的成本最小化隨機(jī)控制模型,描述碳現(xiàn)貨和遠(yuǎn)期價(jià)格動態(tài)。這些研究以全社會或企業(yè)效用最優(yōu)化(即成本最小化或利潤最大化)為目標(biāo)構(gòu)建模型,當(dāng)監(jiān)管者制定了明確的減排政策時(shí),模擬結(jié)果無法保證實(shí)現(xiàn)減排承諾?；诖?KOLLENBERG和TASCHINI[5]構(gòu)建以企業(yè)在合規(guī)期期末預(yù)期所需減排量等于0為邊界條件、以企業(yè)的總減排成本和總交易成本最小為目標(biāo)函數(shù)的隨機(jī)均衡模型,推導(dǎo)碳價(jià)格動態(tài),然而其并未探討減排措施的優(yōu)先選擇問題。

中國政府于2009年12月在哥本哈根氣候大會中承諾:到2020年碳強(qiáng)度比2005年下降40%～45%。2015年6月,中國提交了《強(qiáng)化應(yīng)對氣候變化行動——中國國家自主貢獻(xiàn)》文件,確定到2030年,碳強(qiáng)度比2005年下降60%～65%。為了實(shí)現(xiàn)這一減排目標(biāo),必須制定一個(gè)系統(tǒng)的減排分配方案,因此,如何制定減排方案也是需要解決的問題。一些文獻(xiàn)使用隨機(jī)最優(yōu)控制理論對碳排放權(quán)的優(yōu)化分配展開研究。如徐靜等[6]研究了混合能源企業(yè)的最優(yōu)減排問題,建立成本最小化動態(tài)優(yōu)化模型。徐靜等[7]建立火力發(fā)電企業(yè)成本最小化的減排決策模型,求解企業(yè)的最優(yōu)減排策略。

本文以參與全國碳交易市場的電力企業(yè)為研究對象,以實(shí)現(xiàn)政府承諾的2021—2030年減排目標(biāo)為約束,在KOLLENBERG和TASCHINI[5]的基礎(chǔ)上,新構(gòu)建了包含清潔能源替代非清潔能源發(fā)電的能源轉(zhuǎn)換成本、減排設(shè)備折舊成本、碳交易成本及交易摩擦成本的總合規(guī)成本最小化隨機(jī)最優(yōu)控制模型。以企業(yè)最優(yōu)減排量和最優(yōu)交易量為控制變量,以預(yù)期所需減排量、碳配額價(jià)格及能源轉(zhuǎn)換價(jià)格為狀態(tài)變量。為了在合規(guī)期內(nèi)實(shí)現(xiàn)政府承諾的減排目標(biāo),以合規(guī)期期末預(yù)期所需減排量恰好等于0為邊界約束,推導(dǎo)碳排放權(quán)均衡價(jià)格和全社會最優(yōu)減排量的解析解。通過情景分析,得到合規(guī)期內(nèi)的碳排放權(quán)均衡價(jià)格和全社會最優(yōu)減排量,并對各種清潔能源替代非清潔能源發(fā)電的邊際減排成本進(jìn)行比較,提出各種能源的先后使用順序。

1 模型的構(gòu)建與求解

全國碳交易市場已于2021年7月16日啟動交易,首批納入2225家發(fā)電行業(yè)的重點(diǎn)排放企業(yè),覆蓋中國40%以上的碳排放。因此,本文僅考慮電力企業(yè)參與減排及碳交易的情況。CHESNEY和TASCHINI[8]指出,有三種方式可以實(shí)質(zhì)減少碳排放:一是降低產(chǎn)品的產(chǎn)出;二是在生產(chǎn)過程中使用低碳排放的投入品取代高碳排放的投入品;三是含碳?xì)怏w在排放到大氣中之前使用凈化設(shè)備移除。借鑒CHESNEY和TASCHINI[8]的研究,不考慮外生性經(jīng)濟(jì)放緩及短期內(nèi)減排技術(shù)有重大突破的情況,僅考慮第二種減排方式在電力市場的應(yīng)用。鑒于此,重點(diǎn)研究電力企業(yè)清潔能源替代非清潔能源減排策略及碳排放權(quán)交易策略下的優(yōu)化決策問題。

(1)

(2)

定理1滿足HJB方程的解為:

(3)

(4)

(5)

2 情景分析

2.1 參數(shù)值和數(shù)據(jù)來源

2.2 情景分析結(jié)果

通過情景分析,得出2021—2030年的碳排放權(quán)均衡價(jià)格和全社會最優(yōu)減排量,見圖1。由圖1可知,

圖1 碳排放權(quán)均衡價(jià)格及全社會最優(yōu)減排量

第一,碳排放權(quán)均衡價(jià)格呈現(xiàn)逐年遞增的態(tài)勢。2021年的碳排放權(quán)均衡價(jià)格為124.07元/tCO2,到2030年升高至152.21元/tCO2,升幅約為22.7%。這主要是因?yàn)樘寂欧艡?quán)均衡價(jià)格等于當(dāng)時(shí)最便宜減排措施下的邊際減排成本,而減排時(shí)往往先采用邊際減排成本較低的減排措施,低成本減排措施的減排能力被充分使用后再選擇次低成本的減排措施,導(dǎo)致碳排放權(quán)均衡價(jià)格呈現(xiàn)遞增趨勢。第二,全社會最優(yōu)減排量呈現(xiàn)逐年遞增的態(tài)勢。2021年全社會最優(yōu)減排量為13.90GtCO2,到2030年升高至17GtCO2,升幅約為22.3%。究其原因,碳排放權(quán)均衡價(jià)格逐年遞增,即邊際減排成本逐年遞增。根據(jù)文獻(xiàn)中的普遍觀點(diǎn):邊際減排成本與減排量存在正相關(guān)性。因此,全社會最優(yōu)減排量呈現(xiàn)遞增趨勢。

2.3 敏感性分析

2.3.1 能源燃料的LCOE對碳排放權(quán)均衡價(jià)格的影響

2020年的LCOEg,LCOEc分別為542.64,482.30元/MWh。選取該值上下變動10%的值,分別進(jìn)行模擬。不同LCOE下的碳排放權(quán)均衡價(jià)格如圖2所示。

圖2 不同LCOE下的碳排放權(quán)均衡價(jià)格

由圖2可知,第一,在其他參數(shù)不變的條件下,天然氣(清潔能源)和煤炭(非清潔能源)的LCOE變動對合規(guī)期內(nèi)碳排放權(quán)均衡價(jià)格有顯著影響,即隨著清潔能源的LCOE上升或非清潔能源的LCOE下降,碳排放權(quán)均衡價(jià)格相應(yīng)升高。究其原因,一方面,碳價(jià)格是碳配額內(nèi)在價(jià)值的體現(xiàn),碳配額的內(nèi)在價(jià)值取決于各種減排措施下的減排成本。清潔能源與非清潔能源的LCOE決定了當(dāng)前主流的能源轉(zhuǎn)換減排方式的減排成本,因此,能源燃料的LCOE是決定碳價(jià)格的關(guān)鍵因素。另一方面,企業(yè)更愿意選擇當(dāng)前LCOE較低的能源燃料生產(chǎn)產(chǎn)品。而不同能源燃料的排放系數(shù)存在差異,導(dǎo)致了對碳排放權(quán)需求的差異,從而影響碳排放權(quán)均衡價(jià)格。

電力企業(yè)清潔能源替代非清潔能源減排策略不僅包含天然氣對煤炭的替代,還包含太陽能、水能、風(fēng)能、核能等清潔能源對煤炭的替代。根據(jù)IEA和OECD-NEA聯(lián)合發(fā)布的《電力成本估算報(bào)告2020》[11]及IEA發(fā)布的《水電市場特別報(bào)告》[13],2020年中國太陽能發(fā)電、水電、陸上風(fēng)電、海上風(fēng)電、核電的LCOE分別為327.39,258.40,377.07,528.56,426.42元/MWh。由于各種清潔能源發(fā)電均不產(chǎn)生碳排放,清潔能源的eg=0。根據(jù)公式(5),解得使用清潔能源發(fā)電對應(yīng)的碳排放權(quán)均衡價(jià)格(單位為元/tCO2),見表1。

表1 各種清潔能源下的碳排放權(quán)均衡價(jià)格

表1表明,第一,在合規(guī)期內(nèi)水電對應(yīng)的碳排放權(quán)均衡價(jià)格最低,太陽能發(fā)電次之,第三為陸上風(fēng)電,第四為核電,第五為海上風(fēng)電,天然氣發(fā)電最高。由于碳排放權(quán)均衡價(jià)格等于當(dāng)時(shí)最便宜減排措施下的邊際減排成本,因此2021—2030年清潔能源發(fā)電優(yōu)先使用順序?yàn)?水電、太陽能發(fā)電、陸上風(fēng)電、核電、海上風(fēng)電、天然氣發(fā)電。

2.3.2 初始碳配額對全社會最優(yōu)減排量及碳排放權(quán)均衡價(jià)格的影響

由圖3可知,第一,在其他數(shù)不變的條件下,初始碳配額與全社會最優(yōu)減排量呈反相關(guān)關(guān)系且影響較為顯著,具體數(shù)值見表2。這主要是因?yàn)?初始碳配額越多,總減排壓力越小,分配到每年的減排壓力越小,全社會最優(yōu)減排量越低,反之亦然。第二,在其他參數(shù)不變的條件下,初始碳配額與碳排放權(quán)均衡價(jià)格呈反相關(guān)關(guān)系且影響較弱。究其原因,一方面,初始碳配額上升,導(dǎo)致碳交易市場中可交易的碳配額增加,碳配額價(jià)格下降;另一方面,對全社會賦予更多的初始碳配額,全社會的減排壓力越低,分配到每個(gè)企業(yè)的減排需要越少,由于安裝清潔能源設(shè)備的初始投資較大,企業(yè)往往選擇通過在碳交易市場購買碳配額而放棄使用清潔能源發(fā)電的方式進(jìn)行減排,導(dǎo)致碳配額價(jià)格升高。在這兩種作用的雙重影響下,初始碳配額對碳排放權(quán)均衡價(jià)格幾乎沒有影響。

表2 初始碳配額對全社會最優(yōu)減排量的影響

表2表明,第一,初始碳配額取基準(zhǔn)值(e0=129.07GtCO2)對應(yīng)的合規(guī)期內(nèi)總減排需要為152.73GtCO2,而2021—2030年的全社會最優(yōu)總減排量為154.43GtCO2;初始碳配額數(shù)量上升10%(e0=141.98GtCO2)對應(yīng)的合規(guī)期內(nèi)總減排需要為139.82GtCO2,而2021—2030年的全社會最優(yōu)總減排量為141.38GtCO2;初始碳配額數(shù)量下降10%(e0=116.16GtCO2)對應(yīng)的合規(guī)期內(nèi)總減排需要為165.64GtCO2,而2021—2030年的全社會最優(yōu)總減排量為167.49GtCO2。三種情景下合規(guī)期內(nèi)的最優(yōu)總減排量均略高于總減排需要,可見模型所得全社會最優(yōu)減排量的解析式是正確的,所得結(jié)果既可以實(shí)現(xiàn)總減排目標(biāo)又可以保證總合規(guī)成本最小。

2.3.3 預(yù)期所需減排的波動率對全社會最優(yōu)減排量及碳排放權(quán)均衡價(jià)格的影響

預(yù)期所需減排的波動率σI默認(rèn)取值為0.02,選取該值上下變動10%的值,即0.022和0.018分別進(jìn)行模擬。不同預(yù)期所需減排波動率下的結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同σI的碳排放權(quán)均衡價(jià)格和全社會最優(yōu)減排量

由圖4可知,在其他參數(shù)不變的條件下,預(yù)期所需減排的波動率對全社會最優(yōu)減排量及碳排放權(quán)均衡價(jià)格均沒有影響。

3 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)2021—2030年承諾的減排目標(biāo),基于電力企業(yè)建立連續(xù)時(shí)間下總合規(guī)成本最小的隨機(jī)均衡模型。使用哈密頓-雅可比-貝爾曼(HJB)方程將動態(tài)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為解偏微分方程問題,通過求解偏微分方程得到全社會最優(yōu)減排策略及碳排放權(quán)均衡價(jià)格的解析解。基于理論結(jié)果,采用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行情景分析及參數(shù)敏感性分析。研究結(jié)論有以下幾點(diǎn):(1)在政府承諾的碳強(qiáng)度減排目標(biāo)約束下,2021—2030年的碳排放權(quán)均衡價(jià)格分別為:124.07,126.96,129.91,132.93,136.01,139.18,142.42,145.72,149.11和152.21元/tCO2。全社會最優(yōu)減排量分別為:13.90,14.23,14.55,14.89,15.24,15.60,15.97,16.33,16.72和17.00GtCO2。(2)2021—2030年清潔能源發(fā)電的優(yōu)先使用順序?yàn)?水電、太陽能發(fā)電、陸上風(fēng)電、核電、海上風(fēng)電、天然氣發(fā)電。(3)合規(guī)期內(nèi)的最優(yōu)總減排量均略高于總減排需要,可見模型所得全社會最優(yōu)減排量的解析式是正確的,即模型的構(gòu)建是正確的,所得結(jié)果既可以實(shí)現(xiàn)總減排目標(biāo)又可以保證總合規(guī)成本最小。

針對以上研究結(jié)論,提出如下政策建議:(1)未來應(yīng)加大清潔能源的使用比例,降低清潔能源的使用成本。水能、太陽能、陸上風(fēng)能、核能等清潔能源相較于化石能源不僅不產(chǎn)生碳排放還提高了經(jīng)濟(jì)效益,政府首先鼓勵這些零碳排放能源的使用。由于水能受降水季節(jié)的影響,太陽能和風(fēng)能屬于自然、間歇式的能源,而核能的大量使用也存在核安全問題,當(dāng)零碳排放能源達(dá)到產(chǎn)能約束邊界時(shí),進(jìn)一步加大天然氣等低碳排放能源的使用。最后,只有部分無法實(shí)現(xiàn)完全脫碳的行業(yè),通過加裝脫碳設(shè)備,可以繼續(xù)使用化石能源進(jìn)行生產(chǎn)。同時(shí)通過不斷加大清潔能源的裝機(jī)規(guī)模,實(shí)現(xiàn)清潔能源使用的規(guī)模經(jīng)濟(jì),推動清潔能源生產(chǎn)成本的不斷下降。(2)初始碳配額取決于政府在合規(guī)期內(nèi)的總減排目標(biāo),由于減排目標(biāo)的設(shè)置關(guān)乎經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的和諧發(fā)展,政府在制定減排目標(biāo)時(shí)應(yīng)遵循以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo),以控制碳排放為約束的原則。