碳市场视角下的中国电力行业转型研究——以某省级区域电网为例.pdf

建筑经济CONSTRUCTION ECONOMY第 44 卷第 S1 期2023 年 7 月Vol.44 No.S1Jul.2023摘要：碳市场作为推动社会低碳转型的重要力量愈受关注，发电行业发展尚不成熟。因此，评估碳交易对我国发电行业低碳转型的推动作用，具有较大的学术价值和现实需要。以相关文献和某区域电力公司机组数据为依据，分析碳交易对企业发电量决策的影响路径。研究发现，在引入碳交易时，发电成本较低的发电企业会选择增加发电量，发电成本高的企业会选择减少发电量，从而实现了高能效发电机组对低能效发电机组的替代，促进整个区域发电效率的提高，碳排放也随之减少，实现对区域碳排放的有效控制。关键词：电力转型；“双碳”目标；新能源；碳市场；区域电网中图分类号：F426.61；X322文献标识码：A文章编号：1002-851X（2023）S1-0031-04DOI：10.14181/ki.1002-851x.2023S1031Research on the Transformation of China s Power Industry from the Perspective of Carbon Market：Taking a Provincial Regional Power Grid as an ExampleZHANG Jigang1，WAN Zhengdong1，WU Liangzheng1，LIU Yuchu2，LIU Chengwei2（1.China Southern Power Grid Energy Development Research Institute Co.，Ltd，Guangzhou 510530，China；2.Central Southern China Electric Power Design Institute Co.，Ltd，of China Power Engineering Consulting Group，Wuhan 430071，China）Abstract：The carbon market has attracted more and more attention as an important force to promote the low-carbon transformation of society.The development of the power generation industry is not yet mature.Therefore，evaluating the role of carbon trading in promoting the low-carbon transformation of my country s power generation industry has great academic value and practical needs.Based on relevant literature and unit data of a regional power company，this paper analyzes the impact path of carbon trading on corporate power generation decisions.This paper finds that when carbon trading is introduced，power generation companies with lower power generation costs will choose to increase power generation，and companies with high power generation costs will choose to reduce power generation，thereby realizing the replacement of high-energy-efficient generator sets for low-energy-efficient generator sets，and promoting the improvement of power generation efficiency in the entire region also reduces carbon emissions and achieves effective control of regional carbon emissions.Keywords：power transition；“dual carbon”target；new energy；carbon market1引言在全球变暖的背景下，极端气候事件发生频率越来越高，人类社会面临生存威胁，为应对日益严峻的环境考验，已有数十个国家和地区先后提出减少碳排放并推出了相关的政策或行动计划，这一改变促进了全球能源转型的提速。在我国，能源活动的排放量约占全社会碳排放量的87%，其中电力部门碳排放量约占全社会碳排作者简介：张继钢，高级经济师，主要研究方向：电力技术经济、电力定额。碳市场视角下的中国电力行业转型研究以某省级区域电网为例张继钢1，万正东1，吴良峥1，刘禹初2，刘成伟2（1.南方电网能源发展研究院有限责任公司，广东 广州 510530；2.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071）建 筑 经 济2023年32放量的40%，排放量约为4109t。煤电仍然在我国一次能源消费中占据主要地位，占比约50%。在联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）1.5目标以及我国承诺2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和的背景下，电力行业减排的潜力巨大。根据目前已知国家的政策目标，业内普遍认为，可再生能源在电力消费中的比例将得到大幅提升。我国的能源政策提出，到2030年非化石能源占一次能源的消费比重达到25%以上，非化石能源发电量占全部发电量的比重力争达到50%。根据清华大学气候变化与可持续发展研究院编著的 中国长期低碳发展战略与转型路径研究，今后30年我国如果要实现零排放，需要能源领域的低碳投资约138万亿元，根据中国投资协会研究，未来可再生能源和技术领域需要投资近70万亿元。面对如此体量的投资需求，对我国来说既是促进高质量发展的机遇又是对整个金融体系的调整，如何有序引导社会资本投资，控制系统性风险，最终成功实现电力行业的升级是实现“双碳”目标的重要 议题。我国政府为实现“双碳”转型目标积极推出相关的政策（表1），但是当前“碳达峰、碳中和”目标尚处于起步阶段，技术路线仍待探讨，相关的体制机制尚不完善，电力行业自身转型的战略规划仍然缺少明确的路径分析。当前，全球各国主要从保价、保量和提高化石能源排放成本三个方面鼓励可再生能源的 发展。何种政策能够更有效地实现能源结构的优化和能源转型的目标，学者们还未有统一的定论。有些学者提出在电力转型之初可以借鉴国外绿色发展的经验；还有一些学者研究了上网电价补贴、可再生能源电力投资补贴等可再生政策对能源发展的影响；在电力的需求领域，部分学者分析了“双碳”背景下电力消费的需求，从不同的角度探究电力消费的新模式；在电力转型路径方面，部分学者讨论了在低碳、零碳、负碳多场景下电力低碳转型的路径；在碳市场方面，现有研究大多提出应在保证公平和效率的基础上为各个地区分配碳排放目标。现有研究基本认为可再生能源在我国未来电力行业中将成为支撑电力供应的基础性能源，但是目前的研究多是聚焦于全国层面的宏观研究，很少涉及到地域层面，对未来可能广泛应用的技术分析 不足。2021年中国人民银行推出了碳减排支持工具，支持金融机构按照市场化原则为清洁能源等三个领域内的企业提供优惠利率贷款，引导经济主体转变行为；2023年2月北京绿色交易所正式落户北京城市副中心，作为国家级绿色交易所，未来将作为全国温室气体自愿减排交易中心以及全球绿色金融和可持续金融中心的基础设施，为更多排放企业或主体提供服务。因此，碳交易对发电行业低碳转型的潜在影响值得深入研究，本文通过构建评估模型来研究碳交易在电力行业低碳转型路径上的作用。2模型构建2.1碳交易对企业发电量决策的影响路径分析根据外部性理论，在没有碳交易市场时，发电企业的环境污染成本由全社会承担，在碳交易市场出现后，环境的治理成本内部化为企业的成本，继而影响发电企业的发电量和利润。（1）对发电企业利润的影响碳交易下企业由于会受到碳排放的约束，企业的发电量会发生变化。发电企业的成本不仅仅包括企业传统的生产成本，企业为了达到减少碳排放的要求，也会积极参与碳交易，从而产生碳配额交易的成本或收入，碳配额交易成本的增加会影响发电企业的碳配额交易量，继而影响发电企业的决策。因此，发电企业的目标函数如下：=pq-pCO2Em-cgen（1）其中，表示发电企业的利润额，pq为发电企业的收入，pCO2表示碳配额的交易价格，Em表示碳配额的交易量，cgen表示发电成本。（2）对发电企业成本的影响引入碳交易后，发电量的变化受到碳成本的影响。当企业发电量不足时，可以买入碳配额，当企业完成发电量后，也可以卖出碳配额。因此发电企业的成本由两部分构成，分别是发电成本和碳配额交易成本。表1激励可再生能源发展的政策措施政策类型主要内容保价型固定上网电价政策（Feed-in Tariff，FIT）上网电价补贴政策（Feed-in Premium，FIP）保量型可再生能源配额制度（Renewable Portfolio Standard，RPS）提高化石能源电力的成本构建碳排放权交易体系（Carbon Emission Trading System，ETS）第 44 卷第 S1 期33张继钢，等碳市场视角下的中国电力行业转型研究C=cgen+pCO2Em（2）其中，C表示发电企业的成本，pCO2表示碳配额的交易价格，Em表示碳配额的交易量，cgen表示发电 成本。通过上述分析，碳交易会通过影响发电企业的利润函数和成本函数对企业产生影响，企业可以通过调整碳交易量进而实现最优的发电量以达到企业利润最大化的目标。2.2考虑碳交易的发电量决策模型由于发电企业可以从碳交易市场买入碳配额或者在碳交易市场上出售碳配额，提出假设1。假设1：某区域有n个发电企业，每个发电企业只有一台发电机组。发电企业i买入碳排放额所需支付成本为：Mi=（qii-Ai）PCO2（3）其中，qi为发电企业i在碳交易市场上的实际发电量，i为发电企业i单位发电量的碳排放量，Ai为发电企业i的初始碳排放配额量。电力市场中一般的发电成本模型如下：Ci=i+iqi+0.5iqi 2+iiqi（4）其中i、i、i分别表示发电企业i在碳交易市场上的实际发电量qi的系数，i是企业i机组的标准化参数，i表示企业i机组的成本类型参数，且都大 于0。因此，在考虑碳交易下发电量决策利润的变化，发电企业的利润模型如下：i=qip-Ci-M（5）将式（3）和式（4）代入式（5）中可得：i=0.5iqi 2+qi（p-i-ii-iPCO2）+AiPCO2-i（6）该发电企业利润模型涉及企业利润、单位发电成本、单位碳配额交易价格、发电量、发电固定成本和可变成本六个部分。为了进一步分析发电企业利润和发电量之间的关系，令i=0，求得企业盈亏平衡状态下的发电量为式（7）：此时，发电企业的碳配额交易量为式（8）：由此可知，引入碳交易后，发电企业存在盈亏平衡发电量和盈亏平衡的碳配额交易量。当发电量在两个盈亏平衡点之间时，发电企业的收入大于支出。当发电量不在两个盈亏平衡点之间时，发电企业出现亏损。所以，当存在碳交易市场后，发电企业的利润不是随着发电量的增加而增加，而是发电量在两个盈亏平衡点之间时才能实现盈利。分别求公式（6）的一阶导数和二阶导数，发现公式（6）二阶导数小于0，可知发电企业的利润模型存在极大值点，令一阶导数为0，此时的发电量为qi=（p-i-ii）/i，企业需要进行的碳配额交易量为qii-Ai=（i（p-i-ii-iPCO2）/i）-Ai。通过对发电企业的盈亏平衡点分析，为发电企业制定合适的发电量提供依据。将上述的结论拓展到一个区域内的众多发电企业，各个发电企业不仅要满足企业自身发电的需要，还需要满足区域内的发电量的需要，此时，在存在碳交易市场时，区域内企业发电量的决策模型为式（9）。maxni=1i=ni=1qip-Ci-Mi（9）3以某省级区域电网为例的实例研究截至2022年底，某省碳市场配额累积共成交3.75亿吨，占全国份额的44.6%，累积成交额达90.71亿元，占全国交易总额的46.9%，涉及钢铁、水泥、石化、化工等16个行业（表2）。案例省对比全国的碳市场，可以看出全国碳排放权交易配额总量设定较宽松。在“自下而上”的配额模式下，政府可以通过调整碳排放的基准值，实现经济增长和碳减排的平衡。以案例省为例，已知发电机上网标杆电价是416元/GW h，碳排放权交易价格为49.51元/吨，分析参与碳交易的4个发电企业，假设每个企业仅有一台发电机组，其中各发电机组的参数如表3所示。通过各企业发电机组参数，对比计划发电量、不考虑碳交易市最优发电量和考虑碳交易时最优发电量之间的关系，结果如表4所示。从上表可以看出，（1）在考虑碳交易市场后，单位能耗高的发电机组的发电量较计划发电量和不考虑碳交易时的最优发电量有所减少。（2）发电成本低的机组在引入碳交易后，其发电量比计划发电量和不考虑碳交易时的发电量有所提高。（3）在考虑碳交易市场后，各qii-Ai=（p-i-ii-iPCO2）2+2i（AiPCO2-i）i（p-i-ii-iPCO2）i-Ai（8）qi=（p-i-ii-iPCO2）2+2i（AiPCO2-i）i（p-i-ii-iPCO2）（7）建 筑 经 济2023年34机组的发电利润均有所增加，碳排放量较不考虑碳排放市场时的总量减少，实现了碳减排的政策效果。4结语发电企业作为市场经济的主体之一，也是以追求自身利润最大化为生产目标。在碳市场下，发电成本较低的发电企业会选择增加发电量，发电成本高的企业会选择减少发电量，从而实现了高能效发电机组对低能效发电机组的替代，促进整个区域发电效率的提高，碳排放也随之减少，实现对区域碳排放的有效控制。政府是碳交易市场的主要倡导者和建设者，为了促进碳交易市场的发展，需要政策法规的保障，政策法律的建立可以帮助实现对发电企业碳排放的长期有效监管，使得碳交易市场平稳运行。此外，碳排放管理具备较强的专业性，统筹确定各省、各行业的碳排放预算，特别是要明确电力行业碳预算，科学制定并实施相应的碳排放指标。协调煤电退出节奏和可再生能源的发展，密切关注产业结构、技术、政策等内外环境的变化，不断优化电力低碳转型的路径。参考文献1 张运洲，鲁刚，王芃，等.能源安全新战略下能源清洁化率和终端电气化率提升路径分析J.中国电力，2020（2）：1-8.2 杨儒浦，冯相昭，赵梦雪，等.欧洲碳中和实现路径探讨及其对中国的启示J.环境与可持续发展，202l（3）：45-52.3 汪洋子，梁才浩，孟靖，等.煤电退出与电力系统转型规划：智利案例研究J.全球能源互联网，2021（4）：363-371.4 耿海军.国外典型国家低碳发展特点对北京市实现碳中和的借鉴与启示J.节能环保，2021（7）：32-33.5 周颖，傅鹏.碳达峰背景下中国电力行业的绿色转型J.中国外贸，2021（15）：64-66.表2全国碳市场和某区域碳市场同类机组排放基准值对比机组容量全国碳市场（供电）（tCO2/MWh）某区域碳市场（供电）（tCO2/MWh）300MW等级以上常规燃煤机组0.81590.8049300MW等级及以下常规燃煤机组0.87290.7901表3各企业发电机组参数发电企业发电成本系数计划发电量（TWh）最小出力（MWh）最大出力（TWh）碳排放量（kg/kWh）政府碳配额量（kg/kWh）iiiA13.16*107161.231.78*10-51.6831.80.660.37A23.21*107164.411.84*10-52.2831.80.620.38A35.44*107149.211.73*10-52.4263.60.410.43A46.13*107144.541.75*10-53.6163.60.420.43表4计划发电量和不考虑碳交易发电量比较发电量比较发电企业A1A2A3A4合计计划发电量发电量（GWh）16801680226023007920发电利润（万元）14573.1213983.4323561.8823412.0375530.46不考虑碳交易发电量（GWh）1321.121342.6525192548.247731.01发电利润（万元）13682.4813012.2124091.2423876.4574662.38考虑碳交易发电量（GWh）1076.671063.342552.982578.667271.65发电利润（万元）15282.5414568.7825031.2725594.0180476.6计划发电量和不考虑碳交易的发电量对比发电量变化（GWh）-358.88-337.35259248.24-188.99发电利润变化（万元）-890.64-971.22529.36464.42-868.08碳排放变化（kg）-180.48-170.5656.0389.72-205.29不考虑碳交易发电量和考虑碳交易发电量对比发电量变化（GWh）-244.45-279.3133.9830.42-459.36发电利润变化（万元）1600.061556.57940.031717.565814.22碳排放变化（kg）-138.65-114.7620.9597.89-134.57