燃煤電廠CCS技術投資的政策不確定性影響及評價研究

伊長生 陸曉倩

(安徽工業大學管理科學與工程學院，安徽省馬鞍山市，243032)

溫室氣體(二氧化碳為主)排放給社會經濟發展帶來了嚴重的氣候變化問題，低碳發展和節能減排勢在必行。我國的二氧化碳排放主要集中在以煤炭為主要原材料的傳統工業企業，比如發電企業、鋼鐵企業、化工企業等，而大型燃煤電廠是電力行業最主要的碳排放來源之一。2017年，我國煤電裝機容量占發電裝機容量的58%，煤電發電量約占總發電量的66.7%，為保障未來用電剛性需求，短期內煤電在電源結構中的核心位置無法被取代。碳捕集和封存(Carbon Capture and Storage, 簡稱CCS)是全球低碳技術中緩解溫室氣體排放的關鍵技術，對于以傳統燃煤發電為主的國家來說，CCS是快速降低碳排放的有效路徑。根據國際能源署(IEA)的分析，預計到2050年CCS技術仍然可以為全球減少12%的二氧化碳排放量。

近年來，CCS技術的發展引起各國政府的高度重視。應用CCS技術可以將燃煤電廠排放的大量二氧化碳收集并通過管道運輸封存于地下或者海底，切斷其直接進入大氣形成溫室氣體效應的途徑，因此該技術具有投資成本高、技術風險大、運行能耗高等特征，這使得CCS技術發展遇到許多障礙。同時，CCS技術投資還面臨碳價、碳稅、清潔電價補貼、政策變化和技術進步等不確定因素的影響，這些因素降低了投資者的信心，因此政府的碳排放激勵政策對CCS技術發展具有重要的推動作用。

1 研究現狀

政府可以采取激勵政策(包括稅收優惠、財政補貼等)，并通過對二氧化碳排放征稅或引入排放許可交易，降低潛在投資者對CCS技術投資的不確定性。因此，研究政府激勵政策對CCS技術投資的影響成為國內外學者重點關注的熱點。由于碳市場價格的不確定性和隨機波動規律，在分析激勵政策對CCS技術投資的影響時，所采用的建模工具主要是實物期權理論，考慮的不確定因素包括碳價、碳稅、政府補貼等。比如，Zhu和Fan在分析改裝火電機組的成本節約效應和碳減排的基礎上，討論了碳價和環境政策等不確定因素對CCS技術投資的影響；Wang X等建立了考慮不確定性因素的燃煤電廠CCS投資的三叉樹模型，為政策制定者設定了合適的碳稅稅率；Cheng H等從碳市場和補貼政策的相互作用出發，分析了發電補貼對我國燃煤電廠CCS改造投資和碳減排的影響；張新華等構建了碳價和CCS技術雙重不確定條件下的碳捕獲技術投資模型，并分析了政策性補貼對CCS投資的影響；陳濤等構建了燃煤發電投資和CCS投資的兩階段投資決策模型，得出激勵企業投資碳排放技術的政府補貼規則；文書洋和林則夫研究了政府補貼方式和政策支持對CCS投資決策的影響，并構建了成本補貼和運營補貼政策下碳捕獲項目的期權價值函數；王喜平和杜蕾構建了關于燃煤電站CCS投資決策的四叉樹期權模型，并分析了不同政府補貼力度對臨界碳價及投資決策的影響；張賢等采用三叉樹模型對燃煤電廠的CCS改造裝置投資項目進行期權評價，并探討了上網電價、碳價和政府成本補貼對CCS投資的激勵效果。

另外，政府還可以通過政策調整來影響CCS技術投資的不確定性。當一項新技術的技術指標及其相關政策法規沒有頒布時，企業難以判斷其是否頒布、實施力度等不確定因素對最終技術收益的影響。由于政府政策的出臺為非連續性發生的隨機離散事件，因此一般將其描述為隨機離散過程。在燃煤電廠進行CCS技術投資決策時，政策不確定性在很大程度上影響企業的投資時機選擇，政策不確定性越大，企業進行投資的風險越大。因此，研究政策法規的不確定性對CCS技術投資的影響尤為必要。目前，關于政策變化的不確定性對CCS技術投資影響的研究文獻較少。比如，王治構建了實物期權模型來研究政策變動的不確定性對電網投資的影響；李慶等應用實物期權模型研究了政策不確定性對可再生能源發電企業投資決策的影響，并將政策不確定性變化描述為泊松過程。

本文在上述研究的基礎上，結合我國實際情況，將政策不確定性劃分為可隨機轉換的4種情形(無補貼政策、低力度補貼、中力度補貼和高力度補貼)，并構建了燃煤電廠進行CCS技術投資的實物期權評價模型；另外，引入碳稅和清潔電價等政策變量，通過數學推導得出不同政策條件下的投資臨界值。在模型求解的基礎上，通過數值仿真分析碳稅和補貼政策等因素對CCS投資決策的影響。

2 燃煤電廠的CCS技術投資決策分析

2.1 基本假設

政策的不確定性體現在很多方面，例如對投資成本進行補貼、提高碳價、提高上網電價等措施。補貼政策是一種常見的激勵措施，政府可以通過成本補貼、固定額度資金支持、運營成本補貼、銷售收入保底等措施為燃煤電廠進行低碳技術投資提供激勵機制。本文考慮的是補貼政策中投資表現最明顯的前期投資成本補貼，建立了政策不確定環境下的實物期權評價模型，并分析政策法規變動調整對CCS投資臨界值的影響。

(1)假設碳排放交易價格P具有隨機不確定性，且服從幾何布朗運動，則有：

dP=μPdt+σPdz(1)

式中：μ——碳價P的期望增長率；

σ——P的波動率；

dz——標準維納過程的增量；

dt——時間增量。

(2)在風險中性測度下，r為無風險利率，δ為便利收益率，且δ=r-μ。

(3)燃煤電廠的CCS技術投資是一項不可逆投資。

(4)投資收益的不確定性主要表現在碳交易市場價格的波動和政府補貼政策之間的隨機調整。

(5)政府可以控制CCS投資成本補貼力度，在不同力度補貼政策之間進行隨機轉換，且補貼政策之間的轉換過程服從隨機泊松過程。

2.2 實物期權評價模型

假設q為燃煤電廠捕獲的二氧化碳排放量，在t時刻進行CCS投資，則未來所產生的增量利潤包括碳市場交易收益、碳稅減免收益以及清潔電價收益三個部分，則有：

Π(P)=qP+qτ+QPe-w-I(2)

式中：τ——碳稅稅率，元/t；

P——碳價，元/kWh；

Q——燃煤電廠的年發電量，kWh；

Pe——清潔電價，元/kWh；

w——運營成本，萬元；

I——初始投資成本，萬元。

2.2.1 考慮政府沒有實施補貼政策的情形

假設政府沒有實施激勵政策，燃煤電廠選擇立即投資CCS技術，則投資機會價值F(P)為：

P未達到P*之前，投資期權F(P)一直處于被持有的狀態。未來時間由瞬間時間區間(t,t+△t)和超出該區間的延續部分組成，根據貝爾曼方程可得：

rF0(P)dt=E[dF0(P)](4)

根據伊藤引理，由式(4)得出CCS投資價值函數滿足以下微分方程：

為滿足邊界條件F(0)=0, 方程(5)的解必須采用下列形式：

F(P)=A1Pβ1+A2Pβ2(6)

其中，β1和β2為特征方程的兩個根：

由于β2<0，當P→0，Pβ2→∞，因此A2=0，則：

F(P)=A1Pβ1(9)

根據實物期權理論，在臨界值P*處，滿足以下價值匹配條件和平滑粘貼條件：

因此，CCS投資的臨界值為：

同時，可求得投資期權價值系數為：

2.2.2 考慮政府不同補貼政策下的情形

政府對燃煤電廠的CCS技術投資成本給予一定的財政補貼。在補貼政策確定實施的情形下，政府激勵政策的實施力度對燃煤電廠的CCS技術投資決策會產生一定的影響。假設成本補貼政策的實施力度θ服從泊松過程，且0<θ<1，θ越大則代表政府的補貼力度越大，則燃煤電廠的初始投資成本降低為(1-θ)I。此外，假設政策實施力度θ可以在低力度政策θ0、中力度政策θ1和高力度政策θ2之間隨機轉換，政策的轉換過程如圖1所示。假設當前CCS補貼政策為低力度政策θ0，則在下一時段dt轉換為中力度政策θ1的概率為λ1dt，轉換為高力度政策θ2的概率為λ2dt；如果當前補貼政策為中力度政策θ1，則在下一時段dt轉換為低力度政策θ0的概率為λ3dt，轉換為高力度政策θ2的概率為λ4dt；如果當前補貼政策為高力度政策θ2, 則在下一時段dt轉換為中力度政策θ1的概率為λ5dt，轉換為低力度政策θ0的概率為λ6dt。

圖1 政策實施力度的轉換過程

假定F0(P0)為實施低力度政策時的投資機會價值，F1(P1)為實施中力度政策時的投資機會價值，F2(P2)為實施高力度政策時的投資機會價值。下面針對不同補貼力度情形下燃煤電廠的CCS投資決策進行建模分析。

當政府實施低力度政策時，燃煤電廠選擇立即投資所獲得的投資機會價值F0(P0)為：

當政府實施中力度政策時，燃煤電廠選擇立即投資所獲得的投資機會價值F1(P1)為：

當政府實施高力度政策時，燃煤電廠選擇立即投資所獲得的投資機會價值F2(P2)為：

根據轉換原則，在低力度補貼下的CCS投資機會價值的期望值為：

由貝爾曼方程可得：

rF0(P)dt=E[dF0(P)](17)

根據伊藤引理展開可得：

上式的解可表示為：

其中B1、B2是待定常數，β1、β2為下列二次方程的正根和負根：

(20)

得到β0<0，舍棄，考慮方程的正根：

在投資臨界值P0*處，滿足如下價值匹配和平滑粘貼條件：

(22)

根據以上方程組可得投資臨界值為：

同時，投資期權價值系數為：

同理，在中、高力度補貼下投資機會價值的期望值為：

求解可得投資臨界值為：

3 數值分析

3.1 參數設定

考慮對地處我國煤炭基地的陜西錦界電廠600 MW亞臨界燃煤機組進行碳捕獲與封存技術的改造，本研究項目選擇的是燃燒后碳捕獲技術。預計新增改造裝置投資成本為10.6億元， CO2減排量為180萬t/a，設備運營維護成本率為投資成本的10%。2018年國家發改委發布的《燃煤發電機組環保電價及環保設施運行監管辦法》中對脫硫環保電價的加價定義為0.015元/kWh，清潔發電量等于發電廠年發電量，為44000萬kWh。根據2018年3月19日國內八大城市碳排放市場交易價格數據，這里設定初始碳價為當前國內碳價的平均值26.62元/t，碳價波動率為0.14。根據2010年環保部規劃院建議的碳稅稅率20元/t，考慮到近年來減排力度加大，本文將碳稅稅率設定為30元/t。參考燃煤電廠預可研報告和2018年國債利率，便利收益率和無風險利率分別取2%和4%。

3.2 無補貼政策下投資臨界值的影響分析

3.2.1 碳稅稅率與投資臨界值

在政府無補貼政策條件下，根據模型可以得出CCS項目投資時機的臨界值為99.0117元/t。將碳稅稅率τ看作關于投資臨界值P*的函數，根據公式(11)求解P*可得碳稅稅率與臨界碳價的關系，如圖2所示。

圖2 臨界碳價P*與碳稅稅率τ的關系

由圖2可知，投資臨界值P*隨著碳稅稅率τ的增加而減少，這是因為投資CCS技術的企業會因為碳稅稅率增加獲得更多的收益，故投資價值會增加。不考慮其他因素，在當前參考碳價26.62元/t 條件下，只有當碳稅稅率達到43元/t時才適宜投資，所以當前條件下不適合立即投資CCS技術。而在短時間內提高碳稅稅率到43元/t是不切實際的，因此需要政府實施成本補貼政策激勵企業對CCS技術進行投資。

3.2.2 清潔電價補貼與投資臨界值

將清潔電價補貼看作關于投資臨界值P*的函數，根據公式(11)求解P*得到清潔電價補貼與臨界碳價的關系，如圖3所示。

圖3 臨界碳價P*與清潔電價補貼Pe的關系

由圖3可知，清潔電價補貼可以降低投資臨界值，每補貼0.01元/kWh，投資臨界值就能降低10元/t，當環保電價補貼達到0.11元/ kWh時，在當前碳價條件下燃煤電廠適宜立即進行CCS技術投資。由于我國的煤電發電總量巨大，所以對于政府來說，每增加0.01元/ kWh的發電補貼都是一個不小的數額，因此仍需要政府實施成本補貼才可以激勵企業進行CCS技術投資。

3.3 政策不確定性對投資臨界值的影響分析

假設補貼政策以泊松過程在低力度、中力度、高力度政策之間隨機轉換，則燃煤電廠的3個投資臨界點P0、P1、P2也會隨之受到影響。

(1)當低、中、高補貼率相同時，政策的平均轉換概率為λ1=λ2=λ3=λ4=λ5=λ6=0，得出投資臨界值如表1所示。

表1 確定條件下補貼政策對投資臨界值的影響

由表1可以看出，在補貼力度相同條件下，當無激勵政策時，投資臨界值為99.0117；而當政策力度為0.1時，投資臨界值下降為40.1357，這說明實施成本補貼政策可以有效提高企業投資的信心。隨著補貼力度的增大，投資臨界值不斷降低，但即使補貼力度達到100%，臨界碳價為27.3404元/t，考慮到當前碳價均值為26.62元/t，這說明政府雖然發布了補貼政策，但沒有給出明確的補貼力度，企業同樣缺乏對CCS項目的投資信心。

(2)在低力度政策的起點上設置不同的參數，且低、中、高比例區間力度相同，假設補貼比率以10%的梯度增長，補貼政策的平均轉換概率為λ1=λ2=λ3=λ4=λ5=λ6=0.35，則可得到投資臨界值的變化如表2所示。

表2 低力度補貼下政策變動對投資臨界值的影響

由表2可以看出，當政策力度區間差距θ1-θ0=θ2-θ1=0.05情況下，隨著政策力度的增加，臨界碳價則不斷降低，當市場碳交易價格高于碳臨界價格時，燃煤電廠會選擇投資CCS 項目并可從中獲益；反之，則暫不考慮CCS技術投資。對比當前國內碳價的平均值26.62元/t，在低力度補貼和中力度補貼的環境下，即使補貼率達到100%也無法達到平均碳價的水平，因此企業并不適合投資CCS技術。而在高力度補貼環境下，區間6的投資臨界值為26.0964元/t，低于市場碳價均值，此時企業便適宜立即投資CCS技術。

(3)在低力度補貼政策θ0環境下，假設政策力度為區間1，將數值帶入公式(23)，得到調整頻率變化對投資臨界值P0的影響如表3所示。

表3 調整頻率對投資臨界值P0的影響

由表3可以看出，當調整頻率λ1保持不變，隨著λ2的增加，投資臨界值不斷增加；同理，當調整頻率λ2保持不變，隨著λ1的增加，投資臨界值也不斷增加。這說明在低力度補貼政策環境下，向中、高力度補貼政策調整時，過度頻繁的調整政策會使得投資者無法明確政策是否能夠準確實施，這時企業會選擇等待投資而不是立即投資CCS技術。因此，在低力度政策環境下要保證較明確的調整頻率才可以穩定燃煤電廠的投資信心。

(4)在中力度補貼政策θ1環境下，假設政策力度為區間1，將數值帶入公式(27)，得到調整頻率變化對投資臨界值P1的影響如表4所示。

表4 調整頻率對投資臨界值P1的影響

由表4可以看出，當調整頻率λ4保持不變，隨著λ3的增加，投資臨界值不斷降低，從中力度補貼政策向低力度補貼政策調整頻率越大，則投資臨界值越低；同理，當調整頻率λ3保持不變，隨著λ4的增加，投資臨界值也不斷增加。這說明當中力度補貼下降為低力度補貼的可能性增大時，燃煤電廠會選擇立即投資，這樣可以避免取消中力度補貼的潛在威脅；而如果政策補貼將從中力度調整為高力度的調整頻率增大，企業則更傾向于擁有明確的調整政策，故會選擇等待投資。因此，在中力度補貼環境下，補貼能力下降時，政府可以增大調整頻率；而補貼能力增加時，政府要采取穩健的政策實施力度。

(5)在高力度補貼政策θ2環境下，假設政策力度為區間1，將數值帶入公式(28)，得到調整頻率對投資臨界值P2的影響如表5所示。

表5 調整頻率對投資臨界值P2的影響

由表5可以看出，當調整頻率λ6保持不變，隨著λ5的增加，投資臨界值不斷下降；同理，當調整頻率λ5保持不變，隨著λ6的增加，投資臨界值也不斷下降。這說明從高力度補貼政策向低、中力度補貼政策轉換概率越大，則對燃煤電廠來說投資風險就越大，因此企業會選擇立即投資以避免錯失高補貼政策的機會。

4 結論與政策建議

4.1 結論

CCS技術是燃煤電廠實施碳減排行動的有效措施，也是推行碳排放權交易機制的重要技術手段，對于我國推動低碳經濟發展和低碳電力市場建設具有至關重要的意義。目前，我國尚處于CCS技術發展的初級階段，燃煤電廠除了承擔高昂的投資成本和運營成本之外，還需要面對補貼政策不確定和國際碳排放市場價格不確定的復雜決策環境。本文將補貼政策劃分為4種隨機情形，同時引入碳稅、清潔電價等政策變量，構建了燃煤電廠CCS技術投資的實物期權評價模型；引入碳稅和清潔電價等政策變量，通過數學推導得出不同補貼政策條件下的投資臨界值；最后，通過數值仿真分析碳稅和補貼政策等對CCS技術投資決策的影響。

4.2 政策建議

在上述理論模型和數值仿真分析的基礎上，提出促進我國CCS技術發展的政策建議。

(1)在碳價、碳稅、清潔電價補貼、政策變化和技術進步等因素的影響下，燃煤電廠并不適合進行CCS投資，因此需要政府制定合理有效的激勵政策以促進CCS技術發展。

(2)碳稅稅率和清潔電價機制對投資臨界值有顯著影響，提高碳稅稅率和清潔電價補貼可以降低投資臨界點，促進燃煤電廠進行CCS技術投資。在無補貼政策的環境下，當前碳稅稅率和清潔電價補貼并不適合進行CCS投資，因此對燃煤電廠的前期投資成本進行財政補貼尤為重要。

(3)政府實施成本補貼政策對降低投資臨界值的影響較為顯著，可以激勵燃煤電廠進行CCS投資。當碳市場價格高于碳臨界價格時，燃煤電廠會選擇立即投資CCS并從中獲益，反之則暫不考慮投資。當政府補貼力度不明確時，不利于激發企業對CCS技術投資。而在明確的調整頻率下，只有高力度補貼可以有效促進CCS投資。當調整頻率發生變動時，如果在當前政策環境下向高力度補貼過度，則穩健的調整政策有利于投資；如果向低力度補貼過度，則高幅度的調整反而使投資者因不愿喪失高力度補貼而選擇立即投資。

綜上所述，政府制定CCS投資激勵政策應主要從碳稅稅率、清潔電價補貼及投資成本補貼3個方面入手。然而，碳稅政策的建立和開征過程是非常復雜的，不僅要綜合權衡政策實施的社會經濟影響，還要考慮政治因素和社會接受程度，因此在短期內提高碳稅政策具有一定的難度。另外，由于我國火力發電量占比達到75%以上，每增加0.01元/kWh的發電補貼對政府來說都是不小的數目。因此，政府對燃煤電廠實施CCS技術投資的成本補貼政策最為有效，即使補貼力度很低也能增強發電企業的投資信心。