碳市場和電力市場耦合研究

趙長紅，張明明，吳建軍，袁家海＊

（1.華北電力大學新能源電力與低碳發展研究北京市重點實驗室，華北電力大學經濟與管理學院，北京 102206；

2.中國科學院城市環境研究所，廈門 361021）

引言

2017 年底我國以電力行業為突破口啟動了全國性碳市場，近幾年電力市場也逐步成長起來。在電力市場報價中，相對于其他成本構成部分的變化，碳價格變化所引起的成本沖擊特別適合于對價格傳導進行實證分析。中國市場碳價傳導過程中，其排放成本會通過成本內部化的途徑變化，最終部分甚至全部以電價的形式傳導至終端消費者，此即碳排放價格變動對電價的穿越效應。

目前國外針對碳市場與電力市場傳導機制研究已經取得不少的成果。Beat Hintermann[1]根據德國現貨市場數據，將德國電力市場的碳排放成本傳導到每小時的電價上，實現了短期成本轉嫁，進而可以估計不同負荷周期的成本傳導，為研究碳成本的全面轉嫁提供了最有力的證據。Natalia Fabra 等[2]對西班牙電力市場的排放成本轉嫁率進行了量化，該文獻采用西班牙電力市場的投標數據，通過構建簡化估計模型及結構估計模型，考察了碳排放成本變動對電力價格的影響，并進一步利用結構分解方法識別了碳排放成本對電力價格的傳導機制，從而驗證了碳成本的不完全傳導。這種不完全的傳導是由需求反應和市場力量驅動的，它也反映了在碳市場形成后傳統發電技術經濟性的逐步降低，現在的技術將由更清潔的技術取代。Liliya 等[3]研究了在不完全競爭的情況下邊際排放成本在電力市場中的成本轉嫁，研究顯示，價格的增加導致邊際成本抬高還是降低，取決于市場集中度、可用容量、電力需求水平等結構因素。Sijm[4]和Zachmann[5]等學者也研究了歐盟碳市場背景下碳價的傳導率。

此外，在環境壓力方面，袁家海等[6]以典型煤電企業為例，在產能過剩、能效標準提高、環境保護稅、全國碳市場、水資源稅和非水可再生能源規劃目標的風險約束下，建立環境成本內部化和環境風險分析工具，考慮不同壓力情境下對煤電企業價值的影響，構建環境風險影響財務成本的壓力測試框架，得出產能過剩和碳市場風險對企業價值的影響是大多數地區在不同情景中面臨的主要風險驅動因素。袁家海等[7]還對電力企業的各項污染排放值與環境違法事故進行研究，這一項在受到環保部門和監管者制約的同時也受到公眾的監督，企業在環境壓力方面的指標直接影響企業聲譽，是企業減輕環境風險的核心。

綜上可知，學者大多數都是針對國外現有碳市場碳價傳導機制和碳排放成本對電價的影響以及碳市場對企業價值和企業環境風險影響進行分析，尚未有根據中國國情分析中國試點碳市場和電力市場耦合研究的文獻。而碳市場建設和電力市場能源重組都是實現碳減排目標的重要因素，二者存在密切聯系。在此背景下，本文以廣東省試點碳市場區域減排行動為例，著重分析廣東省碳市場與電力市場間的耦合機制，并總結對我國電力行業參與碳市場和電力市場的啟示。

1 碳市場與電力市場的互動效應

1.1 我國碳市場與電力市場發展概述

2013 年6 月起，我國陸續在北京、上海、深圳、重慶、天津、廣東、湖北7 個省市展開了碳交易試點運行。2016年國務院發布的《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》提出，全國碳排放權交易市場涵蓋石化、化工、建材、鋼鐵、有色、造紙、電力和航空8 個行業中年耗能1 萬t 標準煤以上的企業。2017 年發布的《全國碳排放權交易市場建設方案（發電行業）》（以下簡稱《建設方案》）提出，當前碳市場建設中電力行業先行[8]。碳市場涵蓋了約1700 家發電企業，其排放量占我國總排放量的35%，占全國碳排放量的1/3 左右（圖1），是迄今為止全球最大的碳排放權交易市場，也是繼美國區域溫室氣體減排行動（RGGI）之后，第二個只有電力行業參與的碳排放權交易體系[9]。碳市場的進一步發展勢必將對電力行業的發展產生重要影響。

圖1 8大行業排放量比例

與此同時，我國電力市場發展也邁出新的重要一步。2015 年3 月15 日，中共中央國務院發布了《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》（9 號文），同時出臺包括《關于有序放開發用電計劃的實施意見》等6 份配套文件[10]。這些文件對具體的改革領域提出了明確的要求，旨在發電側、售電側以及增量配電等領域逐步引入市場競爭，以實現電力行業總體的資源優化配置，提高行業整體競爭力。在電力體制改革的推動下，成熟完善的電力市場可以實現擴大清潔能源的消納空間、提供發電成本的傳導機制、優化電源結構與盈利模式、改善需求側的用電習慣以及促進發電側的技術升級等諸多目標，將極大程度實現資源優化配置，推動行業綠色可持續發展。截止2018 年底，我國電力裝機總容量19.0 億kW，發電量6.994 萬億kW·h，均居全球之首[8]。目前我國已經建成了全球最大規模的電力系統。

1.2 碳市場與電力市場的互動效應

我國電力行業需要加快發展以滿足快速增長的電力需求，同時，來自國家的減排壓力有增無減。目前我國對電力行業減排已有較為嚴格的標準和要求，火電機組技術水平已接近或達到國際水平，為實現未來的減排目標，要求進一步發展非化石能源發電、提高電力系統整體效率[11]。在電力市場環境下，碳市場的實施將對環境效益、電力改革等方面產生重大影響。

1.2.1 碳市場對環境效益的影響

碳市場作為一種基于市場的減排政策工具，是應對氣候變化的一項重大制度創新，由于其在成本有效性、環境有效性及政治可行性等方面的優勢，近年來被越來越多的國家和地區應用于各自的減排實踐中。碳定價能夠減少煤炭和其他化石能源的使用，促使人們轉向使用更為清潔的能源，進而研發和采用控制污染的新技術，對環境產生外部效益[12]。

圖2 表示化石燃料使用的一個靜態模型，該模型主要用于評估國內碳定價的效益，它顯示了煤炭等化石燃料產品的需求和供給情況。需求曲線表示企業每消耗一單位燃料從額外單位獲得的邊際收益，供給曲線的高度反映了邊際成本（勞動力，資本，能源的支付，以及提取、運輸、加工或進口燃料的成本），X1 變為X2 表示燃料消耗減少。在先前存在燃油費或補貼的情況下，增加了碳排放交易市場后，碳成本收費的福利效應如陰影三角形ABC 所示，其底部寬度等于碳成本引起的燃料使用減少量，高度等于碳價，三角形面積為企業對每單位碳排放付出的代價；圖中陰影梯形BCDE 代表碳收益凈成本。

圖2 燃料市場中碳排放的福利效應

碳排放交易體系作為一種經濟手段，其基本特征是將二氧化碳的外部成本內部化，即生產者或消費者產生的外部費用進入它們的生產和消費決策，由它們自己承擔或“內部消化”，從而彌補外部成本與社會成本的差額，以解決環境污染問題。碳排放交易體系建立后產生的配額是定價的，通過規定碳排放總量，對每噸CO2都有排放配額，使總配額等于控制總量。一方面，以拍賣方式出售碳配額能夠為政府帶來支持可持續發展所需要的公共資金。另一方面碳成本的存在能夠間接減少溫室氣體排放，減少對人體健康和環境的影響。

1.2.2 改變機組調度順序，促進電力市場優化升級

當前電力市場施行中，機組邊際成本隱性決定了最低成本調度，并且邊際成本是競爭市場定價的標準決定因素。每個發電廠的發電機組都有一個邊際成本，發電機組成本的集合定義了產生的電從最便宜到最貴的“優先順序”，這個優先順序定義了短期邊際成本曲線，進而調控了電力供應。同樣，用戶的需求對價格敏感，高價格會降低電力需求。為了實現碳市場大環境下碳的合理定價，未來碳市場施行市場參與者使用雙邊交易提供用電計劃和其相關報價的做法，能源節約發電將優先考慮最有效的化石燃料發電機組和零排放發電機組，碳價將會改變機組出清順序，進而改變出清邊際成本[13]。

在競爭激烈的市場中，碳成本的傳導在高峰時段面臨完全無彈性的需求，碳價的高低影響出清順序的變化。圖3列出了兩種具有不同類型發電技術的簡單排序。技術A 具有排放交易前邊際成本低、排放系數高的特點，而技術B相反，即排放交易前的邊際成本較高，排放系數較低；垂直虛線表示固定的需求；陰影區域代表每項技術的碳成本，這取決于它們的排放因子和實際碳價格。碳排放權交易后，調度順序的變化和碳成本的傳導取決于碳價格，如圖3a 所示，只要碳價相對較低，順序就不會發生變化。未來碳價增長到一定價格，低排放機組碳成本較低，而高排放機組碳成本大大增高，邊際出清價格增高，如圖3b 所示，其相應的出清順序必將發生變化。

由以上分析得，碳市場對電力體制改革的意義在于讓火電企業的環境外部性得以計入，促進實現火電行業的優勝劣汰，淘汰落后老舊的高排放機組，發展高效率、低排放的新型機組，為火電供給側改革提供動力。

2 模型和方法介紹

2.1 實時發電成本構成

對于燃煤發電廠，其發電成本可分為容量成本和電量成本[15]。容量成本主要有工資財務成本、設備折舊成本等；電量成本則有運行維護與燃料成本等。其中，燃料成本是構成電量成本的主體[16]。具體關系如下：

對于火力發電廠，其容量成本C容量相對占比較低，且實際電力企業運行過程中較為固定，在競價策略的成本構成因素中可忽略。而發電成本主要構成為電量成本，以下進行重點分析。

2.2 方法介紹

平準化發電成本（Levelized Cost of Electricity，LCOE）是指發電項目在建造運營周期內每千瓦小時（kW·h）的發電成本，是一種被廣泛認可的、透明度高的發電成本計算方法[14]。對LCOE 的定義來自于收入的凈現值等于成本的凈現值這一恒等式。

圖3 碳價形成前后電力系統中不同類型發電技術“優先次序”變化的簡化示意圖

公式（4）代表的意義是收入的凈現值等于成本的凈現值，即LCOE 的恒等式定義，其中LCOEn與En的乘積是系統在生命周期內的總收益；En為發電量；Costn為總成本；n 為電廠運營年限；r 為貼現率。將公式（4）進行恒等變形后得出公式（5）。

平準化發電成本（LCOE ）作為一種可衡量發電站發電壽命周期內的最終成本的分析工具，可更好地估計出每種發電技術的出清電價。

在電力市場報價中，以邊際成本確定實時電價可使社會效益最大。電能成本是制定實時電價和長期電價的基礎，當前采用邊際成本報價的原則，即根據發電機組的電能成本從小到大的順序進行報價，取邊際機組的成本為電力交易達成成本。

引入碳排放交易體系后，在電力市場交易中，增加碳減排成本，將改變電能成本部分，即影響燃煤機組和天然氣發電機組的邊際報價。所以，本文將在計算發電機組電能成本的過程中重點考慮碳減排成本對電力市場的影響。定義平準化電能成本（Levelized Cost of Electricity energy，LCOEe），電能成本包括燃料成本、碳排放成本、其他可變成本（包括生產消耗性材料費、其他污染物排放成本、水費等），其中電能總成本用公式（6）表示。

將公式（6）帶入式（5）得到LCOEe 的標準計算公式如式（7）所示，其中為燃料成本；為碳排放成本；為其他可變成本；EPn為預期的發電量；n 為電廠運營年限；r 表示貼現率。

一旦引入碳市場，碳價將影響電力市場機組出清的短期邊際成本，即邊際排放成本在電力市場中的成本轉嫁，傳統發電技術成本就會增加，在經濟調度的情景下傳統發電技術的經濟性就會降低。針對碳市場影響發電技術成本的研究，國外的學者認為重點是對碳排放進行定價，方法的基本思想是根據運營成本把每個可用的發電機組進行排序，由于碳成本是發電機組運營成本的一部分并且發電機組的碳排放各不相同，碳價格也使得低排放電源在“優先次序”中的地位進一步得到鞏固，從而鼓勵更低排放機組的使用。因此需要建立碳成本轉嫁機制，這對未來中國碳市場啟動后分析不同發電技術經濟性有借鑒意義。

3 算例分析

為驗證所提方法的有效性，本文選取了廣東省碳市場和電力市場作為研究對象。廣東省作為國家首批售電側改革試點省之一，同時也是中國最大的省級經濟體和電力消費省，其電力市場改革的推進對國家具有重要的戰略意義。廣東碳市場作為中國碳排放權交易體系中率先啟動的試點碳市場，自2013 年啟動以來，堅持配額有償分配和免費分配相結合的方式，建設一二級市場聯動、健全成熟的試點碳市場，在四年的穩定運行中積累了有益經驗，并在全國統一碳市場建設中做出有效貢獻。首先，通過實地調研以及網絡查詢等途徑，收集了廣東省的相關基礎數據；然后，根據廣東碳市場交易現狀，設置情景，并對每個情景進行模擬計算；最后，對引入碳市場的預期結果進行評價分析。

3.1 基礎數據及電力市場模擬結果

3.1.1 基礎數據分析

算例分析基于廣東省2016 年電力統計年鑒數據進行模擬，如表2 至表4 所示。

表2 廣東省電力裝機構成

表3 廣東省煤電機組細分

3.1.2 廣東電力市場模擬結果

2019 年1 月29 日，發改委公布《關于規范優先發電優先購電計劃管理的通知》，優先發電是實現風電、太陽能發電等清潔能源保障性收購，確保核電、大型水電等清潔能源按基荷滿發和安全運行，促進調峰調頻等調節性電源穩定運行的有效方式[17]。除國家規定優先發電的機組外，電力市場按供電邊際成本遞增的原則對發電機組進行經濟調度，故實時電價的波動情況與電力負荷的波動情況基本保持一致。電力市場模擬顯示，在廣東省夏季工作日有風有光情形下，可再生能源優先發電，氣電作為調峰，高效率煤電替代低效煤電，其電力供給曲線和出清電價如圖4 所示。

表4 廣東省煤電機組在各負荷率下的平均供電煤耗

圖4 廣東省夏季工作日有風有光情形下電力供給曲線和出清電價

3.2 碳市場情景模擬及分析

根據國外碳市場經驗，碳價的傳導和需求反應有關，通過設置不同的情景，模擬廣東碳市場碳價的傳導。廣東省電力行業的燃煤燃氣發電機組配額采用的是“基準線法”，并按機組類型給出了容量基準線，即標桿值。對電力行業的資源綜合利用發電（使用煤矸石、油頁巖、水煤漿等燃料）則使用“歷史法”分配配額[18]。本文在模擬廣東省碳市場與電力市場耦合研究中，假設在不同負荷的情況下，包括用電高峰期（上午八點至下午八點）與用電低峰期（高峰期外的其他時間）的電價傳導效應不同：低峰期的電價穿越效應保持在60%左右，而高峰期的電價穿越效應達到100%，接近完全傳導狀態。通過設置不同的參數變化，得到不同情景下碳成本對電價的影響關系。

（1）按照電力配額試算方案，如果按照碳配額交易均價30 元，各機組按照平均利用4000 h 計算，改變不同的配額分配比例，包括：全部有償分配，免費配額缺口10%，免費配額缺口5%，免費配額缺口3%的情況，則有償分配情形下碳成本最有優勢，發電成本受到影響最大，如表5所示。

（2）參考國內外碳市場模擬及中國現狀，如果按照碳配額交易均價30 元，有償配額比例設定10%不變，假設高峰時段碳價傳導率為完全100%傳導，溢價為0.5；低谷時段碳價傳導率為60%，無溢價。如圖5 所示，各時刻不同傳導系數下的碳價對電力市場邊際出清成本產生影響，高峰時段碳價增加的趨勢比較大，低谷時段趨勢較小。

表5 不同配額比例下的碳成本

（3）當前2019 年2 月份廣東省碳價已經突破20 元關口[19]。根據2018 年碳價調查碳價和預期，模擬未來廣東碳價分別為20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90 元的情景，假設有償配額比例設定10%不變；高峰時段碳價傳導率為完全100%傳導，溢價為0.5；低谷時段碳價傳導率為60%，無溢價。

如圖6 所示，隨著碳排放價格的不斷增加，電能成本根據碳價的增加呈直線增長的趨勢，即碳排放價格升高將引起燃煤、燃氣機組發電成本的增加和利潤的減少。所以火電機組均傾向于少發電，市場供給隨之減少，從而抬高市場價格。

圖5 不同時刻碳價作用下出清機組電能成本變化

圖6 煤電機組能量市場價格隨碳排放價格變化的曲線

（4）預期未來碳價增長到一定價格，不同類型機組的出清順序將會發生變化。以廣東省為例，圖7 中柱形圖展示的是在電力系統中某一小時內不同類型發電機組的“優先次序”。可再生能源沒有燃料成本，因此可再生能源發電通常會排序第一。以煤炭或者天然氣作為燃料的發電機組能效也千差萬別，因此運營成本也不一樣，“優先次序”自然也不一樣。圖8 中的柱形圖展示了引入高碳價后所帶來的改變。

圖7 廣東省碳價形成前電力系統中不同類型發電技術“優先次序”的簡化示意

圖8 廣東省碳價形成后電力系統中不同類型發電技術“優先次序”的簡化示意

在廣東省電力現貨市場中，碳價的出現相當于提高了以化石為燃料的發電機組的運營成本，核電以及可再生能源沒有這部分成本，而天然氣的碳排放成本，通常會低于煤電。因此，碳價和經濟調度的相互作用一般都會使低排放發電機組獲得更高收益，碳市場的施行將鼓勵投資者們更多地關注低排放發電裝機。另外，也能夠促進現有減排技術的精進及新技術的開發。

4 結論與政策建議

綜上分析，碳市場和電力市場存在相互制約的關系。對碳市場而言，碳排放總量增加，碳交易中碳價上升會反作用于電力市場的火電機組，提高火電機組發電成本，抑制火電機組的市場競爭力，促使新能源發電比重上升；未來隨著電力市場化的推進和碳市場的啟動，新的環境下碳價等因素會影響不同發電技術的成本，進而影響其經濟性，是未來評價不同發電技術經濟性時關注的重點。碳市場將碳排放外部成本內部化，其在提高化石能源成本的同時，也為非化石能源發電提供額外的經濟激勵和強大的價格信號，能夠將資金從化石燃料引至更清潔、更高效的能源使用方式上。隨著電力改革的推進和電力市場的建立，碳市場與電力市場的結合可以在助力電源結構調整，減少碳排放領域做出更大的貢獻[20]。通過分析碳市場和電力市場的特點及耦合機制，為我國碳市場和電力市場建設提供了相關經驗。

（1）繼續完善碳市場建設。碳市場建設是一項重大的制度創新，也是一項復雜的系統工程，需要有效的管理機制、完善的法規制度、可靠的交易系統、真實的排放數據、扎實的能力建設。政府相關部門應持續優化碳市場制度設計，繼續完善配額分配政策，即適時引入有償分配，并逐步提高比例；應出臺有關碳排放權交易市場的管理條例、指導意見等相關制度，包括總量控制、碳價調控等具體措施；應以碳排放總量控制為基礎，建立新階段溫室氣體減排制度，完善相應的測量報告核查體系，促進產業、能源、交通、用地結構的綠色轉型；應充分調動部門、地方、企業和社會積極性，共同推進和完善碳市場建設，逐步向碳排放的絕對量減排過渡，尋找新思路和替代方案，為實現2030 年甚至更長遠的減碳目標打好基礎。

（2）考慮機組邊際成本，逐步引入競價機制，促進可再生能源的消納。目前，我國尚未建立起電力市場競價機制，僅是引入售電側改革，逐步過渡到電力市場還需做出諸多努力。電力市場中，可再生能源發電具有邊際成本低的優勢，在按邊際成本遞增原則對發電機組進行經濟調度時，可以被優先調度和消納，將有利于解決我國現階段尚比較嚴重的“棄風棄光”問題，提高可再生能源發電的利用水平，改善可再生能源發電的經濟性。為建立完善的電力市場，通過有序放開發用電計劃，賦予供需兩端自主選擇權，實現多方直接交易，使市場出清電價合理化，在為用戶提供更加經濟、優質的電力保障的同時，也將提高發電側資源利用效率。

（3）理清碳市場與電力市場的關系，推動兩者協調發展。電源結構重組下，電力市場一方面能夠緩解碳市場的減排壓力，另一方面可能會抑制碳市場的活躍度；碳市場的配額拍賣機制和能效管理投資增強了清潔能源在電力市場中競爭力，但碳市場可能會迫使高排放燃煤電廠外遷，增大電力進口比例，存在碳泄漏危險；我國電力市場建設中計劃與市場將在較長時間內并存，碳市場形成的碳成本除部分能在電力市場中傳導外，還需同步考慮基于計劃發用電量的碳價聯動機制。全國碳市場建設可與電力能源市場協同推進，以此為基礎，“十四五”時期可設立碳排放總量控制制度，取代現有的能源消費總量控制指標。以電力市場和碳市場兩市場機制為主要手段，共同促進電力行業向更加清潔高效和低碳的方向發展。