碳達峰背景下的省域發電行業碳配額機制設計

李雪瑞，付學謙，李國棟

(1.中國農業大學信息與電氣工程學院,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進行低碳能源消費和低碳技術改造，有利于減排目標的實現。對于沒有建立碳試點的省份，直接面向全國市場缺乏經驗與指導，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減排量不足以實現碳達峰目標，對非試點省份而言，需要從多方面探索建設碳減排體系，確保順利實現減排目標。

初始碳配額是碳市場運營的基礎，目前很多學者專家從不同角度對碳配額機制進行研究。文獻[4]根據歷史強度法免費分配碳配額，在此基礎上構建考慮產品質量升級的定價決策模型，得到最優定價和省級策略。文獻[5]考慮企業減排驅動力，分析影響碳配額機制有效性關鍵因素，提升企業減排技術。文獻[6]建立了政府-企業-消費者碳配額分配和交易減排混合模型，分析企業和消費者雙重異質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訂購量決策及最優碳減排決策。文獻[8]研究了供應鏈成員收益、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，收益共享契約協調供應鏈實現整體利益最大。文獻[10]研究了碳配額和交易機制對供應鏈中各成員決策和行為的影響。文獻[11]研究了基于產量的配額有償分配對閉環供應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。目前國內碳市場政策性較強，各學者多以市場化為基礎，研究配額機制對供應鏈各環節各成員的影響，技術研究超越工程實際。考慮配額機制本身的有效性以及配額機制的設計如何確保我國“雙碳”目標的實現等相關研究內容較少。

電力作為能源轉型、碳減排的關鍵行業，相關減排工作對碳達峰目標的實現十分關鍵。本文建立符合碳達峰目標要求的省域發電行業月度碳配額模型，結合發電行業現狀以及計劃與市場兩方面建設要求設計有償與無償相結合的分配機制，從省域總量落實到控排單位個量，形成發電行業碳排放權分配體系，首次以碳達峰背景為發電行業火電機組減排工作下的初始配額發放提供一種可行機制。

文章具體工作為：以實現碳達峰目標為研究出發點，建立省域配額總量計算模型，推算出發電行業月度配額模型，提出發電行業初始碳配額分配機制，詳細設計免費發放以及拍賣市場機制，將分配機制具體化、流程化，明確配額發放過程中各參與主體的職責及具體流程，最后以山東省發電行業為仿真對象，在模擬機組系統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，國務院印發《2030年前碳達峰行動方案》[13]，其主要目標指出：到2030年，非化石能源消費比重達到25%左右，單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降65%以上，順利實現2030年前碳達峰目標。鑒于此，提出年度碳配額總量測算模型，并進一步推出發電行業月度碳配額模型。

為實現文件傳達的減排目標，設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，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，根據經濟發展態勢，可對其做出預測。

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表示企業初始配額，等于區域內各重點排放單位年度碳配額之和，占年度配額總量的90%；Ct2表示政府預留配額，用于重大項目建設、市場調節等，占年度配額總量的5%；Ct3表示新增預留配額，用于區域內企業新增產量及產能變化，占年度配額總量的5%。

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

(5)

δt=eft/et

(6)

式中：Ct1n表示t年n月發電行業碳配額總量，t；δt表示第t年火力發電行業的碳排放占比；eft表示第t年火電行業碳排放量，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過程中，除北京、福建目前未開始有償發放的具體實踐，完全采用免費配額以外，其余試點均嘗試開展不同規模的碳配額拍賣市場，且發放拍賣總量均不超過當年配額總量的10%，目前最高比例為湖北試點的8%[17]。本文設計發電行業企業碳配額采用有償與無償分配相結合的方式，無償分配符合我國政策性碳市場的建設現狀，有利于提高企業參與度。逐漸提高無償分配比例是市場化發展趨勢，是提高企業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]。設計有償分配比例為10%，不悖于工程實際，是對我國碳排放權高占比計劃分配下的市場化探索研究。綜合我國市場現狀，規定初始配額90%免費發放，10%有償分配。

2.1 有償分配

根據我國碳試點建設經驗，目前主要采用拍賣法進行有償分配[19]，本文結合歷史經驗以及市場現狀，完善初始碳排放權拍賣機制。對碳配額拍賣市場做出如下規定[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)采用按統一價格結算的靜態拍賣法，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：碳市場服務中心提前3個工作日發布配額有償競價發放公告，公布發放總量、發放時間等交易信息。

第2步：在開市的前一個工作日，服務中心公布競拍底價。競拍底價可隨市場行情動態調整，參考有償競價發放結果公告日前兩個月所有交易日市場加權平均價的80%/1倍/1.2倍。

第3步：在規定的申報時間內，各競價主體將計劃購得配額數量及價格密封投標至服務中心。

第4步：申報結束后，服務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，累計申報量等于發放總量時確定成交均衡點，此處價格為統一價格。

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

服務中心確定最終成交結果時，根據申報總量與發放總量的大小關系確定成交量，根據形成的統一價格與競拍底價的大小關系確定成交價格，具體規則為：

規則一：申報總量大于等于發放總量，統一價格大于等于競拍底價時，按統一價格進行結算，申報價格高于統一價格的拍賣成功，成交情況如圖2所示。

規則二：申報總量大于等于發放總量，統一價格小于競拍底價時，按競拍底價結算，申報價格高于競拍底價的拍賣成功，成交情況如圖3所示。

規則三：申報總量小于發放總量，最小申報價格大于等于競拍底價時，按最小申報價格結算，申報量全部成交，成交情況如圖4所示。

規則四：申報總量小于發放總量，最小申報價格小于競拍底價時，按競拍底價結算，申報量全部成交，成交情況如圖5所示。

圖2 規則一成交情況Fig.2 Deals under rule 1

圖3 規則二成交情況Fig.3 Deals under rule 2

2.2 無償分配

在碳市場發展初期階段，無償分配將在很長一段時間內是初始配額發放的主要手段。本文針對發電行業火電機組，設計初始碳配額無償分配機制。

圖4 規則三成交情況Fig.4 Deals under rule 3

圖5 規則四成交情況Fig.5 Deals under rule 4

由于不同類型燃料機組單位發電量產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。分配系數是無償分配過程中考慮不同燃料類型機組發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，分類標準參考《2019—2020年全國碳排放權交易配額總量設定與分配實施方案》(發電行業)規定的機組判定標準[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

根據上述標準，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，參考文件規定各類機組供電基準值數值設置分配系數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Table 2 Distribution coefficients of different types of units

由于火電機組歷史運行小時數比較穩定，波動不大，考慮分配系數結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為發電行業月配額免費發放比例系數(即90%)；Pj為火電機組j裝機容量，MW；p為火電機組總數。

3 碳配額發放流程

碳配額發放流程如圖6所示。

圖6 碳配額發放流程圖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名單，重點排放單位在系統注冊并登記信息。

2)省生態環境部門根據納入企業前一年履約量的70%進行配額預分配。控排企業可根據獲得預配額對配額盈缺進行初步判斷。

3)省生態環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總值二氧化碳排放量要求和經濟增長預期。

4)省電力交易中心、核查機構協助完成電力行業碳配額任務，對發電行業月配額總量進行核算。

5)碳排放權服務中心進行配額發放。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，交易結束后碳排放權交易中心公布統一結算價格以及各市場主體中標量，后將收益返回生態環境主管部門用于省內環保建設。

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，減排任務繁重。本文選取山東省為研究對象，根據山東省發電行業實際數據進行模擬仿真。

4.1 總量預測

根據文獻[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%。根據山東省統計局公布數據，2017年山東省地區生產總值為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。根據世界資源研究所的統計，設來自火力發電行業的碳排放量占比為40%，則該年度山東省發電行業企業初始碳配額量約為3.344億～3.471億t，近似取值3.400億t[24]。根據國家統計局數據，該年度山東省各月發電量情況統計如表3所示。

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

根據提出碳達峰背景下發電行業企業月度碳配額模型，可得到該年度山東省發電行業每月碳配額，如表4所示。

表4 山東省發電行業各月碳配額Table 4 onthly carbon quotas for the power generation industry in Shandong Province

4.2 參數設置

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

設系統發電裝機容量為1 615萬kW，模擬時間為一個月(720 h)。根據山東省該年度實際裝機情況，設置模擬系統火電裝機容量占比70%，非化石能源裝機容量占比30%，其中光伏占比17.3%，風電占比11.3%。該系統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；風電裝機183萬kW；水電裝機22萬kW。

模擬系統中各母線機組數據如表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。根據表1中的機組類型劃分依據，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，數字“1”用來標記同一母線上相同機組類型相同裝機容量的不同機組。

設該系統在某月火電機組發電量占山東省該年度火電發電量的1%，計算得該月發電企業配額為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 仿真結果

1)無償分配結果。

模擬系統免費發放碳配額總量為306 t，根據各機組類型和裝機容量，確定各機組免費配額。火電各機組免費配額量如表6所示。

2)有償分配結果。

拍賣市場發放總量為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量如表7所示。根據拍賣結果公示日前兩個月所有交易日的市場加權平均價格，進行有償分配競拍底價的設置。本文設置競拍底價參考國內最大碳市場公布價格數據，如圖7所示，此價格符合我國碳市場一般價格水平[26]。

表5 各母線機組數據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，大于發放總量，根據規則一、二，有償配額全部成交，無剩余，同時計得本輪拍賣市場統一價格為34.51元/t。根據文獻[25]可知，我國目前各試點碳價為15～60元/t，本文形成的統一價格在此區間內，價格合理。各機組成交情況如表8所示。

表7 各機組申報數據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一價格與拍賣底價的大小關系，競拍底價的設置體現對碳初始配額價格的引導調控作用。選取參考倍數為0.8/1.0時，統一價格大于等于競拍底價，根據成交規則一，本輪拍賣按統一價格成交。當參考倍數為1.2時，統一價格小于競拍底價，根據成交規則二，本輪拍賣按競拍底價成交。各參考倍數下成交結果如表9所示。

表9 設置不同競拍底價的成交結果Table 9 Results of the deal for different auction floor prices

在碳配額拍賣市場中，當各機組申報總量大于發放總量時，發放總量全部成交，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；統一價格大于競拍底價時，競拍底價對成交總額無影響。當機組申報總量小于發放總量時，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量先定市場，適應我國碳市場化過渡階段的分配性目的，根據市場行情合理設置競拍底價的大小，均衡各方利益，促進碳市場穩定發展。

3)各機組配額。

在本文設置的申報量下，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 論

本文綜合地方碳試點運行經驗以及全國碳市場建設要求，充分體現相關政策及文件傳達精神，以實現2030年碳達峰目標為出發點，從工程實際出發，研究設計省域碳排放權一級市場機制。從總量設定落實到控排單位，以發電行業為對象設計具體配額機制。最后以山東省為例，在模擬機組系統驗證機制的有效性。本文可為非試點省份碳排放體系的建設以及減排工作的順利完成提供一定的啟發與借鑒。