基于资源优化配置之国内电力行业碳减排成本概述 ——以深圳市为例

第1章 绪论

1.1 课题背景及问题的提出
有关发展中国家与发达国家在碳减排中的责任与义务的问题，首先是一个公平的问题。发展中国家工业化与城市化过程的持续推进，已经成为全球新增碳排放量的主要来源。但是大气层中累积的二氧化碳是人类工业化三百年的结果。发达国家与发展中国家谁应承担更大的减排责任与义务仍将是一个持续争论的问题。其次这又是一个迫切的实践问题。即在经济发展水平仍较低的时候，如何实现经济发展与碳减排的平衡，进一步说是如何能够在不伤及经济发展的前提下，实现碳排放增长率低于经济增长率。这当然引发了碳排放的社会成本计算问题。本文选题由此开始，但在相当长的时间内困惑于如何有效测度一个随着经济发展水平提高而动态变化的碳减排成本。在此过程中，北京大学马晓明教授对深圳“十二五”期间电力行业碳减排所提出的建议，笔者将之称为“马晓明问题”。在实证研究中，马晓明教授依据深入的调查研究，对深圳电力碳减排提出的建议为，当深圳煤电生产已经采取了大量前期减排措施时，进一步的碳减排会使投资的边际减排成本明显上升。在此条件下，合适的减排方式应当是，首先按照碳排放的产出水平或是碳排放强度，在电厂之间合理分配生产量；其次应当考虑城市产业结构升级的动态影响，即随着碳要素生产力的逐步提高，城市产出增长率高于碳排放增长率。这些实践建议使笔者产生了醍醐灌顶般的理论感悟，在此基础上将“马晓明问题”提炼为：以资源最优配置测度经济有效的碳减排成本，并在经济社会发展水平逐步提高条件下，选择尽可能简化的方法，明晰社会对减排成本支付能力不断提高的动态过程和路径。
1.1.1 中国电力部门面临着严峻的减排压力和挑战
实现《联合国气候变化框架公约》制订的减排目标，将大气中温室气体（GHG）浓度稳定在防止发生由人类活动引起的、危险的气候变化水平上，需要各国大幅度削减碳排放量1。Wigley等（1996）的研究表明：要达到稳定 GHG 浓度的目标，全球每年碳排放量至少需要比“一切照旧”（Business as Usual）模式下的温室气体排放数量削减 50%。电力部门是全球最大的碳排放源，碳排放数量约占全球化石能源消耗碳排放总量的 41%，因此世界主要国家均将控制电力部门排放作为应对气候变化工作的重点。美国能源部对美国温室气体减排潜力进行了深入研究，结果表明：未来 20年，美国最大的GHG减排潜力来自于电力部门，其中约占美国发电总量 50%的煤电更是 GHG 减排的重点领域，煤电减排潜力约占美国电力 GHG 减排潜力的 2/3 到 3/4（EIA，2007）。前世界银行首席经济师、英国经济学家尼古拉斯·斯特恩认为，中长期大幅度消减温室气体排放就必须大规模采用一系列清洁电能，世界上主要国家的发电部门都必须在 2050 年之前实现60％~75％的去碳化2，才有可能将大气中二氧化碳浓度稳定在 550ppm 水平之内（Nordhaus，2007）。


1.2研究内容和研究方法
本文研究我国电力部门结构性碳减排的社会成本核算问题，包括煤电企业的全生命周期碳排放强度、电力行业和系统碳排放影子价格测算、电力碳排放权资源优化配置和碳排放权交易等；主要研究方法包括文献调研、实地访谈、理论建模和实证分析等。
1.2.1研究内容
1.2.1.1 明确本文要解决的科学问题
在快速发展阶段，我国电力行业面临着大规模消减温室气体排放和保障电力供应的双重压力，电力减排目标和减排策略对国家整体减排目标可实现性和经济发展都具有重要影响。在二元化电力结构下，以先进低排放机组替代落后高排放机组为降低中国电力系统碳排放提供了空间，中国需要在优胜劣汰的电力结构优化过程中由低到高地支付减排成本，以获得更高的电力碳排放产出水平和社会收益。结构性减排的社会成本是设定减排目标和选择结构优化策略的重要参考指标，因此本研究将需要解决的科学问题明确为资源优化配置条件下电力部门结构性减排的社会成本核算。
1.2.1.2 解决问题的理论框架、关键点和方法
在明确了要解决的科学问题之后，下一步是建立解决问题的理论框架和方法体系。本研究的基本理论框架包括边际减排成本理论、均衡理论、规划理论和排污权交易理论，在此基础上，本文构建由全生命周期评价、前沿生产函数、对称形式线性规划等构成的碳减排成本测算方法体系。在上述理论框架和方法体系下，本研究面临的关键问题包括：界定碳排放研究边界，提出中国电力碳减排可能性策略和减排目标，测算不同减排目标、不同减排策略下的电力减排成本。
1.2.1.3 煤电碳排放量的科学计量
本研究采用全生命周期理念测算电厂碳排放，构建煤电全生命周期碳排放强度核算模型。无论采取何种减排策略，首要面临的任务就是如何准确衡量碳排放量和碳排放强度（电力企业每发一度电所产生的碳排放量），它是量化减排措施减排效果的关键，也是核算企业减排成本的基础。因此，建立煤电企业全生命周期碳排放强度模型，科学、准确地核算煤电碳排放量和强度能够为企业温室气体减排潜力和减排成本研究提供基础工具。

第2章 碳减排成本测算理论研究

本章运用一般均衡和局部均衡理论，从局部分析入手，首先研究火电厂之间局部均衡的减排成本；然后扩展研究边界和假设条件，依一般均衡方法研究电力系统内火电与非火电企业结构调整以及需求侧管理对电力系统减排成本的影响，重点解决了如何利用规划论方法及其对偶原理测算中国结构性碳减排社会成本的技术性问题。

2.1 基于资源优化配置的结构性碳减排成本研究思路
现阶段，中国电力部门呈现先进低排放机组与落后高排放机组并存的二元化电力结构特征，同时先进机组在装机规模大幅度提高条件下的产能利用率却处于较低水平。实质上，这种现象显示了中国电力部门中能源资源和碳排放资源利用效率的二元化，电力部门尚未实现资源配置效率的优化。一方面百万千瓦级超临界、超超临界发电机组与落后小煤电机组并存，二类机组发电效率和碳排放资源利用效率存在明显差异。另一方面天然气发电机组与燃煤发电机组并存，气电单位碳排放电力产出水平显著高于煤电，在二者之间呈现显著的碳排放资源生产力差异；再一方面低碳非化石能源发电机组与化石能源发电机组并存，其中风电、光伏发电等非化石能源发电机组电力生产活动几乎不直接产生碳排放，单位碳排放的电力产出水平远远高于化石能源发电机组。在能源资源既定和碳排放约束情况下，中国电力部门存在着提高资源配置效率的空间，以及基于资源优化配置提高碳排放生产力、降低电力碳排放的可能性。
在电力供求关系趋于平衡时，中国电力部门以“淘汰落后产能、提高先进产能”为核心的结构性减排策略具备了可行性，“上大压小”的政策开始实施。在二元电力结构下，这种结构减排策略本质是利用资源优化配置手段提高碳排放产出水平和社会收益，以资源的最优配置来测度结构减排成本，并尽可能利用简化方法来测算随着经济社会发展水平提高而动态变化的碳减排成本。在权衡电力减排和经济发展双重约束下，中国电力减排的首选策略是按照碳排放产出水平的差异合理分配电厂之间的生产份额，从淘汰最落后产能开始一直到提高最先进产能利用率，相对低成本地降低电力生产碳排放；其次是引入需求侧管理和全电力系统优化，考虑城市产业升级以及由此导致的碳要素生产力上升，在电力碳排放产出水平和社会收益提高的同时，逐步由低到高地支付电力减排成本，有效地解决发展中国家碳减排与经济发展的矛盾。

2.2 均衡理论
2.2.1 一般均衡理论
1874 年，瓦尔拉斯首先在亚当?斯密“看不见的手”理论基础上提出了一般均衡问题。在自由竞争市场经济的发展中，无限的消费者和生产者各自独立地进行分散化决策，以个人利益最大化为目标的行为，可以实现市场出清的最优经济状态。在“看不见的手”指导下，消费者和生产者追求自己的利益，为何能够有效地促进社会的利益？瓦尔拉斯据此提炼出了一般均衡价格体系问题。同时以边际效用价值论为基础，瓦尔拉斯认为均衡价格和价值实现过程是一致的，要素的稀缺性是决定均衡价格的最终原因。在此基础上，瓦尔拉斯将“看不见的手”解释为价格体系，把“社会利益”解释成供求平衡，一般均衡的含义可以表述为：消费者追求效用极大化，生产者追求利润极大化，在价格机制调节下可以实现市场供给和市场需求均衡，此时各种产品和要素的价格即为市场一般均衡价格。
进一步说，瓦尔拉斯开创的一般均衡方法包括三个内容：交换的一般均衡、生产的一般均衡、生产与交换的一般均衡。首先，市场达到交换的一般均衡。在资源初始禀赋既定的条件下，资源所有者之间的交换使得消费者达到效用最大化的均衡状况，任意商品的边际替代率对于任意消费者是相同的。所有可能的交换均衡点构成了埃奇沃思盒的交换契约曲线，交换契约曲线上的交换均衡点都实现了交换的帕累托效率；完全竞争市场可以保证交易达到契约曲线，从而达到交换的一般均衡。其次，市场达到生产的一般均衡。生产对于资源的配置使得产量达到最大化，任意生产要素的边际技术替代率（MRTS）对于任意生产者是相等的，无法通过要素配置形式调整获得更大的利润；或者说是，所有可能的资源配置均衡点构成了埃奇沃思盒的生产契约曲线，生产契约曲线上的资源配置均衡点都实现了生产的帕累托效率；进一步，由生产契约曲线可以导出生产可能性曲线，生产的一般均衡使任何生产者都处于生产可能性边界上。最后，市场同时达到生产和交换的一般均衡。任意产品在生产中的边际转换率等于每一个消费者在上述商品之间的边际替代率，生产者实现利润最大化，消费者实现效用最大化，社会实现福利最大化；所有要素市场和商品市场出清，经济系统达到了一般均衡。

第3章 煤电碳排放量测算模型研究 ................. 41
3.1 生命周期评价框架 ..... 41
3.2 煤电全生命周期碳排放清单分析 ...................... 42
3.2.1 煤电碳强度模型构建 ............... 42
第4章 电力行业结构性碳减排成本测算方法研究 ................ 52
4.1 深圳电力行业碳减排方案与成本分析 ....................... 52
第5章 电力系统结构性碳减排成本测算方法研究 ............. 77
5.1 深圳电力系统碳减排方案与成本分析 ............ 77

第6章 碳排放资源优化配置和碳交易机制研究

本章研究了通过市场机制实现电力行业碳排放资源优化配置。首先比较了碳税和碳交易机制异同点，结合全国和深圳的实际提出了通过碳交易方式优化电力行业碳排放资源配置的途径；然后阐述了深圳碳交易机制建设的基本思路；最后结合深圳碳市场实际交易数据分析了碳交易在深圳电力行业碳排放资源优化配置中发挥的作用，评估了碳交易的减排成本有效性。

6.1 碳税和碳交易
控制温室气体排放使碳排放成为了一种稀缺性资源。行政命令、政府规制等传统排放管理手段采取政府主导的计划方式进行排放资源配置，由于普遍存在的信息不完全和信息不对称，这些手段显然难以实现碳排放资源的优化配置，导致高额的减排成本和社会福利损失。与之相比经济手段能够发挥市场机制在碳排放资源配置中的优化作用，通过碳排放资源优化配置实现社会福利最大化。因此经济手段在控制温室气体排放方面具有显著优越性。
碳税机制和碳交易机制是当前温室气体减排中两种主要的经济手段，二者或者单独使用，或者同时使用、相互补充。碳税是针对二氧化碳排放征税，通过增加二氧化碳排放的税收成本形成温室气体减排的“倒逼机制”，推动化石能源向可再生能源转型、企业向绿色生产转型、消费者向低碳消费转型，从而达到控制和减少温室气体排放的目标。碳交易则设定温室气体排放总量，使温室气体排放资源成为一种具有商品属性的稀缺性资源，通过市场机制为温室气体排放资源和减排量定价，从而降低社会整体减排成本。虽然碳税和碳交易都在减少温室气体排放中发挥着重要作用，但二者在理论基础、作用机理、资源配置效果和适用条件等方面有所差异。

结论
本文提出了我国电力行业基于资源最优配置的结构性减排方案选择。然后在局部和一般均衡的分析框架下，分别构建了电力行业和电力系统减排成本测算模型。最后通过对一个尚不成熟的碳交易市场主要特征的分析，初步证实碳价在局部与一般均衡条件下测度的边际减排成本区间波动。总体来看，本文的主要研究结论及创新性成果包括以下几个方面：
（1）现实中碳减排边际成本和边际收益的形成机制不同，因此很难估计碳减排真实成本，本文借助一般均衡和局部均衡的内在联系和相互补充关系，首先从局部分析入手，研究微观局部均衡和局部最优规划下减排成本，然后扩展研究边界和假设条件，研究微观一般均衡和系统最优规划下。完善了减排成本测算方法体系。
（2）基于全生命周期理念建立了煤电碳排放强度模型。本文在现有煤电碳排放全生命周期核算模型基础上，增加了电厂脱硫环节的碳排放量核算，构建了更为全面的煤电全生命周期碳排放强度模型，为下文估算煤电企业和煤电行业全生命周期碳排放量、碳排放强度和减排成本提供了有力工具。本文还以深圳某煤电企业为案例进行了实证分析，研究结果表明：该电厂每度电碳排放量为 0.947千克二氧化碳当量。
（3）测算了煤电行业层面碳排放资源影子价格并据此确定行业层面碳减排成本。基于方向性距离函数模型，本文分别采用参数方法和非参数方法构建了包含碳排放的电厂生产前沿面，利用距离函数和利润函数的对偶关系以及电力产出同碳排放的比例关系系推导出了电厂碳排放的影子价格。对深圳能源集团内部电厂进行实证研究，结果表明：电力行业碳排放影子价格平均约为107.1 元/吨，减排成本受电厂技术水平、电厂规模、燃料类型等多种因素的影响。
参考文献（略）