基于碳交易的碳捕集电厂不同策略研究

时间：2024-07-28

李星朗，陈跃辉

(1．长沙理工大学，湖南长沙 410076;2．湖南省电力公司，湖南长沙 410007)

CO2是导致全球气候变暖最主要的温室气体，中国是当前世界最大的温室气体排放国之一，目前还是主要碳排放权出口国。等到后京都时代，中国极有可能承担CO2减排义务，势必成为碳排放权进口国。因此，应及早谋划，建立国内碳排放交易中心，为以后在碳排放权定价争夺更多话语权。

其中，电力行业作为国民经济中最大的CO2排放部门，占总排放量的38.76%〔1〕。中国电力生产所利用的一次能源以煤炭为主，电源结构的70%以上由煤电组成，发电机组往往具有较长的服役年限，这就使得中国电力行业具有很强的碳锁定效应，即未来相当长一段时间内，电力行业的CO2排放将被当前的电源结构所“锁定”〔2-3〕。因此，必须积极推进碳捕集和封存 (carbon capture and storage，CCS)电厂建设。

所谓CCS技术，就是将CO2从排放源的气体中分离出来，输送到安全的封存地点，从而实现其与大气的长期隔绝〔4〕。在电源结构占主力地位的传统火力发电厂中引入CCS技术，使其成为碳捕集电厂〔6〕，可实现大规模、高效率的碳减排，具有广阔的应用前景。现阶段，传统大规模燃煤火电厂缺乏经济激励机制，不愿进行CCS改造，除非建立国内统一的碳交易中心，政府按某种规则分配碳排放配额后，依靠市场机制完善碳排放权交易，电厂才有动力进行CCS改造或新建CCS电厂。文章从碳排放权交易角度出发，分析CCS电厂在不同碳交易阶段的应对策略。

1 碳交易

1.1 碳交易背景

随着全球温室效应和气候变暖问题的日益严重，CO2的减排受到了人们的重视。在全球变暖的大环境下，我国也不能幸免，气候变化剧烈，影响了社会经济的发展。同时，国际社会的高度关注和一系列措施也很大程度地反映出了这一问题的严重性。我国作为《京都议定书》的签字国，虽然目前并没有减排的义务，但是为了在后京都时代能顺利与国际市场接轨，实现低成本、高效率的碳排放权交易，减轻这一阶段的减排压力，迫切需要建立一个全国性的碳交易市场。

1.2 国外碳排放权交易市场

《京都议定书》的减排目标使温室气体产生了价值。碳市场可以分为两大类:以项目为基础的碳信用交易和排放许可证交易2种市场。基于项目的碳市场是指清洁发展机制CDM(Clean Development Mechanism)，是《京都议定书》中唯一涉及到发展中国家的一种机制。基于配额的碳交易是指买家在“限量与贸易”体制下购买由管理者制定、分配 (或拍卖)的减排配额，譬如《京都议定书》下的分配数量单位 (AAU)或者欧盟排放交易体系 (EUETS)下的 (EUAS)。主要有四大机构:欧盟排放贸易体系、澳洲新南威尔士体系、芝加哥气候交易所 (CCX)和英国排放体系。

1.3 引入碳排放权交易的必要性

(1)建立碳排放权交易市场，有利于增强我国议价能力。CDM是《京都议定书》中所提出的碳排放交易机制中唯一涉及发展中国家的，目前CDM市场主要是买方市场，中国作为卖方市场的项目业主，由于缺乏定价中心，议价能力弱，处于劣势，欧美发达国家主要掌握排放权交易的话语权。因此，中国必须构建一个完善的碳交易市场，吸收更多国家参与我国清洁能源发展机制项目合作，增加有效需求，通过市场发现价格，改变国内碳排放权价格弱势地位，保护我国参与项目的企业利益。

(2)建立碳排放权交易市场，以应对国际压力。中国是当前世界最大的温室气体排放国之一，虽然目前中国并不需要承担减排义务，但在2012年《京都议定书》到期后，国际社会很可能启动一个新的国际机制来控制CO2排放，届时，中国开始承担减排义务的可能性很大。因而，中国建立碳排放权交易市场，让更多的国内企业提前介入国际节能减排活动，熟悉运作模式，可以降低今后直接参与减排国际公约、承担具体减排指标所造成的冲击。同时，开展国际标准化的碳排放权交易，有利于学习和探索交易所组织结构的构建、交易产品设计、交易制度安排等问题，为中国全面参与国际碳交易做好准备。

1.4 建立国内碳排放权交易市场的2个基本原则

1.4.1 总量控制

首先，建立全国统一的基于配额交易的碳排放权交易中心，国内碳排放权交易应建立在总量控制的前提下，总量控制是指根据国家环境质量标准和区域环境容量，计算出1年内一定区域内CO2允许排放总量，并将其分配到整个地区，暂且以省为区域划分单位。

由国家对各省规定碳排放总量，各省再将具体额度按某种规则分配给企业。每一家企业都分配了一定数量的排放配额，每一个配额代表着允许排放1 t CO2。如果企业实际排放量低于各地政府分配给的额度，则可以把多余的配额拿到市场上出售，获取经济利益。如果年末企业实际排放量超过各地政府分配给的额度上限，则需要到市场上购买在数量上等于超出部分的排放许可配额。如果企业不能或不愿购买减排量来弥补超额排放的指标，那政府就对企业实施罚款。

1.4.2 初始分配〔9-11〕

碳排放权初始分配有如下几种方式:免费分配、定价出售、公开拍卖和基于期权机制的分配方式。定价出售和公开拍卖都是对环境外部性的内部化，从企业的角度出发，企业抗拒定价出售和公开拍卖，因为要付出一定的成本，从国家的角度看，任何一个国家设立碳排放权交易制度的初衷，都是在总量上控制碳排放，而并非通过出售碳排放权来获取利益。因此，从表面上看，免费分配是碳排放权初始分配的最佳方式，然而免费分配和公开拍卖、定价出售相比，不能为碳排放权的二次交易提供定价基础，当企业无偿从政府获得足够的免费分配的碳排放权配额后，出于对碳排放权回购的担忧，通常不愿意出售多余的碳排放权配额。他们通常很少参与甚至拒绝碳排放权的二次交易，这就造成了碳排放权交易量不足和活跃性不够，无法形成大规模的现货市场，期货市场也无从谈起。

期权是指对特定对象物的选择权，具体地说，就是期权拥有者在将来某一时间以约定价格买入或卖出一定数量标的资产的选择权。期权是选择权，而不是义务。在引入期权机制的碳排放权交易市场上，国家初始分配给企业在特定时刻购买和使用碳排放权配额的选择权，而不是在一开始就履行某种义务来购买一定数量的碳排放权配额。

期权机制的引入，消除了碳排放权初始分配后进入二次交易的主要壁垒，又在很大程度上规避了碳排放权交易的风险。实际上，由于碳排放权期权赋予了期权所有者在某一特定时刻以某一价格购买碳排放权配额的权力，并允许期权所有者随时执行该项期权，因此，碳排放权期权属于美式看涨期权。碳排放权期权中红利是不存在的，不发红利的美式看涨期权在实质上相当于欧式看涨期权。期权价格可用基于碳排放权价格的Black-Scholes公式确定:

其中:

式 (1)中 C表示期权价格;N(d)为正态分布变量的累积概率分布函数，对于给定变量d，服从标准正态分布N(0，1)的概率;St为碳排放权配额的市场价格，不应低于初次分配时社会治理单位碳排放量的平均成本;X为碳排放权期权的执行价格;T为碳排放权期权的到期期限，政府在每年年初确定以定价方式出售的碳排放权期权和碳排放权配额，并且规定每份期权的最后执行期限为当年年末，即期权的有效期为1年;r为无风险连续年复利，1年期可用银行储蓄存款利率来代替;σ为碳排放权配额的实际市场价格的波动率 (一般采用年波动率)，从碳排放权交易的历史数据中获取收益率的标准差来计算波动率，假设由历史数据计算得到的周波动率为0.01，取1年中交易周数为n=50周，年波动率σ =0.01×=0.071。

1.5 国内碳排放权交易市场的2个阶段

1.5.1 发展阶段

在正确计算碳排放总量、合理分配碳排放权、建立全国统一的碳排放权交易中心和各省碳交易监管所后，政府就可以建立碳交易现货交易市场了。

交易对象为碳排放权，交易主体是具有碳排放权的政府、企业、交易中心和投资商，以现货交易为主，即双方共同协商签订协议，交货时间、地点、方式、数量、质量和价格，碳排放权配额有节余和配额不够用的企业均可通过交易中心联系，进行一对一的谈判，达成买卖的意向，实现交易。

1.5.2 成熟阶段

当现货市场发展到一定阶段后，可以建立以现货交易为基础、期货交易为主的市场体系，期货市场具有两大功能: “价格发现”和“规避风险”。当现货市场碳排放权价格波动频繁，风险厌恶者可以利用期货套期保值规避风险，即对于需要碳排放权的企业，当其确定了所缺的碳排放权的数量后，一方面可以向市场上发布需求信息，另一方面可在期货市场上卖出等量同种类的碳排放权来降低现货市场的交易风险。

对于拥有碳排放权余量的企业，一方面应向市场上发布所拥有碳排放权的信息，另一方面在期货市场上买入等量同种类的碳排放权来降低现货市场的交易风险。

在碳交易中心设立碳期货交易所，交易主体有套期保值者和投机者，交易对象为碳排放权期货合约，交易单位取1000t CO2/张，交易流程为开户—下单—竞价—成交回报和确认—结算—交割，其中保证金取合约价值的10%，交割方式以现金交割，期货合约交易月份为每年的12个月。

2 碳捕集电厂

2.1 碳捕集电厂的运行机制

在传统火电厂原有发电设备上，引入单独的碳捕集系统，即为碳捕集电厂。CO2捕集的技术路线主要有3类:燃烧后脱碳、燃烧前脱碳、富氧燃烧脱碳。其中燃烧后脱碳技术很成熟，原理简单，对电厂燃烧后的烟气实施CO2的分离与捕集，捕集装置往往处于烟气排放的“下游”，不改变电厂原有的发电流程，适用范围广，可运用于现有的绝大多数电厂。

在火电厂运行中捕集CO2需耗费较大的能量，碳捕集能量主要来自于从发电循环抽取蒸汽或直接利用厂用电，将导致发电效率的下降，它由2个部分组成，一部分与碳捕集系统运行状态无关，属于固有能耗，另一部分与所捕集CO2的量成正比，属于运行能耗。从现有技术条件看，碳捕集能量一般要占电厂发电功率的1/5左右。

由于固有能耗的存在，相比普通火电厂，碳捕集电厂最大净出力有所减少，而最小净出力有很大的减少:

式中 gCCmax表示碳捕集电厂的最大净出力;gCCmin为碳捕集电厂的最小净出力;gmax为煤炭等化石燃料按一定的转换效率，通过发电循环输出的最大电能;gmin为煤炭等化石燃料按一定的转换效率通过发电循环输出的最小电能;gCCM表示碳捕集系统的固有能耗;eG为单位电量的碳排放强度;λGE为捕集单位CO2所消耗的热功率;βCC为电厂的碳捕集水平，从现有的技术条件看，βCC的取值范围为85% ～90%。

与一般火电厂相比，碳捕集电厂具有更大的下调峰深度和更快的调峰响应速度。以rCCG与rG分别表示碳捕集与一般火电机组的调峰深度 (即最大最小出力的比值)，由于gCCM远小于gmax，则根据式 (2)，可得

式 (3)的分母小于1，即有rCCG＞rG，碳捕集电厂的调峰深度得到了提高，而良好的下调峰深度有利于解决大规模风电并网产生的调峰问题〔7〕。

2.2 碳捕集电厂应对策略

从市场机制出发，国内碳排放权初始分配可以考虑“定价出售+期权”的方式。每年1月，电厂可以预测当年的基荷，以固定价格来购买正常生产所需现货形式的配额，对于当年最大负荷月，在年初签订期权合约来购买峰荷配额，期权期限为1年。又考虑到火电厂进行CCS改造，初期投资较大，企业资金不足以及碳捕集电厂对CO2减排发挥的不可替代的作用，从国家扶持和鼓励碳捕集电厂角度出发，对于申请CCS改造或新建CCS电厂并提交设计方案书的企业，初期采取“免费60%+期权”的分配方式，其中，免费60%是指CCS改造后的碳捕集电厂当年正常生产所需现货形式配额的60%，严禁免费配额转让，只提供1年，从碳捕集电厂投产运行日开始计算。交易中心相关监管机构监督企业进行CCS改造，如未按设计方案书规定日期完成CCS改造的电厂，交易中心有权收回免费配额。

初始分配方式不同，导致燃煤火电厂分化，部分老火电厂或规模较小的火电厂选择“定价出售+期权”方式，新建碳捕集火电厂或进行CCS改造的大规模火电厂选择“免费60%+期权”方式，碳捕集电厂的运行方式比普通火电厂更灵活，碳捕集水平为85% ～90%〔7〕。当现货市场碳配额价格高于发电收益或处于负荷低谷时，加大CO2捕集力度，减少发电量，出售多余的碳排放权;当现货市场碳配额价格低于发电收益或处于负荷高峰时，减少CO2捕集力度，增加发电量，使用碳排放权。捕集的碳还可用于食品加工和工业应用获益。

进行CCS改造后的火电厂投产1年后，如未选择期货市场，一旦现货市场碳排放权价格波动，将制约电厂收益，如果选择期货市场套期保值，利用现货和期货2个市场的关系，在2个市场上进行数量相同但交易方向相反的交易，建立一种相互冲抵的机制来规避风险，减少CCS电厂损失。