燃煤電廠碳捕集與封存技術(shù)改造投資的激勵(lì)措施評(píng)價(jià)研究

張 賢 許 毛 樊靜麗

(1.中國(guó)21世紀(jì)議程管理中心，北京市海淀區(qū)，100038；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

★ 經(jīng)濟(jì)管理 ★

燃煤電廠碳捕集與封存技術(shù)改造投資的激勵(lì)措施評(píng)價(jià)研究

張 賢1許 毛2樊靜麗2

(1.中國(guó)21世紀(jì)議程管理中心，北京市海淀區(qū)，100038；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

煤電在我國(guó)電力供給中長(zhǎng)期占據(jù)主導(dǎo)地位，2016年燃煤機(jī)組裝機(jī)容量占比超過(guò)57%。燃煤電廠的CO2排放量一直居高不下，碳捕集與封存技術(shù)(CCS)是實(shí)現(xiàn)燃煤電廠近零碳排放的重要途徑。由于CCS技術(shù)尚未成熟，整體仍處于示范階段，投資面臨的不確定性較高，此階段政府出臺(tái)正確的激勵(lì)措施尤為重要。采用實(shí)物期權(quán)方法并結(jié)合三叉樹(shù)模型對(duì)CCS改造投資的激勵(lì)措施進(jìn)行探究評(píng)價(jià)，并提出相應(yīng)的政策建議。研究結(jié)果顯示，提高脫碳發(fā)電的上網(wǎng)電價(jià)能夠?qū)CS改造投資產(chǎn)生較為明顯的激勵(lì)作用。提高碳價(jià)或?qū)CS改造前期成本進(jìn)行補(bǔ)貼會(huì)產(chǎn)生一定的激勵(lì)效果，但效果不佳。因此，政府可針對(duì)CCS脫碳發(fā)電制定合理的電價(jià)政策以促進(jìn)CCS技術(shù)在燃煤電廠中的應(yīng)用。

CCS改造投資 燃煤電廠 CO2減排 實(shí)物期權(quán) 三叉樹(shù)模型

為應(yīng)對(duì)和減緩氣候變化，我國(guó)政府已經(jīng)向國(guó)際社會(huì)做出了CO2減排承諾并制定了中長(zhǎng)期的CO2減排目標(biāo)：到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)碳排放在2005年的基礎(chǔ)上降低40%～45%，到2030年降低60%～65%，CO2排放總量在2030年前后達(dá)到峰值。在落實(shí)減排工作時(shí)，電力行業(yè)首當(dāng)其沖。目前我國(guó)的電力供給仍以火電為主，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布數(shù)據(jù)顯示，2016年我國(guó)火力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量約為1054 GW，占我國(guó)總裝機(jī)容量的64%，其中燃煤機(jī)組裝機(jī)容量為943 GW。根據(jù)國(guó)際能源署(IEA)統(tǒng)計(jì)，2014年我國(guó)能源相關(guān)的CO2排放總量約為86億t，其中燃煤電廠的排放大約占50%。受到資源稟賦、能源安全等因素的影響，我國(guó)火力發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量占比和燃煤電廠的煤炭消費(fèi)量在短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)大幅度調(diào)整。因此，在高碳能源結(jié)構(gòu)和能源需求迅速增加的雙重作用下，碳捕集與封存技術(shù)(CCS)已經(jīng)成為我國(guó)減排技術(shù)組合中不可或缺的組成部分。

近年來(lái)，我國(guó)多個(gè)部委均對(duì)CCS技術(shù)的發(fā)展給予了高度重視。2013年，國(guó)家發(fā)改委印發(fā)《關(guān)于推動(dòng)碳捕集、利用和封存試驗(yàn)示范的通知》，科技部發(fā)布《“十二五”國(guó)家碳捕集、利用與封存科技發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》并編制技術(shù)發(fā)展路線圖。2016年，環(huán)境保護(hù)部發(fā)布《二氧化碳捕集、利用與封存環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)指南》(試行)，國(guó)土資源部開(kāi)展了應(yīng)對(duì)全球氣候變化地質(zhì)調(diào)查研究工作，對(duì)CO2儲(chǔ)存潛力評(píng)估與工程示范等進(jìn)行了研究。此外，我國(guó)還積極與其他國(guó)家在CCS技術(shù)方面開(kāi)展合作，如科技部組織實(shí)施了中歐燃煤發(fā)電近零排放項(xiàng)目。由此可見(jiàn)，在考慮大力發(fā)展可再生能源技術(shù)的同時(shí)，我國(guó)政府也在積極探索并示范能夠?qū)崿F(xiàn)煤炭等高碳能源低碳利用的碳捕集、利用與封存技術(shù)。但現(xiàn)階段的主要問(wèn)題在于，CCS技術(shù)仍處于示范工程階段，燃煤電廠短期內(nèi)也無(wú)法依靠CCS技術(shù)快速實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)，CCS技術(shù)亟待政府出臺(tái)有效的激勵(lì)措施予以扶持。因此，探究并評(píng)價(jià)燃煤電廠實(shí)施CCS改造投資的激勵(lì)措施十分有必要。本文對(duì)燃煤電廠CCS改造投資開(kāi)展定量評(píng)價(jià)研究，以期為燃煤電廠CCS改造投資以及政府制定CCS技術(shù)發(fā)展規(guī)劃提供決策支持。

1 文獻(xiàn)綜述

針對(duì)CCS改造投資，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了豐富的研究。在CCS改造投資評(píng)估方面，大多數(shù)學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)主要包括：CCS改造投資成本，不同類型電廠進(jìn)行CCS投資時(shí)其盈虧平衡點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的碳價(jià)，以及碳價(jià)、碳捕集技術(shù)、政策補(bǔ)貼等不確定因素對(duì)于CCS投資延遲的影響等。

由于受到政策因素、市場(chǎng)因素、技術(shù)因素等多種不確定因素的影響，CCS改造投資也面臨著較大的風(fēng)險(xiǎn)和較高的沉沒(méi)成本。傳統(tǒng)的投資評(píng)估方法(如凈現(xiàn)值法、現(xiàn)金流量法、內(nèi)部收益率法等)針對(duì)此類投資有一定的局限性，忽略了其不確定性所帶來(lái)的價(jià)值，因此無(wú)法反映出投資項(xiàng)目存在的潛在價(jià)值。針對(duì)此類帶有較高風(fēng)險(xiǎn)的大型投資，較多學(xué)者采用的是實(shí)物期權(quán)法。

通過(guò)對(duì)以上文獻(xiàn)的研究可以發(fā)現(xiàn)，碳交易、電價(jià)以及CCS改造前期投資成本等是影響CCS改造投資的重要不確定因素。因此，本文擬采用實(shí)物期權(quán)法，在碳價(jià)、電價(jià)以及CCS改造前期投資成本等多重不確定因素約束下，對(duì)我國(guó)燃煤電廠實(shí)施CCS改造投資進(jìn)行效益評(píng)估并探究相應(yīng)的激勵(lì)措施。在進(jìn)行效益評(píng)估時(shí)本文將采用北京碳交易試點(diǎn)的碳價(jià)數(shù)據(jù)(碳價(jià)數(shù)據(jù)在時(shí)間維度上較為連續(xù))。

2 模型介紹

2.1 實(shí)物期權(quán)法

實(shí)物期權(quán)包含多種類型，如延遲投資期權(quán)、擴(kuò)張期權(quán)、收縮期權(quán)等。為有效降低投資失敗的風(fēng)險(xiǎn)，本文選用的是延遲投資期權(quán)。所謂延遲投資期權(quán)是指項(xiàng)目持有者有權(quán)推遲對(duì)項(xiàng)目的投資，在投資環(huán)境不佳或者投資者對(duì)于市場(chǎng)的信息掌握不夠充分時(shí)，延遲投資期權(quán)可以降低當(dāng)前立即投資所面臨的風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí)，總投資價(jià)值可表示為：

TIV=NPV+VDO

(1)

式中：TIV——總投資價(jià)值；

NPV——投資的凈現(xiàn)值；

VDO——延遲期權(quán)所產(chǎn)生的價(jià)值。

2.2 三叉樹(shù)模型

為提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文采用三叉樹(shù)定價(jià)模型進(jìn)行分析。假設(shè)碳價(jià)的波動(dòng)服從幾何布朗運(yùn)動(dòng)，假定在單位時(shí)間Δt內(nèi)，碳價(jià)有3種變化狀態(tài)，即上升、保持不變或下降，其對(duì)應(yīng)的概率分別為Pa、Pk和Pd，碳價(jià)的漲幅及跌幅系數(shù)分別為a和d，得出以下公式：

式中：r——無(wú)風(fēng)險(xiǎn)利率；

v——?dú)v史碳價(jià)的波動(dòng)率；

e——自然對(duì)數(shù)的底數(shù)。

2.3 凈現(xiàn)值與總投資價(jià)值的計(jì)算

燃煤電廠CCS改造投資的凈收益如下式所示：

(7)

式中：CCER——核證減排量，t；

PC——碳價(jià)，元/t；

Pw——燃煤電廠的單位發(fā)電純利潤(rùn)，元/kWh；

Qe——燃煤電廠的年清潔電售電量，kWh;

Pe——火電上網(wǎng)電價(jià)，元/kWh；

Qr——因捕集CO2而損失的可并網(wǎng)發(fā)電量，kWh;

Cccs——CCS改造項(xiàng)目投資成本，元；

COM——CCS設(shè)備的年運(yùn)行維修成本，元；

CDS——CO2的運(yùn)輸及封存量，t；

Ct——單位CO2運(yùn)輸成本，元/t；

Cs——單位CO2存儲(chǔ)成本，元/t。

技術(shù)進(jìn)步會(huì)降低CCS改造的投資成本以及設(shè)備的年運(yùn)行維修成本。與國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)CCS改造成本的研究類似，本文未考慮技術(shù)進(jìn)步對(duì)設(shè)備年運(yùn)行維修成本的影響，即假設(shè)設(shè)備年運(yùn)行維修成本保持不變，而技術(shù)進(jìn)步會(huì)使得CCS改造的投資成本逐年降低，即：

(8)

假設(shè)燃煤電廠壽命期為τ2，在t=τ1時(shí)進(jìn)行CCS改造投資，捕集系統(tǒng)建設(shè)時(shí)間為1年，捕集系統(tǒng)于t=τ1+1開(kāi)始投入使用，直到電廠壽命末。假設(shè)捕集系統(tǒng)設(shè)備的殘余價(jià)值為0，則燃煤電廠CCS改造投資的凈現(xiàn)值計(jì)算公式如下式所示：

(9)

式中：r0——基準(zhǔn)折現(xiàn)率。

將各節(jié)點(diǎn)的凈現(xiàn)值與零相比，取其較大者，即為該節(jié)點(diǎn)的投資價(jià)值IVN。以各節(jié)點(diǎn)的投資價(jià)值為基礎(chǔ)，從延遲投資的最后期限開(kāi)始向前逆推，直到最初時(shí)刻，即可求得延遲投資實(shí)物期權(quán)下各節(jié)點(diǎn)的總投資價(jià)值TIV(i, j)。計(jì)算公式如下式所示:

(10)

3 案例分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

本文所選取的電廠為中歐煤炭利用近零排放合作項(xiàng)目Ⅱ期(CN-NZEC Ⅱ)示范工程電廠，機(jī)組類型為 200 MW亞臨界機(jī)組，CO2捕集方式為燃燒后捕集，CCS改造前期一次性投資為50188萬(wàn)元，設(shè)備運(yùn)行維修成本為3745萬(wàn)元/a，CO2捕集量為10萬(wàn)t/a。CO2運(yùn)輸及封存成本分別為100元/t、50元/t(這里假設(shè)捕集的CO2全部運(yùn)輸、封存)。根據(jù)北京市2013年11月-2016年9月的歷史碳價(jià)數(shù)據(jù)，這里設(shè)初始碳價(jià)為50元/t，碳價(jià)波動(dòng)率為0.0445，θ取0.0202，并假設(shè)燃煤電廠壽命及延遲期權(quán)年限分別為40年、10年。參考CN-NZECⅡ示范工程預(yù)可研報(bào)告和中國(guó)人民銀行一年期定期存款利率，無(wú)風(fēng)險(xiǎn)利率和基準(zhǔn)折現(xiàn)率分別取4.43%和5%。

3.2 結(jié)果分析

在當(dāng)前碳價(jià)、燃煤機(jī)組上網(wǎng)電價(jià)以及CCS前期改造投資成本等多重因素的影響下，燃煤電廠進(jìn)行CCS改造投資的凈現(xiàn)值及總投資價(jià)值變化趨勢(shì)如表1所示。此時(shí)，在10年延遲期內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的凈現(xiàn)值均為負(fù)值，而總投資價(jià)值在各節(jié)點(diǎn)均為零(未列出)。這表明，在當(dāng)前的政策環(huán)境下燃煤電廠不適合進(jìn)行CCS改造投資。售電收入是電廠的主要收入來(lái)源，因此我們首先考慮改變CCS脫碳發(fā)電的上網(wǎng)電價(jià)，即CCS脫碳發(fā)電將分別執(zhí)行光電、近海風(fēng)電、潮汐風(fēng)電以及生物質(zhì)電能的上網(wǎng)電價(jià)，此時(shí)CCS改造投資各節(jié)點(diǎn)的最大凈現(xiàn)值和最大總投資價(jià)值變化趨勢(shì)如圖1所示。

由圖1可以看出，上網(wǎng)電價(jià)的高低會(huì)對(duì)CCS改造投資的收益產(chǎn)生本質(zhì)性的影響，可以引發(fā)一種從量變到質(zhì)變的效果。售電收入大幅增加，當(dāng)預(yù)期收入足以平衡CCS改造的資本支出時(shí)，投資價(jià)值將由零變正。各節(jié)點(diǎn)投資凈現(xiàn)值均為正，根據(jù)式(10)，此時(shí)總投資價(jià)值與投資凈現(xiàn)值相同。根據(jù)延遲期權(quán)理論，不同上網(wǎng)電價(jià)水平下燃煤電廠CCS改造投資的投資決策如表2所示。

表1 延遲期權(quán)下燃煤電廠CCS改造投資凈現(xiàn)值表 億元

圖1 不同上網(wǎng)電價(jià)水平下燃煤電廠CCS改造投資凈現(xiàn)值及總投資價(jià)值變化趨勢(shì)

同時(shí)，我們將碳價(jià)以及CCS改造前期投資成本這兩項(xiàng)影響因素納入考慮范圍，進(jìn)一步考察不同影響因素對(duì)于投資收益的影響程度如圖2所示，據(jù)此為制定切實(shí)有效的激勵(lì)措施提供量化依據(jù)。

由圖2可以看出，電價(jià)上升對(duì)于CCS改造投資凈現(xiàn)值有較為明顯的促進(jìn)作用，當(dāng)電價(jià)增幅超過(guò)80%時(shí)，凈現(xiàn)值將由負(fù)變正，此時(shí)投資價(jià)值也會(huì)由零變正，實(shí)現(xiàn)質(zhì)變。CCS前期投資成本下降和碳價(jià)上漲對(duì)于CCS改造投資凈現(xiàn)值的刺激作用較小，碳價(jià)的激勵(lì)作用十分微弱。當(dāng)碳價(jià)上升幅度達(dá)到100%時(shí)投資凈現(xiàn)值增幅約為10%，仍為負(fù)值。對(duì)于捕集規(guī)模較小的電廠，碳價(jià)上漲無(wú)法有效促進(jìn)減排收入的增加。

圖2 上網(wǎng)電價(jià)、碳價(jià)及CCS前期投資成本敏感性分析圖

4 結(jié)論與政策啟示

4.1 結(jié)論

(1)在目前的碳價(jià)、電價(jià)、激勵(lì)機(jī)制、技術(shù)水平等多重不確定因素的影響下，現(xiàn)有燃煤電廠不適合進(jìn)行CCS改造投資，制定合理有效的激勵(lì)措施十分必要。

(2)上網(wǎng)電價(jià)的變動(dòng)對(duì)于燃煤電廠實(shí)施CCS改造投資的影響重大。當(dāng)前燃煤機(jī)組的上網(wǎng)電價(jià)水平無(wú)法有力支撐燃煤電廠進(jìn)行CCS改造投資。若CCS脫碳發(fā)電可與光伏、近海/潮汐風(fēng)電、生物質(zhì)等可再生能源享受同等上網(wǎng)電價(jià)，則CCS改造投資環(huán)境將發(fā)生質(zhì)變。因此，對(duì)于CCS改造投資而言，提高脫碳發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)是十分有效的激勵(lì)措施，這將有利于CCS技術(shù)在我國(guó)的推廣。但隨著投資節(jié)點(diǎn)的延遲，其投資價(jià)值將會(huì)逐漸降低。

(3)當(dāng)燃煤電廠的捕集規(guī)模較小時(shí)，即使碳價(jià)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上大幅上漲，也無(wú)法平衡燃煤電廠進(jìn)行CCS改造投資的資本支出。因此，提升碳價(jià)可以作為激勵(lì)措施，但其激勵(lì)效果要根據(jù)電廠規(guī)模而定。

(4)CCS改造前期投資成本下降可在一定程度上緩解投資的成本壓力，但僅依靠這一改變同樣無(wú)法扭轉(zhuǎn)燃煤電廠進(jìn)行CCS改造后面臨經(jīng)營(yíng)虧損的局面。因此，對(duì)于電廠而言，政府在CCS前期投資成本方面給予補(bǔ)貼難以起到良好的激勵(lì)效果。

4.2 政策啟示

CCS技術(shù)目前推廣的進(jìn)程較慢，主要是減排收入較低，導(dǎo)致市場(chǎng)投資信心不足，現(xiàn)階段主要靠政府建立示范工程。在碳交易方面政府需加以引導(dǎo)，建立起完善的碳交易市場(chǎng)機(jī)制，切實(shí)有效促進(jìn)CCS技術(shù)的發(fā)展和高碳行業(yè)減排。

此外，政府可針對(duì)CCS脫碳發(fā)電制定合理的電價(jià)政策以激勵(lì)CCS技術(shù)的應(yīng)用。在解決能源結(jié)構(gòu)問(wèn)題的同時(shí)更需注重平衡波動(dòng)的能源需求，應(yīng)在保證電力供給安全的前提下優(yōu)化資源配置，統(tǒng)籌火電與其他能源的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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Studyonevaluationofincentivemeasuresforcarboncaptureandstorageretrofittinginvestmentincoal-firedpowerplants

Zhang Xian1, Xu Mao2, Fan Jingli2

(1. The Administrative Centre for China's Agenda 21, Haidian, Beijing 100038, China; 2. School of Resources & Safety Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

The coal power had occupied a dominant position in the electricity supply in China for a long time and the total installed capacity of coal-fired units accounted for more than 57% in 2016. Carbon capture and storage technology (CCS) is an important way to achieve near zero emissions of coal-fired power plants while CO2emissions from coal-fired power plants was tremendous all the time. However, because the CCS technology was not yet mature, which was still in the demonstration stage, and the investment would face higher uncertainties, it was particularly important for the government to develop incentive measures at present. In this paper, the real options approach was used combined with the trinomial tree model to explore and evaluate the incentive measures of CCS retrofitting investment, and it put forward the corresponding policy recommendations. The research results showed that increasing tariff power of CCS decarburization power could produce obvious incentive effect on CCS retrofitting investment. Improving the carbon price or subsidizing the cost of CCS retrofitting would also have some incentive effect, but the effect was not favorable. Therefore, the government could make a reasonable electricity tariff policy for the CCS decarburization power to promote the application of CCS technology in coal-fired power plants.

CCS retrofitting investment, coal-fired power plants, CO2emission reduction, real options approach, trinomial tree model

中國(guó)科協(xié)“高端科技創(chuàng)新智庫(kù)青年項(xiàng)目”(DXB-2KQN-2016-046)，國(guó)家能源局重點(diǎn)項(xiàng)目(SHJT-14-66)

張賢，許毛，樊靜麗. 燃煤電廠碳捕集與封存技術(shù)改造投資的激勵(lì)措施評(píng)價(jià)研究[J].中國(guó)煤炭，2017，43(12):22-26.

Zhang Xian , Xu Mao, Fan Jingli. Study on evaluation of incentive measures for carbon capture and storage retrofitting investment in coal-fired power plants [J].China Coal，2017，43(12):22-26.

TD-9

A

張賢(1981-)，博士，副研究員，主要研究方向：低碳經(jīng)濟(jì)、能源與環(huán)境政策建模、CCS投資評(píng)價(jià)等。

(責(zé)任編輯 宋瀟瀟)