配額制與碳稅對(duì)可再生能源投資量決策影響的研究

□陳 威 馬永開(kāi) 白春光 蒲思睿

[1. 成都理工大學(xué) 成都 610059；2. 電子科技大學(xué) 成都 611731]

引言

2010～2019年，中國(guó)在可再生能源投資金額高達(dá)7 580億美金，位于全球之最①。2020年中國(guó)向全世界承諾2030年達(dá)到碳峰值，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。為了實(shí)現(xiàn)這一宏偉的目標(biāo)，促進(jìn)可再生能源的投資顯得格外重要，因?yàn)殡娏κ袌?chǎng)是碳排放量最多的行業(yè)，電力行業(yè)約占全國(guó)碳排放量的一半②。投資具有零碳排放量的可再生能源，一方面滿足社會(huì)對(duì)電力需求量，另一方面能大幅度地減少碳排放量。投資可再生能源帶來(lái)的環(huán)境價(jià)值歸社會(huì)所有，而投資成本是發(fā)電商承擔(dān)，這勢(shì)必會(huì)減少發(fā)電商投資可再生能源的積極性。

為了激勵(lì)發(fā)電商投資更多的可再生能源，需要出臺(tái)政策來(lái)內(nèi)生化碳排放量的成本。目前電力市場(chǎng)大體存在兩大類政策：一類是以市場(chǎng)為主的機(jī)制，如碳限額與交易機(jī)制；另一類是以政府強(qiáng)制為主的機(jī)制，如碳稅和配額制。這兩類機(jī)制存在兩點(diǎn)區(qū)別：其一是以市場(chǎng)為主的碳限額與交易機(jī)制主要是通過(guò)價(jià)格達(dá)到碳減排的目標(biāo)，而以強(qiáng)制為主的碳稅主要是通過(guò)調(diào)整數(shù)量來(lái)達(dá)到碳減排的目標(biāo)[1～2]；其二是從歐美電力市場(chǎng)的政策發(fā)展歷史來(lái)看，他們?cè)缙诓捎锰冀灰着c限額機(jī)制，而往后采用碳稅或配額機(jī)制。中國(guó)目前已在實(shí)施了碳限額與交易機(jī)制，下一階段很有可能是采取碳稅和配額機(jī)制。事實(shí)上，開(kāi)展碳稅有利于我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的改變，碳稅是我國(guó)未來(lái)實(shí)現(xiàn)碳減排的主要政策③。與此同時(shí)，我國(guó)已有部分地區(qū)實(shí)施了配額機(jī)制，例如北京電力交易中心和廣州電力交易中心④。那么碳稅和配額機(jī)制對(duì)電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的影響是值得探索的。

碳稅就是對(duì)上游發(fā)電商的碳排放量收取稅收。若發(fā)電商不對(duì)能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，繼續(xù)采用傳統(tǒng)能源生產(chǎn)電力，則需承擔(dān)高昂的碳排放成本。因此發(fā)電商會(huì)積極地投資可再生能源。配額制就是對(duì)下游售電商實(shí)施配額制，即規(guī)定售電商須接受一定比例的可再生能源，否則需要購(gòu)買相應(yīng)的綠色證書。具體而言，若購(gòu)買的可再生能源量沒(méi)達(dá)到配額制的要求，則需購(gòu)買綠證來(lái)滿足；若超過(guò)配額制的要求，則可出售綠證來(lái)獲利[3]。那么政府針對(duì)電力系統(tǒng)中不同主體實(shí)施不同的政策會(huì)對(duì)可再生能源投資量產(chǎn)生什么的影響，這不僅是工業(yè)界需要解決的問(wèn)題，而且也是學(xué)術(shù)界需要探討的問(wèn)題。

本文側(cè)重于碳政策對(duì)可再生能源投資決策的影響，那么與本文密切相關(guān)的主題有兩部分，一是配額制，二是碳稅。有學(xué)者從社會(huì)網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化，仿真和演化博弈等不同方向研究配額制與可再生能源的關(guān)系。例如，Li等運(yùn)用政策網(wǎng)絡(luò)理論，從網(wǎng)絡(luò)主體、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)等三個(gè)方面分析了利益相關(guān)者之間的互動(dòng)關(guān)系，其結(jié)果顯示政策網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放性和整合性應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同配額制階段做出變化[4]。李力等研究了配額制下發(fā)電商投資可再生能源的最優(yōu)貫序決策，其結(jié)果顯示較高的投資成本和較低綠證價(jià)格均不利于投資者[5]。Liao等從企業(yè)的視角分析配額制對(duì)企業(yè)決策的影響，通過(guò)隨機(jī)規(guī)模模型得出企業(yè)購(gòu)買綠證和購(gòu)買可再生能源電量的最佳策略[6]。張鸞等采用多主體仿真研究了影響可再生能源消納的因素，他們建議提高超額轉(zhuǎn)讓價(jià)格有利于提高消費(fèi)者的消納意識(shí)，其次提高交易頻率更有利于可再生能源的消納[7]。Wang等從中國(guó)南方發(fā)電、輸電和交易角度研究配額制實(shí)現(xiàn)的最佳途徑，對(duì)2016～2030年中國(guó)南方電網(wǎng)在配額制管制下可再生能源投資量進(jìn)行優(yōu)化，其結(jié)果顯示南方電網(wǎng)應(yīng)該優(yōu)先投資風(fēng)能，此外應(yīng)該加大廣東向西部購(gòu)電的力度[8]。趙新剛等分析了配額制的參數(shù)對(duì)發(fā)電商行為演化的影響，其結(jié)果顯示配額制的成功與否取決于單位罰金以及交易成本和邊際成本差額，罰金較高和差額較小利于配額制的實(shí)施[9]。Zhu等分析了配額制對(duì)零售電力市場(chǎng)決策的影響，構(gòu)建了一個(gè)政策規(guī)制者和兩個(gè)售電商的三方演化博弈模型，其結(jié)果顯示合理的綠證價(jià)格和可再生能源售電利潤(rùn)不低于傳統(tǒng)能源售電利潤(rùn)時(shí)才能使得配額制運(yùn)作下去[10]。本文與上述研究不同的是，首先本文考慮了可再生能源的間歇性和調(diào)度成本；其次本文側(cè)重于配額制與碳稅政策對(duì)可再生能源投資量的影響。

相應(yīng)地，關(guān)于碳稅對(duì)可再生能源投資量影響研究，例如He等針對(duì)發(fā)電商裝機(jī)容量的問(wèn)題，比較了碳稅和碳限額與交易機(jī)制對(duì)可再生能源投資量的影響，其結(jié)果顯示兩種政策均有利于可再生能源投資量，且碳稅更有利于可再生能源投資[11]。進(jìn)一步地，Zhao等比較了碳稅和碳限額與交易機(jī)制對(duì)風(fēng)能投資的影響，其結(jié)果顯示當(dāng)碳稅不低于30￥/t和碳價(jià)不低于40￥/t時(shí)，上述政策均能推動(dòng)風(fēng)能的投資[12]。Aflaki等針對(duì)可再生能源間歇性和可再生能源具有零碳排放屬性，研究了碳稅對(duì)可再生能源的投資量影響，其結(jié)果顯示實(shí)施碳稅反而不利于可再生能源的投資[13]。K?k等在已有傳統(tǒng)能源設(shè)備上投資可再生能源和低碳排放傳統(tǒng)能源，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)碳稅總是有利于可再生能源投資[14]。進(jìn)一步地，K?k等研究補(bǔ)貼（負(fù)向碳稅）傳統(tǒng)能源對(duì)可再生能源投資量的影響，其結(jié)果顯示補(bǔ)貼核能等非柔性傳統(tǒng)能源有利于可再生能源投資，而補(bǔ)貼天然氣等柔性傳統(tǒng)能源不利于可再生能源投資[15]。他們的研究是補(bǔ)貼傳統(tǒng)能源，而不是直接作用于可再生能源。與上述文獻(xiàn)所不同的是，本文聚焦于配額制和碳稅對(duì)可再生能源投資量影響的研究。

為了解決上述問(wèn)題，本文構(gòu)建由發(fā)電商和售電商組建的電力供應(yīng)鏈，考慮可再生能源間歇性的屬性，比較配額制和碳稅等政策對(duì)可再生能源投資量的影響，并且分析了可再生能源比例對(duì)可再生能源投資量和電力需求量的影響。最后，通過(guò)數(shù)值分析進(jìn)一步闡明不同政策對(duì)電力供應(yīng)鏈企業(yè)決策的影響。

本文的主要貢獻(xiàn)如下：（1）電力市場(chǎng)是碳排放量最多的行業(yè)，投資可再生能源是減少碳排放量的主要措施。基于此，本文分析了配額制和碳稅等政策對(duì)可再生能源投資量的影響，識(shí)別在什么條件下選擇配額制政策和碳稅政策，這具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。（2）除了Aflaki等[13]和陳威等[16]鮮有文獻(xiàn)分析碳政策對(duì)可再生能源投資量的影響。本文與他們的文章存在以下不同，首先Aflaki等將可再生能源與傳統(tǒng)能源的關(guān)系是互補(bǔ)關(guān)系[13]，而本文認(rèn)為兩者是替代關(guān)系；其次，陳威等側(cè)重于碳限額與交易機(jī)制對(duì)可再生能源投資量的影響[16]，而本文聚焦于配額制和碳稅對(duì)可再生能源投資量的影響，這進(jìn)一步豐富了低碳領(lǐng)域和電力市場(chǎng)領(lǐng)域的研究。（3）本文發(fā)現(xiàn)當(dāng)可再生能源比例較小時(shí)，配額制政策更有利于可再生能源投資量和電力需求量，而當(dāng)可再生能源比例較高時(shí)，碳稅政策更有利于可再生能源投資量和電力需求量；隨著可再生能源比例的增加，可再生能源投資量和電力需求量均減少等結(jié)論，這對(duì)政策制定者和電力供應(yīng)鏈參與者均有一定的管理意義。

一、模型假設(shè)

假設(shè)某地存在由一個(gè)作為領(lǐng)導(dǎo)者的發(fā)電商和一個(gè)作為追隨者的售電商組成二級(jí)電力供應(yīng)鏈，其中發(fā)電商投資可再生能源，售電商將電力出售給消費(fèi)者。政府為了促進(jìn)可再生能源的投資，制定配額制和碳稅等兩種政策。具體而言，配額制是針對(duì)售電商而言，要求售電商需含有一定比例的可再生能源，若沒(méi)完成，則需購(gòu)買相應(yīng)的綠證，若超額完成，則可出售相應(yīng)的綠證?？稍偕茉措娏Σ粌H是物理意義上的電力，而且也具備“金融”屬性；碳稅是針對(duì)發(fā)電商而言，發(fā)電商若采用傳統(tǒng)能源發(fā)電需繳納相應(yīng)的碳排放量稅?；趯?duì)上述政策的認(rèn)知，本文做出如下具體的假設(shè)。

假設(shè)1：消費(fèi)者的電力需求量不僅僅依賴于電價(jià)，而且也依賴于可再生能源的投資量，即對(duì)可再生能源具有偏好。這類既依賴于產(chǎn)品價(jià)格，又依賴于產(chǎn)品綠色度的情形，被廣泛地應(yīng)用在運(yùn)營(yíng)管理領(lǐng)域，例如Liu等[17]，Ghosh和Shah[18]，Xu等[2]和陳威等[16]，那么假設(shè)消費(fèi)者的電力需求函數(shù)為：

假設(shè)2：可再生能源的投資成本與可再生能源的投資量有關(guān)。一般而言，投資量越高需要的成本越高，借鑒文獻(xiàn)Menanteau等[19]和Chen等[14]，那么假設(shè)可再生能源的投資成本函數(shù)為：

二、模型分析

在配額制與碳稅政策的背景下，政府將配額制實(shí)施與售電商和碳稅實(shí)施與發(fā)電商的兩類情形。為了區(qū)別上述兩類情形，用和分別表示配額制和碳稅政策下的均衡解。值得指出的是，為了保證海塞矩陣存在唯一解和決策變量非負(fù)性，后面的分析滿足如下條件：

接下來(lái)，先分析配額制政策對(duì)電力供應(yīng)鏈決策的影響。

（一）配額制政策

政府為了鼓勵(lì)售電商多購(gòu)買可再生能源電力，制定了配額制，即規(guī)定售電商須提供一定比例的可再生能源，這必然會(huì)影響電力供應(yīng)鏈的決策。在此政策下，發(fā)電商先決策電力批發(fā)價(jià)格和可再生能源投資量；接著售電商決策電價(jià)。那么，在配額制下發(fā)電商與售電商期望利潤(rùn)函數(shù)分別為：

基于逆向歸納法，售電商先決策電價(jià)，利用售電商利潤(rùn)函數(shù)式(5)，可得均衡電價(jià)為：

然后，將式(6)代入式(4)中，利用發(fā)電商利潤(rùn)函數(shù)式(4)對(duì)可再生能源投資和電力批發(fā)電價(jià)進(jìn)行一階求偏導(dǎo)，并令其為零，可得均衡電力批發(fā)電價(jià)和可再生能源投資量分別為：

接著，將式(7)(8)代入式(6)(1)中，可得均衡的電力價(jià)格和電力需求量分別為：

最后，將式(7)(10)代入式(4)(5)，可得均衡發(fā)電商利潤(rùn)和售電商利潤(rùn)分別為：

（二）碳稅政策

政府為了鼓勵(lì)發(fā)電商投資可再生能源，實(shí)施了碳稅政策，即針對(duì)發(fā)電商的碳排放量收取稅收，這必然會(huì)影響電力供應(yīng)鏈的決策。在此政策下，發(fā)電商先決策電力的批發(fā)價(jià)格和可再生能源的投資量；接著售電商決策電價(jià)。那么在碳稅政策下，發(fā)電商與售電商的期望利潤(rùn)函數(shù)分別為：

基于逆向歸納法，售電商先決策電價(jià)，利用售電商利潤(rùn)函數(shù)式(14)，可得均衡電價(jià)為：

然后，將式(15)代入式(13)中，利用發(fā)電商利潤(rùn)函數(shù)式(13)對(duì)可再生能源投資和電力批發(fā)電價(jià)進(jìn)行一階求偏導(dǎo)，并令其為零，可得均衡電力批發(fā)電價(jià)和可再生能源投資量分別為：

接著，將式(16)(17)代入式(15)(1)中，可得均衡的電力價(jià)格和電力需求量分別為：

最后，將式(16)(19)代入式(13)(14)，可得均衡的發(fā)電商利潤(rùn)和售電商利潤(rùn)分別為：

三、模型分析

本節(jié)主要對(duì)上述政策下的均衡解進(jìn)行敏感性分析和比較分析。具體而言：（1）可再生能源比例和可再生能源投資成本系數(shù)對(duì)均衡解的影響；（2）配額制和碳稅政策下的均衡解的比較分析。

（一）敏感性分析

此部分識(shí)別了可再生能源比例和投資成本系數(shù)對(duì)均衡解的影響。具體而言：（1）可再生能源比例對(duì)均衡批發(fā)電價(jià)、可再生能源投資量、電價(jià)和電力需求量的影響；（2）可再生能源投資成本系數(shù)對(duì)均衡批發(fā)電價(jià)、可再生能源投資量、電價(jià)和電力需求量的影響。

（二）比較分析

此部分主要比較配額制和碳稅政策下的均衡解。具體而言：（1）均衡可再生能源投資量的比較；（2）均衡電力需求量的比較。為了使得兩種政策具有可比性，假設(shè)。有如下的命題。

命題6比較了配額制和碳稅政策的電力需求量的大小，其結(jié)果顯示當(dāng)。上述結(jié)論表明不同碳政策下電力需求量大小取決于可再生能源比例的取值。由命題3可知，在配額制中，可再生能源投資量隨著可再生能源比例的增加而減少，那么當(dāng)可再生能源比例較小時(shí)，則發(fā)電商會(huì)投資較多的可再生能源來(lái)促進(jìn)消費(fèi)者購(gòu)買更多的電力，因此相對(duì)于碳稅政策而言，配額制更有利于可再生能源的投資；當(dāng)可再生能源比例較大時(shí)發(fā)電商會(huì)減少可再生能源的投資量，因此相對(duì)于碳稅政策而言，配額制投資更少的可再生能源。政府在考慮電力需求量時(shí)，應(yīng)從電力系統(tǒng)的視角來(lái)考慮不同的碳政策對(duì)電力需求量的影響。

四、數(shù)值分析

為了更好地展示配額制和碳稅對(duì)電力供應(yīng)鏈企業(yè)決策的影響。接下來(lái)，采用數(shù)值分析的方式來(lái)進(jìn)行闡述。主要有以下兩部分：（1）對(duì)可再生能源投資量的影響；（2）單位碳排放量對(duì)利潤(rùn)的影響。

（一）對(duì)可再生能源投資量的影響

圖1 可再生能源投資成本系數(shù)對(duì)可再生能源投資量的影響

圖2 可再生能源偏好系數(shù)對(duì)可再生能源投資量的影響

圖3 碳稅對(duì)可再生能源投資量的影響

圖4 綠證價(jià)格對(duì)可再生能源投資量的影響

（二）單位碳排放量e對(duì)利潤(rùn)的影響

此部分主要考察單位碳排放量對(duì)電力供應(yīng)鏈企業(yè)利潤(rùn)的影響。首先固定外生參數(shù)，取，與此同時(shí)取的區(qū)間，通過(guò)分析圖（5），有如下結(jié)論：

圖5 單位碳排放量對(duì)利潤(rùn)的影響

圖（5）表明隨著單位碳排放量的增加，電力供應(yīng)鏈的利潤(rùn)會(huì)減少，因?yàn)閱挝惶寂欧帕康脑黾?，意味著發(fā)電商承擔(dān)更多的碳排放成本，表征為支付更多的碳稅，故發(fā)電商的利潤(rùn)必然會(huì)減少。進(jìn)一步地，發(fā)電商與售電商是同一個(gè)系統(tǒng)，發(fā)電商利潤(rùn)受到單位碳排放效率的影響，那么售電商利潤(rùn)也必然會(huì)受到影響。最后，發(fā)電商作為領(lǐng)導(dǎo)者因先行動(dòng)而帶來(lái)較高的利潤(rùn)，售電商作為追隨者因后行動(dòng)而帶來(lái)較低的利潤(rùn)，這也解釋了供應(yīng)鏈企業(yè)存在爭(zhēng)奪市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)權(quán)的原因。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文構(gòu)建了發(fā)電商和售電商組成的二級(jí)電力供應(yīng)鏈，考慮了配額制實(shí)施于售電商和碳稅實(shí)施于發(fā)電商的情形，識(shí)別了可再生能源比例對(duì)可再生能源投資量的影響，比較了兩類政策下的可再生能源投資量和電力需求量。得出主要的結(jié)論如下：（1）當(dāng)可再生能源比例較小時(shí)，配額制政策更有利于可再生能源投資量和電力需求量，而當(dāng)可再生能源比例較高時(shí)，碳稅政策更有利于可再生能源投資量和電力需求量；（2）隨著可再生能源比例的增加，可再生能源投資量和電力需求量均減少；（3）隨著可再生能源投資成本系數(shù)的增加，可再生能源投資量和電力需求量均減少。（4）相對(duì)于碳稅政策而言，配額制政策下的電力供應(yīng)鏈企業(yè)的利潤(rùn)會(huì)更高。

本文對(duì)政策制定者和電力系統(tǒng)參與者仍有一定的啟示。就政策制定者而言，在推行配額制的起始階段應(yīng)該設(shè)定較低的可再生能源比例以促使發(fā)電商能夠投資較多的可再生能源，否則使用碳稅來(lái)促進(jìn)發(fā)電商投資可再生能源。同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)意識(shí)到碳政策對(duì)電力需求量的影響，電力需求量是影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素，尤其是提高可再生能源比例會(huì)對(duì)電力需求量有所影響，政府應(yīng)當(dāng)慎重制定合適的可再生能源比例；就電力系統(tǒng)參與者而言，為了實(shí)現(xiàn)2030碳達(dá)峰和2060碳中和的目標(biāo)，應(yīng)積極投資可再生能源、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)和布局能源產(chǎn)業(yè)。也應(yīng)當(dāng)意識(shí)到現(xiàn)階段可再生能源投資成本高和不穩(wěn)定供應(yīng)的特征，政府應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)電力系統(tǒng)研發(fā)可再生能源以求降低投資成本和提高穩(wěn)定性。其次，提高消費(fèi)者對(duì)可再生能源的偏好，這對(duì)企業(yè)的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和收益均有益。

本文雖然研究了配額制和碳稅對(duì)可再生能源投資量的影響，但仍有幾個(gè)方向值得研究。第一，本文考慮可再生能源投資前的運(yùn)營(yíng)決策，可進(jìn)一步拓展到可再生能源投資后的運(yùn)營(yíng)影響；第二，本文考慮的是單個(gè)發(fā)電商和單個(gè)售電商組成電力供應(yīng)鏈，事實(shí)上可拓展到多個(gè)發(fā)電商競(jìng)爭(zhēng)的模式中；第三，本文考慮的單個(gè)政策對(duì)電力供應(yīng)鏈決策的影響，未來(lái)研究可以考慮組合多個(gè)政策對(duì)電力供應(yīng)鏈的影響，例如碳限額與交易機(jī)制和可再生能源補(bǔ)貼政策等。

附錄

注釋

① https://finance.sina.com.cn/roll/2019-09-06/dociicezzrq3818326.shtml.

② http://www.tanpaifang.com/tanguwen/2016/0105/49918.html.

③ http://www.china.com.cn/opinion2020/2020-12/23/content_77043416.shtml.

④ https://www.sohu.com/a/314338220_100252878.

⑤ https://www.sohu.com/a/351709891_436794.

⑥ https://www.sohu.com/a/379507405_468637.

⑦ http://www.chinapower.com.cn/dlxxh/zhxw/20200618/228 99.html.

⑧ https://news.bjx.com.cn/html/20201019/1110467.shtml.