基于區(qū)塊鏈技術(shù)的聯(lián)合碳交易市場(chǎng)設(shè)計(jì)

彭琛， 王冰， 王福綿， 張勁峰

(1.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 儀征市供電分公司,江蘇 儀征 211404)

0 引 言

為了推動(dòng)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，我國(guó)將謀劃構(gòu)建碳達(dá)峰、碳中和的“1+N”政策體系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工業(yè)、農(nóng)業(yè)和服務(wù)業(yè)等各行業(yè)的綠色低碳發(fā)展[1]。其中，落實(shí)這一愿景的核心工具是建設(shè)合理規(guī)范的碳排放權(quán)交易市場(chǎng)。2021年7月16日，我國(guó)的碳交易市場(chǎng)正式上線交易，其中的碳產(chǎn)品主要有碳排放配額(carbon emission allowance,CEA)和中國(guó)核證自愿減排量(China certified emission reduction,CCER)兩類。首批參與碳交易的企業(yè)碳排放量超過(guò)45億噸二氧化碳，是全球覆蓋溫室氣體排放量最大的碳交易市場(chǎng)[2]。

為了保障交易過(guò)程的數(shù)據(jù)安全，一些學(xué)者在碳交易和電力交易等相關(guān)研究中引入了區(qū)塊鏈技術(shù)，該技術(shù)具有可追溯和數(shù)據(jù)安全不可篡改等特性[3]。文獻(xiàn)[4]利用聯(lián)盟區(qū)塊鏈技術(shù)，提出了多方參與的碳交易應(yīng)用方案。文獻(xiàn)[5]將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用在輸變電工程中，保障了輸變電過(guò)程中的數(shù)據(jù)安全。

但以上研究?jī)H考慮了發(fā)電企業(yè)和用電用戶之間的碳權(quán)交易，且多為企業(yè)之間進(jìn)行大批量交易，沒(méi)有將生產(chǎn)CCER的可再生能源企業(yè)和一些小批量交易考慮在內(nèi)。為了進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)減排項(xiàng)目的建設(shè)和發(fā)展，激勵(lì)可再生能源發(fā)電和林業(yè)建設(shè)等綠色技術(shù)的迅速增長(zhǎng)，進(jìn)而提高我國(guó)的減排效果，需要控排企業(yè)在選擇碳產(chǎn)品時(shí)首選CCER。本文基于上述研究，考慮利用區(qū)塊鏈技術(shù)首先進(jìn)行CCER的出清，然后將剩余未出清CCER和CEA進(jìn)行打包合并，最終達(dá)到市場(chǎng)內(nèi)CCER全部出清的效果，并保障交易過(guò)程的公開(kāi)透明性。

1 基于區(qū)塊鏈的聯(lián)合碳交易市場(chǎng)

為了使交易更加公開(kāi)透明，本文設(shè)定企業(yè)通過(guò)密封式報(bào)價(jià)的方式進(jìn)入交易平臺(tái)，與有意向的買(mǎi)家進(jìn)行連續(xù)雙向拍賣(mài) (continuous double auction,CDA)[6]，以達(dá)成交易。

聯(lián)合交易市場(chǎng)由CCER交易市場(chǎng)和CEA交易市場(chǎng)構(gòu)成，具體運(yùn)行機(jī)制如圖1所示。可再生能源廠商根據(jù)市場(chǎng)情況自行選擇出售的CCER與報(bào)價(jià)，控排企業(yè)則按需購(gòu)入CCER，并根據(jù)自身實(shí)際碳排放量在CEA交易市場(chǎng)中進(jìn)行出清和購(gòu)買(mǎi)。

由于CCER交易市場(chǎng)體系不完善，目前存在交易量和成交價(jià)格信息不透明等現(xiàn)象，導(dǎo)致控排企業(yè)參與CCER交易的門(mén)檻較高，部分控排企業(yè)會(huì)選擇放棄CCER交易而僅參與CEA交易，進(jìn)而導(dǎo)致CCER在交易周期內(nèi)有結(jié)余的CCER未出清。為了出清這部分的CCER，可考慮將其維持原價(jià)投入至CEA交易市場(chǎng)中進(jìn)行出清。

圖1 聯(lián)合交易市場(chǎng)運(yùn)行機(jī)制

2 聯(lián)合交易市場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型及合約設(shè)計(jì)

2.1 聯(lián)合交易市場(chǎng)中的CCER數(shù)學(xué)模型

可再生能源廠商獲得的CCER項(xiàng)目減排量由基準(zhǔn)線法計(jì)算。本文以風(fēng)力發(fā)電為例進(jìn)行建模，它的特點(diǎn)是減排量Etradition中只考慮基準(zhǔn)線減排量Btradition。而B(niǎo)tradition具體由所在地區(qū)的傳統(tǒng)化石能源發(fā)電廠產(chǎn)生的碳排放決定，其計(jì)算公式為[7]：

Etradition=Btradition

(1)

Btradition=Ethermal·Egrid,t

(2)

式中:Etheramal為該地區(qū)傳統(tǒng)化石能源發(fā)電廠的凈上網(wǎng)電量;Egird,t為該發(fā)電項(xiàng)目每產(chǎn)生1 MWh電力時(shí)產(chǎn)生的碳減排量。

2.2 聯(lián)合交易市場(chǎng)中的CEA數(shù)學(xué)模型

傳統(tǒng)化石能源發(fā)電廠的CEA主要采用歷史強(qiáng)度下降法進(jìn)行分配，即根據(jù)企業(yè)的歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)和排放量，計(jì)算其生產(chǎn)過(guò)程中的單位碳排放量，設(shè)定企業(yè)的CEA下降系數(shù)。CEA下降系數(shù)β將由本周期內(nèi)CCER的購(gòu)買(mǎi)比和企業(yè)上周期的CEA交易完成比q決定。具體計(jì)算公式如下：

(3)

式中：Qtotal為控排企業(yè)本周期內(nèi)獲得的CEA;Ei為第i臺(tái)機(jī)組的實(shí)際發(fā)電量;Qgird,i為第i臺(tái)機(jī)組每產(chǎn)生1 MWh電力時(shí)產(chǎn)生的碳排放量;β為該企業(yè)本周期的CEA下降系數(shù)。β的計(jì)算公式如式(4)所示。

β=(1-c)ω+(1-q)θ

(4)

式中:c為本周期內(nèi)該企業(yè)購(gòu)買(mǎi)CCER占CCER市場(chǎng)總體的比例;ω為CCER市場(chǎng)下降參數(shù)，由監(jiān)管部門(mén)根據(jù)CCER市場(chǎng)行情設(shè)定；q為該企業(yè)上周期CEA交易的完成比;θ為CEA市場(chǎng)下降參數(shù)，由監(jiān)管部門(mén)根據(jù)CEA市場(chǎng)行情設(shè)定。c和q的計(jì)算公式具體如下：

(5)

(6)

2.3 聯(lián)合交易市場(chǎng)的智能合約設(shè)計(jì)

聯(lián)合交易市場(chǎng)主要靠區(qū)塊鏈進(jìn)行信息交互，監(jiān)管部門(mén)負(fù)責(zé)部署智能合約的地址，各企業(yè)經(jīng)監(jiān)管部門(mén)審批后獲得相應(yīng)的CCER和CEA，可作為節(jié)點(diǎn)賬戶參與交易?；谥悄芎霞s的聯(lián)合交易流程如圖2所示。

符合條件的買(mǎi)方在同一交易周期內(nèi)會(huì)按報(bào)價(jià)Bq降序排列，賣(mài)方則按報(bào)價(jià)Sq升序排列。當(dāng)買(mǎi)方報(bào)價(jià)高于賣(mài)家時(shí)，買(mǎi)賣(mài)雙方按二者均價(jià)達(dá)成交易，交易量以買(mǎi)賣(mài)雙方中的較小者為準(zhǔn)。

各交易節(jié)點(diǎn)在合約執(zhí)行完畢后，將集中打包為區(qū)塊，并廣播至聯(lián)合交易市場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中供交易節(jié)點(diǎn)和監(jiān)管部門(mén)查看。

3 算例分析

3.1 參數(shù)設(shè)定

假設(shè)在同一交易周期內(nèi)CCER交易市場(chǎng)中有4位CCER出清者,有5位CCER購(gòu)買(mǎi)者。在CEA交易市場(chǎng)中有5位CEA出清者和5位CEA購(gòu)買(mǎi)者。

各廠商的交易信息如表1所示。其中CEA出清者F和CCER購(gòu)買(mǎi)者b是同一家廠商。

CEA購(gòu)買(mǎi)者g因企業(yè)的自身規(guī)模小，碳排放交易量一直都較少，而參加CCER交易還需額外繳納交易賬戶費(fèi)用，因此企業(yè)g選擇只在CEA交易市場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行交易。

3.2 仿真計(jì)算

參與聯(lián)合市場(chǎng)的19位廠商通過(guò)以太坊賬戶進(jìn)行私鑰加密，即可在智能合約的指導(dǎo)下進(jìn)行密封報(bào)價(jià)和匹配出清等操作。各節(jié)點(diǎn)可隨時(shí)使用getTransactionReceipt 函數(shù)獲取區(qū)塊鏈上的交易信息，如表2所示,從而保障交易信息的公開(kāi)透明。

圖2 聯(lián)合交易流程圖

表1 參與聯(lián)合交易市場(chǎng)的用戶

表2 CCER區(qū)塊鏈上的首筆交易

3.3 仿真結(jié)果分析

在本次聯(lián)合市場(chǎng)交易中，共發(fā)生了7筆CCER交易和11筆CEA交易。CCER交易具體如圖3所示。c-D(80,35)表示出清者c和購(gòu)買(mǎi)者D的最終成交量為80 t，成交價(jià)為35 元/t。在本次交易周期內(nèi)，參與交易的5位購(gòu)買(mǎi)者全部得到滿足，出清者B在CCER交易周期中出清了55 t，還有55 t未出清，出清者A在CCER交易周期中沒(méi)能出清。

CEA交易具體如圖4所示，在本交易周期內(nèi)，CCER出清者A和B將兌換等量的CEA并維持原價(jià)繼續(xù)出清，因此實(shí)際有7位CEA出清者。其中CEA出清者E在本交易周期內(nèi)僅交易了110 t，剩余55 t CEA將參與下一周期的交易。CEA購(gòu)買(mǎi)者F因在CCER市場(chǎng)中以35 元/t的價(jià)格購(gòu)買(mǎi)了100 t CCER，并在CEA

圖3 CCER交易市場(chǎng)出清結(jié)果

圖4 CEA交易市場(chǎng)出清結(jié)果

交易市場(chǎng)中以52 元/t的價(jià)格出清了等量的CEA，故在聯(lián)合交易市場(chǎng)中共獲得了1 700元的額外收益。

在本周期交易結(jié)束后，聯(lián)合交易市場(chǎng)中的CCER全部出清，CEA大部分出清，CCER資源和CEA資源有效地得到了整合。生產(chǎn)CCER的可再生能源廠商在聯(lián)合交易市場(chǎng)中出清效率得到了提高，避免CCER因購(gòu)買(mǎi)渠道單一，購(gòu)買(mǎi)者需跨平臺(tái)購(gòu)買(mǎi)而造成囤積現(xiàn)象，并可利用低價(jià)優(yōu)勢(shì)，輔助監(jiān)管部門(mén)調(diào)控CEA的市場(chǎng)價(jià)格，防止 CEA在特殊時(shí)段的惡意漲價(jià)。傳統(tǒng)化石能源發(fā)電廠則可通過(guò)購(gòu)買(mǎi)CCER，出售等量CEA的方式在聯(lián)合市場(chǎng)中獲得額外收益。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了提高CCER的交易效率，保障交易過(guò)程中的公開(kāi)透明，本文創(chuàng)新性地利用區(qū)塊鏈技術(shù)聯(lián)合了CEA和CCER兩類交易，利用CDA設(shè)計(jì)了聯(lián)合交易市場(chǎng)的交易流程，實(shí)現(xiàn)了去中心化、安全透明的碳交易。本聯(lián)合市場(chǎng)具有以下特點(diǎn)。

(1) 生產(chǎn)CCER的企業(yè)能更快地進(jìn)行出清，有利于推動(dòng)我國(guó)減排項(xiàng)目的建設(shè)和發(fā)展，激勵(lì)可再生能源發(fā)電和林業(yè)建設(shè)等綠色技術(shù)的迅速增長(zhǎng)。

(2) 控排企業(yè)可根據(jù)自身情況先購(gòu)買(mǎi)CCER，然后再出清等量的CEA，從而獲得額外收益。使碳產(chǎn)品能更靈活地流通，提高了各方的交易積極性。

(3)運(yùn)用智能合約與區(qū)塊鏈技術(shù)，保障了聯(lián)合交易數(shù)據(jù)的安全透明，方便了監(jiān)管部門(mén)的監(jiān)管工作，實(shí)現(xiàn)各方資源的最佳配置與利益最大化。