碳捕捉和儲存技術的選擇與政策激勵分析

黃超　楊茜　陳理飛

摘要：利用實物期權方法，分析了不同激勵政策對兩種碳捕捉和儲存（CCS）技術選擇策略的影響。研究結果表明：投資成本補貼優于運營成本補貼，且如果補貼較多，投資者會選擇新一代CCS技術，否則，投資者選擇現有CCS技術，并再伺機升級到新技術；市場不確定性的增加雖然能導致CCS投資延遲，但當其增大到一定程度，反而會促使CCS投資提前發生。

關鍵詞：碳排放；CCS；投資策略；政策激勵；成本補貼

DOI：10.13956/j.ss.1001-8409.2016.05.20

中圖分類號：F124.5 文獻標識碼：A 文章編號：1001-8409（2016）05-0091-05

Abstract：This paper analyzes the effect of different incentive policies on selecting strategy of two kinds of carbon capture and storage （CCS） technologies by the real option method. Results show that， the influence of the investment cost subsidy on CCS selection is better than one of the operation cost subsidy， and with the increasing of subsidy degree， investors will first select the new CCS technology， otherwise， they can select the old CCS technology， and then upgrade to the new one. Result also shows that， although increasing of market uncertainty can cause CCS investment delay， it also make it occur ahead of time when the uncertainty increases to a certain extent.

Key words：carbon emissions； CCS； investment strategy； policy incentive； cost subsidy

1 引言

目前，發展可再生能源發電和清潔發電等低碳技術已成為能源產業應對氣候變化、協調經濟發展與環境保護之間關系的主要發展模式，并創造了大量的投資機會。據國際能源署測算，約有41%的二氧化碳來源于發電過程，故電力行業應承擔更多的減排義務。事實上，多種低碳發電技術在過去十幾年里已呈現出較快的發展態勢，其中碳捕捉和存儲技術（CCS）越來越受到重視。因此，CCS的推廣和應用，對于促進電力產業與環境的協調發展具有重要意義。

目前，關于CCS的研究主要集中在CCS的發展與應用、CCS經濟性及CCS政策作用等方面的分析[1～4]，關于CCS技術投資的研究相對不多。現有研究中，Jana Szolgayova等在不同CO2價格上限情況下，通過期權模型，分析了是采用CCS技術改裝現有火電機組還是興建燃燒生物質燃料發電機組的投資選擇問題[5]，Kato M和Zhou Y利用期權方法探討基于CCS的燃煤機組取代老的燃煤機組問題[6]，Lei Zhu和Ying Fan比較了安裝和不安裝CCS火電機組之間的成本節約效應，研究了價格、政策等因素的不確定性對CCS投資的影響[7]，Reinelt和Keith、Abadie和Chamorro、Fleten和Nskkl均分析了CO2價格對CCS投資的影響[8～10]，Heydari等比較了電價、碳價、燃料價格對兩種CCS技術投資的影響[11]，Zhou等分析了碳價對中國CCS投資策略的影響[12]。不難看出市場的不確定性對CCS投資的影響是這類文獻研究的重點，而Fuss、張新華等在考慮市場不確定性情況下，進一步分析技術不確定性對CCS投資的影響[13，14]。

作為一種新技術，CCS的推廣與應用存在不少困難和障礙，許多文獻從宏觀角度研究政策對CCS技術發展的扶持作用，從微觀角度分析政策促進CCS應用的研究較少。與現有研究相比，本文不僅分析CCS政策的微觀激勵作用，而且還研究不同政策和不同CCS技術應用之間的激勵關系。

2 問題闡述和假設

在碳排放約束下，發電商可以通過投資CCS技術減少二氧化碳排放，并獲得減排收入，或者通過購買碳排放權（這里不考慮碳稅）來承擔相應的環境責任。如選擇前者，則會面臨著何時投資CCS的決策。市場背景下，收益最大化是發電商考慮問題的基本原則，毫無疑問，碳排放交易市場上二氧化碳價格是影響發電商收益的主要因素，而價格的不確定性使得投資決策更為復雜。同時，CCS技術本身也具有較大的不確定性，而為了促進碳減排和CCS的發展，政府往往出臺激勵政策，鼓勵發電商投資CCS技術，因此，CCS激勵政策又進一步加劇了投資決策的復雜性。

顯然，選擇一個合適的方法描述二氧化碳價格的變化規律至關重要。由于碳排放交易市場形成時間不長，缺乏相關數據，關于二氧化碳價格變化規律的相關研究較少。通常幾何布朗運動常被用來描述價格的長期波動情況，因而大部分學者均利用它描述二氧化碳價格的隨機變化情況[15]，本文也假設二氧化碳價格變化遵循下面的幾何布朗運動：

dP（t）=αP（t）dt+σP（t）dw（t）（1）

其中，P表示二氧化碳價格，α和σ分別是漂移參數和方差參數，dw是標準維納過程增量。

對于技術因素，本文假設有兩種CCS技術可供選擇，即現有技術和剛面世的新一代CCS技術（以下稱新CCS技術），相比于現有CCS技術，假設新CCS技術取得重大突破，捕捉效率有顯著改善，令c1、c2、φ1、φ2分別為現有CCS和新CCS技術的運行成本與捕捉效率，并設c2

由于CCS技術成本較高，發電商投資CCS具有較大風險，需要政府給予一定的激勵，本文考慮投資成本和運行成本兩種成本補償機制。如果發電商投資CCS，投資成本和運行成本分別為Ii和ci（i=1或2，分別代表現有CCS技術和新CCS技術），則發電商將會獲得ηIi或ηci數額的成本補償，η為補償因子，隨著時間的推移和技術的發展，η也具有可變性。

在市場背景下，當碳價較低和CCS成本較高時，發電商購買碳排放權是首選策略。但從長遠看，碳排放權是稀缺資源，發電商購買成本會越來越高，且隨著技術進步，CCS技術的成本也會逐漸下降。因此，投資低碳技術將會是發電商的最終選擇。至于何時投資和選擇何種技術，則是發電商面臨的具體問題。

3 CCS投資模型

顯然，發電商擁有三種投資策略：第一種是僅投資現有CCS技術；第二種是僅投資新CCS技術；第三種是先投資現有CCS技術，然后再投資升級到新CCS技術。究竟采用哪種策略取決于該種策略投資價值的高低。令這三種策略的價值函數依次為V1（P）、V2（P）和V3（P），下面對三種投資策略進行深入分析。

3.1 第一種投資策略——投資現有CCS技術的投資價值

式（12）中第一行表示連續實施第一階段和第二階段投資所得到的投資價值，第二行中第二項為升級期權，其余幾項為投資現有CCS所得到的現金流現值，第三行為復合期權價值。不難發現，P11=P1和A11=A1，這表明第三種策略中第一階段現有CCS的投資規則不受第二階段升級投資的影響。

4 CCS投資模型分析——最優投資策略的選擇

新CCS技術的面世，可能會對現有CCS技術造成沖擊，迫使I1下降，同時，國家為鼓勵采用效率更高的新技術，也會提高對新技術的補貼，甚至還會降低或取消對現有技術的補貼。下面以投資成本補貼政策為例，根據I1和η在新CCS技術出現后是否變化，對投資策略進行分析。

4.1 現有CCS技術投資成本I1和激勵政策η保持不變時的最優投資策略

從式（4）和式（12）可知V3（P）>V1（P），故第一種策略不可取，下面僅討論第二種和第三種策略。令Y（P）=V3（P）-V2（P），Y（P）是一個分段的連續函數，根據Y（P）的性質以及P2與P11之間關系，可以證明下面兩個關于最優策略的定理成立。

一般而言，由于新技術投資成本較高，其投資門檻也較高，但如果新技術所產生的收益足夠大，有助于投資商早日收回投資成本，則投資門檻也會有所下降，投資商無需等待，可以盡早直接進行一次性大批量投資，反之則需采取等待策略或先少量投資再追加投資的策略。定理一論述了前一種情況，而定理二屬于后一種情況。

5.1 兩種CCS技術的投資價值分析與比較

圖1反映了投資價值與碳價之間的關系。圖1a表明升級成本相對較高情況下，第二種策略較優，圖1b則顯示升級成本較低情況下，碳價較低時，第三種策略較優，否則第二種策略占優，這主要是由于升級成本較低會激勵發電商選擇第三種策略，并在碳價較低時先投資現有CCS技術，但碳價較高時（P≥P），則會直接投資新CCS技術，因為第三種策略的總投資成本畢竟要高于第二種策略的投資成本。

實際上，第三種投資策略可視為第二種策略的一個特例，即先投資現有CCS技術，再升級到新CCS技術，雖然投資總成本較高，但也帶來兩個好處，一是獲取投資收益的時間提前，二是通過分步投資降低投資風險。

5.2 投資成本補貼政策對CCS技術投資策略的影響

新CCS技術面世后，將會對現有CCS投資成本產生沖擊，同時，政府也會為推廣新CCS技術的應用而加大對新CCS技術投資的補貼力度。假設現有CCS投資成本下降為I1=3000元/千瓦，保持其他參數不變，圖2反映了政策激勵的變化對投資策略的影響。

從圖2可以看出，現有CCS投資補貼政策不變，P11也保持不變，而新CCS的投資閾值P12則呈現緩慢下降趨勢，變化較為明顯的是P，P隨η的增加而明顯下降。由于P是V2（P）和V3（P）的交點，也是最優策略由第三種策略演變為第二種策略的起始點，P的下降說明隨著補貼激勵的增強，發電商越來越傾向于選擇第二種策略，且實施第二種策略的時機變為max（P，P2）。同時，也發現隨η的繼續增加，P趨向于零，則V2（P）和V3（P）只有一個交點——零點，此時V2（P）和V3（P）的關系就如圖1a所示，第二種策略始終占優。這充分表明政府加大激勵程度有助于降低投資的不確定性，有利于新技術的采用和擴散。

5.3 不同激勵政策對CCS技術投資策略的影響

圖3中曲線PI和Pc分別反映投資成本補貼η和運營成本補貼ηc對投資策略的影響。由圖可見，一次性的投資成本補貼政策對發電商的投資激勵作用較強，且隨著投資成本激勵程度的增強，發電商越來越傾向于選擇第二種投資策略（當然還需滿足PI

圖3也顯示η較大時，PI趨向于零，表明第二種策略也始終是最優的選擇。另外，曲線Pc輕微向上傾斜，說明ηc的增加反而促使發電商趨向于選擇第三種策略，這是因為本算例中運營成本c1高于c2的緣故。而c2>c1時，ηc對投資新CCS技術有較強激勵作用，圖4中P曲線向下傾斜的情況就證明了這種情況，由于c2與c1相差不大，這種影響不太明顯，P曲線向下傾斜的力度不大（圖3中情況亦是如此）。

5.4 市場不確定性對CCS技術投資策略的影響

市場背景下，碳排放市場的不確定性導致碳價變化具有一定的隨機性，圖5反映碳排放市場的不確定性對不同投資成本補貼情況下CCS投資策略的影響。由圖可見，隨市場不確定性的增大，即σ值增加，P呈現上升趨勢，表明發電商更趨向于選擇第三種策略，因為分階段投資有助于降低投資風險。但是，當σ增加到一定數值時，P會直線下降到零，表明第二種投資策略始終是最優，這是因為較大的σ值雖然既能使碳價上升到一個更高的價位，也能使碳價下降到一個更低的價位，但從式（1）可知，碳價還具有一個穩定上升的趨勢，因而較大的σ值使得碳價上升到更高價位的可能性較大，從而使得直接投資捕捉效率較高的新CCS技術投資收益也較高，在一定程度上彌補了選擇第二種策略所產生的高風險。從圖5還可發現，當投資成本補貼較大時，發電商會傾向于選擇第二種投資策略，這種現象與圖2和圖3的情況是一致的，這兒不再贅述。

6 結論

隨著環境保護意識的增強，CCS技術越來越受到人們重視和應用，但高昂的投資成本成為阻礙CCS應用的主要因素。本文在碳排放交易背景下，從成本補貼角度出發，分析了不同激勵政策對兩種CCS技術投資策略的影響，研究表明，當投資成本激勵程度較大時，發電商會優先選擇投資新技術，且激勵程度越大，投資新技術的時機越早，反之則會首先選擇投資現有技術，然后再伺機升級到新技術；另一方面，運營成本的激勵效果需視CCS技術運營成本而定，如新技術運營成本高于現有技術，則運營成本激勵程度的增強能夠促進發電商選擇新技術，否則選擇現有技術。同時，研究還表明，投資成本激勵政策要優于運營成本激勵政策，因此，為促進CCS技術發展和應用，政府應強化對CCS技術投資成本的激勵。

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（責任編輯：何 彬）