企業綠色技術創新不確定條件下碳達峰路徑優化研究

鄔 龍 遲遠英 王振宇

（北京工業大學經濟與管理學院，北京 100124）

如何促進最優的碳達峰、碳中和路徑實現是各國關注的熱點問題。企業綠色技術創新行為是實現減排目標的重要推動力，在碳排放峰值目標約束下，很多企業已經開始響應并根據自身實際情況開展了相關行為，如中國華能對靈活智能燃煤發電技術進行研發，國際上首次改造應用低壓缸零出力技術，并研發碳捕集、存儲與利用技術提升技術經濟性；中國寶武2021年發布的減排目標表明在年內發布低碳冶金路線圖，2025年具備減碳30%工藝技術能力等；比亞迪在2021年2月宣布啟動企業碳中和規劃研究……綠色科技創新能從能源結構優化、降低碳排放強度、促進產業結構調整等路徑支撐碳達峰和碳中和目標的實現［1］。

當前研究較多從宏觀產業層面分析綠色技術創新的效果，然而，面對碳排放約束，具有相同或不同資源稟賦和偏好的企業也有著各異的綠色技術創新行為，這使得實現相同的碳減排總量目標會出現不同的路徑。綠色技術創新作為一項投資活動，一旦成功能使企業更有效率地降低生產排放，為企業帶來巨大的未來盈利和競爭力，但是這一過程同樣也伴隨著高不確定性、高投入和高風險。企業過早或過晚采納新能源技術均不利于經濟可持續發展，前者低估了碳減排的難度，沒有考慮到現有能源系統中化石能源的占比；而后者過分推遲綠色技術創新的時間會產生嚴重的“路徑依賴”和巨大的 “沉沒成本”，如較多存量傳統發電機組提前關停產生資產擱淺的成本［2］。因此，本文從這一微觀視角出發，分析企業綠色技術創新投資決策的形成機制，探索不同因素影響下企業綠色技術創新投資決策的動態變化，以期從微觀視角探索如何利用綠色技術創新更好實現碳達峰、碳中和等目標。

1 文獻綜述

1.1 企業綠色技術創新行為的特征

企業綠色技術創新行為是通過對環境友好的綠色產品和生產工藝研究開發與應用，來實現整個產品生命周期的綠色化，達到經濟效益和環境效益的 “雙贏”［3］。當前，在碳達峰／碳中和、碳市場、生態文明建設、減排政策等熱點實踐問題中，企業綠色技術創新行為的重要作用均被廣泛提及。在實現碳減排的路徑中，企業綠色技術創新行為能通過低碳、無碳能源的開發利用和加強低碳材料、產品和技術的研發推廣等方式降低排放強度，也能通過工業低碳化、高技術化轉型等方式調整排放結構［4］。在大部分文獻中，企業綠色技術創新行為關注的是企業綠色技術創新投資，選用的指標包括綠色技術研發和設備購買的費用支出、新產品開發經費等［5］。另一個關注的行為是企業對綠色技術的選擇，如對不同可能的技術集合，企業會選擇繼續原有傳統技術還是新能源技術等。Tsai等［6］從投資成本角度進行分析，零售供應企業通過投資成本和收益進行判斷來決定是否采納一項新技術；動態的技術選擇研究中，Farzin等［7］將企業決策描述為動態過程，當技術發生一次改進后企業重新進行技術采納決策；此外，還有學者專門研究企業技術創新行為的時機［8］、創新資源獲取行為［9］等，以及發行綠色證券等企業用于綠色投資的具體業務行為［10］。綜上所述，擁有不同資源稟賦和偏好的企業，采納何種技術、技術采納的時機，以何種技術水平實現排放限額約束等均有所不同，因此需要對其行為機制進行深入研究。

1.2 企業綠色技術創新行為的形成及演化機制

技術創新作為一項企業的投資行為，大量學者采用實物期權的視角來研究，相比傳統NPV等方法更能描述經濟不確定下的企業決策行為［11］。早期的研究是在單一寡頭企業市場假設下，為了將多個企業競爭合作、先發企業知識溢出等對投資時機提前或延后的影響進行考量，以Weeds［12］為代表的學者將展現博弈模型和實物期權模型相結合，采用期權博弈模型對多個企業創新投資決策進行研究，如Mason和Weeds［13］構建的雙寡頭期權博弈模型中考慮投資回報的不確定，不確定性的增加會促使領先者加速投資；Lavrutich和Maria［14］得到了類似的結論，由于潛在競爭者可能出現占有部分份額，這會提高企業投資動機以避免被擠壓出市場。翟東升等［15］國內學者也采用該方法研究了技術不確定性對企業最優投資決策的影響。對于綠色技術創新，由于相比一般技術創新其成本更高、周期更長、風險更大，且受到外部環境規制等因素的影響更大。聶麗和張利江［16］構建了政府和排污企業在綠色技術創新中的演化博弈模型，數值仿真結果表明監管力度、監管成本和創新成本是影響演化博弈行為的關鍵因素，在沒有高力度監管時無法達到理想的穩定均衡狀態。Sendstad和Chronopoulos［17］認為綠色投資由于金融工具的缺乏難以采用風險中性假設，因此在發電企業綠色技術創新期權博弈模型中加入風險厭惡型效用，并考慮電價不確定性的影響。此外，還有考慮治污成本、處罰額、環境稅等對企業綠色技術創新行為的影響［18，19］。

綜上所述，企業綠色技術創新行為的形成機制研究與一般技術創新研究類似，也可簡化為兩個或多個企業對技術A或B的期權博弈分析模型，但綠色技術創新投資中各類新技術發展不確定性較大，每一時刻企業對各類技術收益預期的不同對企業決策的影響更為明顯。此外，在技術不同發展階段企業會產生連續的決策變化，如企業為搶占市場而跳過（Leapfrog）現有較成熟技術，直接投資不確定性更大的新技術。然而這些綠色技術創新投資行為的特點在現有研究中較少體現。因此，本文建立一個企業綠色技術創新行為的期權博弈模型，分析不同技術預期收益不確定下企業投資決策的變化特征，以期完善碳達峰、碳中和路徑中企業綠色技術創新行為的形成機制研究。

2 問題描述及模型建立

本文假設市場上存在兩個風險中性的理性企業，同時有機會對市場中存在的兩種可能生產技術｛Techi：i＝1，2｝進行投資Ii，i＝ 1，2， 其中技術1對應低投資風險、低收益的成熟技術，如對現有技術進行低碳改進，技術2對應高投資風險的新技術，如當企業對技術2進行不可逆的投資I2后，技術研發成功的概率服從參數為h的泊松過程，企業面臨相同的無風險利率r。企業對不同技術可能的投資行為特征如圖1所示。

圖1 企業綠色創新行為狀態轉移過程

碳達峰和碳中和路徑中各類低碳技術的成本有著復雜的演化過程且受諸多因素影響，這影響了企業采納一項技術并投資的決策，進而在宏觀上出現了復雜的低碳演化路徑。越來越多的學者及政策制定者呼吁在能源系統和政策建模過程中更好地考慮和展示技術的不確定性［20］。企業感知綠色技術的不確定性體現在兩個方面：（1）技術到達的不確定，即開始投資后從無到有地研發成功或失敗；（2）技術收益的不確定，如技術符合未來市場需求而收益提升、某項儲能關鍵材料突破使得一類發電技術成本大大降低等。對于前者，投資開始后研發成功的概率服從參數為h的泊松分布；對于后者，將該項技術所帶來的排放強度降低、總排放量一定下產出更高等收益以一個簡化的技術價值V（省略時間下標）表示，為表達技術的不確定性，假定V服從幾何布朗運動：

其中漂移率α＜ρ代表技術的期望增長率，dz為維納過程增量，σ為波動率。

3 企業綠色技術創新行為的決策機制

3.1 基準情景：單一企業綠色技術創新行為

先考慮單一企業不存在競爭的情景，由于不同綠色技術創新并不需要順序進行，以企業對技術2的投資決策為例，該問題簡化為如下最優時停問題：

其Bellman方程為rFdt＝E（dF）， 由 Ito引理改寫等式右端，則Bellman方程變為：

由特征方程和邊界條件F（0）＝0解得：

最優投資時機為T*＝inf｛t≥0：V≥V*｝。

3.2 兩企業綠色技術創新行為

為討論多個企業競爭是否會對企業綠色技術創新行為產生影響，在兩企業情景下對模型進一步擴展，假設對于同一技術追隨者會在領導者投資后的某個時點進行投資，以下分別對追隨者和領導者的綠色技術創新投資策略進行分析。

3.2.1 追隨者

從結果可以看出追隨者函數等同于單一企業情形中用r＋h替代r的情況。同理，由馬爾可夫過程的無后效性，當追隨者和領導者兩者共同投資時，等價于單一企業在成本為2I和泊松過程參數為2h時進行決策，與上節類似，投資的臨界值和在停止區域投資的期望價值F1C（Vt）分別變為：

3.2.2 領導者

當領導者決策進入停止區域開始投資后，追隨者在時的行為會影響領導者的期望收益。因此，在領導者投資決策的停止區域其期望價值為：

即領導者價值函數中包含跟隨者投資前和投資后兩個部分，當V≥時等同于領導者面臨追隨者可能在時間dT內研發成功，因此期望價值與上一節F1（Vt）相同； 當V＜時除了領導者獨自研發所獲得凈現值外，追隨者潛在的進入可能會造成價值損失，根據Weeds［12］的研究，這一價值損失的形式為，由價值匹配條件可以解得系數領導者價值函數為：

對于和的關系，由于領導者的投資時點嚴格早于追隨者，先投資的一方即成為領導者，企業可以 “持有”期權至時刻同時投資，也可以在該時刻前為搶占市場而搶先投資成為領導者。根據前述模型推導和 Weeds［12］的引理4，兩企業投資價值的關系如圖2所示，在（0，）區間即博弈初期，提前投資更有可能率先研發成功獲得新綠色技術的減排收益，但過早在技術收益較低的區間投資會使在此時刻之后投資的追隨者有更高的收益，表現為領導者價值曲線在這一區間處于較低位置。因此與單一企業情景類似，企業均不采納處于發展初期的新技術而選擇等待以期獲得較高的價值收益。在（0，）區間存在FL（V）＝Ff（V）的點即為，此時企業均為爭當技術領導者而開始投資行為，除非在這一區間技術收益V達到同時投資的臨界點，否則在點之前的點即開始投資。這在一定程度上解釋了現實中企業綠色技術創新行為的特征。如氫儲能技術有著極大減排潛力，當前雖不具有成本收益優勢但企業為了先于競爭對手形成競爭力，在技術發展初期，豐田、本田、現代等汽車企業就開始研發氫燃料電池技術，中國在2006年就建成了第一座汽車用永豐加氫站，并在氫儲能相關的投資、汽車、燃料電池系統、物流、加氫站、氣體制造等全方面展開了布局。然而由于在儲存和運輸成本等方面仍有較大瓶頸，因此仍未達到大規模共同研發的收益臨界點（如圖3（a）示意圖所示）。如若某項新綠色技術在發展初期實現技術突破或成本大幅下降，提前超過收益臨界點，則該技術可能很快被大量企業采納，出現大批企業同時進入市場的情形（如圖3（b）示意圖所示）。

圖2 兩企業價值函數

圖3 不同技術收益發展趨勢示意圖

3.3 企業綠色技術創新跳躍行為

本文將企業綠色技術創新跳躍行為定義為：當企業面臨兩項不同綠色技術，一項為已有其他企業投資的較成熟技術；另一項為不確定性較高的新技術，企業可能會跳過（Leapfrog）現有較成熟技術，直接投資另一項新技術［17］。討論企業是否會出現跳躍行為可轉化為分析第一項技術的追隨者投資到達臨界點時，第二項技術是否存在其中不等式左側表示企業作為第一項技術中跟隨者的價值函數，右側表示第二項技術中作為領導者的價值函數。如圖4所示，雖然技術2研發風險和投資成本更高，且在發展初期通常減排收益較低（V2＜V1），但隨著時間推移企業可能逐漸失去領導者先機，領導者投資價值逐漸降低，因此，企業會在技術2收益達到一個較低的閾值時就開始占先投資［15］，表現為比更早到達。

圖4 兩技術投資決策閾值對比

通過數值模擬對上述過程進一步直觀闡述，仿真算例參數取值如表1所示。假定技術1為一項較成熟的綠色技術，企業對其進行投資的預期減排收益增長較小，但不確定性和所需投資成本較低；技術2在當前時刻減排收益相對較低，尚未被其他企業采納。

表1 仿真算例數值參數

圖5中根據設定參數隨機生成了兩技術收益的隨機過程數值如V1和V2曲線，技術1的追隨者投資臨界值＝34.3426，此時技術2的收益仍處于較低水平。然而，在這一時刻技術2的領導者投資價值在這一情況下企業不會對技術1進行投資，而是跳過這一技術搶先對技術2進行投資，以避免其他企業先于自己研發成功。因此，在各類新能源技術不確定發展的初期，即使某些關鍵技術瓶頸尚未突破，很多企業仍會根據自身判斷選擇某一可能有較好發展前景的技術進行占先投資，以期實現 “彎道超車”。反之，若在技術1達到追隨者投資臨界點時技術2的投資價值更低，表明即使考慮到對技術2獲取技術先行優勢，也仍未達到投資閾值，此時企業會選擇成熟技術成為追隨者，不會產生綠色技術創新跳躍行為。

圖5 兩技術投資價值變化的算例分析

4 結 論

綠色技術創新是實現碳達峰、碳中和的重要途經，企業對不同綠色技術的選擇和投資行為最終會表現為各類技術不同的發展軌跡和技術占比。本文建立了一個企業綠色技術創新行為的期權博弈模型，對兩種不同的發展前景、不確定性程度和投資成本的綠色技術，分析企業最優投資決策的動態變化。所得結論如下：

（1）綠色技術不確定發展影響企業投資時機。新的綠色技術有著更高的預期減排收益，但其收益波動大、研發成功率低，且需要更高前期投資成本，因此投資臨界點可能會更晚到達。而考慮到競爭對手可能先于自己研發成功，企業也會為了占有先機而在收益較低的時刻對新技術進行投資。因此，在碳達峰路徑前期綠色技術創新的減排效應可能表現為，企業會對各類新減排技術進行前瞻投資，但較高的不確定性仍然會使企業大量對現有技術進行改進增加容量，實現減排目標更多依賴規模減少和結構調整。這會在減排路徑后期技術成熟度提升后，企業喪失先發優勢并出現舊技術仍有較多落后產能而造成大量 “擱淺資產”出現等特征。本文結論為后續減排技術替代路徑研究提供了微觀分析視角。

（2）當收益率先到達兩企業同時投資臨界值時，兩企業會對一項技術進行同時投資，否則企業為爭當領導者會在更小的臨界點進行投資。這一定程度解釋了現實中不同綠色技術的演化特征，一些技術在發展初期由于關鍵技術突破等率先達到共同投資收益臨界點，因此同時被大量企業所采納；另一些技術前期僅有少數企業進行率先研發最終形成少數企業占據主導地位的特征。因此，政府應選擇減排技術發展路徑中有前景的綠色技術，對早期關鍵瓶頸技術的突破重點扶持，加快企業技術采納和合作創新的進程。

（3）企業面臨一項成熟技術作為追隨者和一項不確定性更高的新技術作為領導者的投資選擇時，即使新技術當前收益低于成熟技術，當領導者價值函數值大于追隨者價值函數時，企業會跳過成熟技術而率先選擇新技術進行投資。在現實中企業有著不同的資源稟賦和風險偏好，對各類綠色技術有著不同的收益預期和不確定性感知，因此會有不同的技術采納和投資行為。各類企業的這些交互在宏觀上表現為減排路徑中技術創新效應的差異，這些更細化的主體技術采納行為機制研究是本文后續研究的方向。