燃煤电厂碳捕集与封存技术改造投资的激励措施评价研究

张 贤 许 毛 樊静丽

(1.中国21世纪议程管理中心，北京市海淀区，100038；2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083)

★ 经济管理 ★

燃煤电厂碳捕集与封存技术改造投资的激励措施评价研究

张 贤1许 毛2樊静丽2

(1.中国21世纪议程管理中心，北京市海淀区，100038；2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083)

煤电在我国电力供给中长期占据主导地位，2016年燃煤机组装机容量占比超过57%。燃煤电厂的CO2排放量一直居高不下，碳捕集与封存技术(CCS)是实现燃煤电厂近零碳排放的重要途径。由于CCS技术尚未成熟，整体仍处于示范阶段，投资面临的不确定性较高，此阶段政府出台正确的激励措施尤为重要。采用实物期权方法并结合三叉树模型对CCS改造投资的激励措施进行探究评价，并提出相应的政策建议。研究结果显示，提高脱碳发电的上网电价能够对CCS改造投资产生较为明显的激励作用。提高碳价或对CCS改造前期成本进行补贴会产生一定的激励效果，但效果不佳。因此，政府可针对CCS脱碳发电制定合理的电价政策以促进CCS技术在燃煤电厂中的应用。

CCS改造投资 燃煤电厂 CO2减排 实物期权 三叉树模型

为应对和减缓气候变化，我国政府已经向国际社会做出了CO2减排承诺并制定了中长期的CO2减排目标：到2020年单位国内生产总值(GDP)碳排放在2005年的基础上降低40%～45%，到2030年降低60%～65%，CO2排放总量在2030年前后达到峰值。在落实减排工作时，电力行业首当其冲。目前我国的电力供给仍以火电为主，国家统计局公布数据显示，2016年我国火力发电机组装机容量约为1054 GW，占我国总装机容量的64%，其中燃煤机组装机容量为943 GW。根据国际能源署(IEA)统计，2014年我国能源相关的CO2排放总量约为86亿t，其中燃煤电厂的排放大约占50%。受到资源禀赋、能源安全等因素的影响，我国火力发电机组的装机容量占比和燃煤电厂的煤炭消费量在短期内难以实现大幅度调整。因此，在高碳能源结构和能源需求迅速增加的双重作用下，碳捕集与封存技术(CCS)已经成为我国减排技术组合中不可或缺的组成部分。

近年来，我国多个部委均对CCS技术的发展给予了高度重视。2013年，国家发改委印发《关于推动碳捕集、利用和封存试验示范的通知》，科技部发布《“十二五”国家碳捕集、利用与封存科技发展专项规划》并编制技术发展路线图。2016年，环境保护部发布《二氧化碳捕集、利用与封存环境风险评估技术指南》(试行)，国土资源部开展了应对全球气候变化地质调查研究工作，对CO2储存潜力评估与工程示范等进行了研究。此外，我国还积极与其他国家在CCS技术方面开展合作，如科技部组织实施了中欧燃煤发电近零排放项目。由此可见，在考虑大力发展可再生能源技术的同时，我国政府也在积极探索并示范能够实现煤炭等高碳能源低碳利用的碳捕集、利用与封存技术。但现阶段的主要问题在于，CCS技术仍处于示范工程阶段，燃煤电厂短期内也无法依靠CCS技术快速实现减排目标，CCS技术亟待政府出台有效的激励措施予以扶持。因此，探究并评价燃煤电厂实施CCS改造投资的激励措施十分有必要。本文对燃煤电厂CCS改造投资开展定量评价研究，以期为燃煤电厂CCS改造投资以及政府制定CCS技术发展规划提供决策支持。

1 文献综述

针对CCS改造投资，国内外学者展开了丰富的研究。在CCS改造投资评估方面，大多数学者关注的焦点主要包括：CCS改造投资成本，不同类型电厂进行CCS投资时其盈亏平衡点所对应的碳价，以及碳价、碳捕集技术、政策补贴等不确定因素对于CCS投资延迟的影响等。

由于受到政策因素、市场因素、技术因素等多种不确定因素的影响，CCS改造投资也面临着较大的风险和较高的沉没成本。传统的投资评估方法(如净现值法、现金流量法、内部收益率法等)针对此类投资有一定的局限性，忽略了其不确定性所带来的价值，因此无法反映出投资项目存在的潜在价值。针对此类带有较高风险的大型投资，较多学者采用的是实物期权法。

通过对以上文献的研究可以发现，碳交易、电价以及CCS改造前期投资成本等是影响CCS改造投资的重要不确定因素。因此，本文拟采用实物期权法，在碳价、电价以及CCS改造前期投资成本等多重不确定因素约束下，对我国燃煤电厂实施CCS改造投资进行效益评估并探究相应的激励措施。在进行效益评估时本文将采用北京碳交易试点的碳价数据(碳价数据在时间维度上较为连续)。

2 模型介绍

2.1 实物期权法

实物期权包含多种类型，如延迟投资期权、扩张期权、收缩期权等。为有效降低投资失败的风险，本文选用的是延迟投资期权。所谓延迟投资期权是指项目持有者有权推迟对项目的投资，在投资环境不佳或者投资者对于市场的信息掌握不够充分时，延迟投资期权可以降低当前立即投资所面临的风险。此时，总投资价值可表示为：

TIV=NPV+VDO

(1)

式中：TIV——总投资价值；

NPV——投资的净现值；

VDO——延迟期权所产生的价值。

2.2 三叉树模型

为提高分析结果的准确性，本文采用三叉树定价模型进行分析。假设碳价的波动服从几何布朗运动，假定在单位时间Δt内，碳价有3种变化状态，即上升、保持不变或下降，其对应的概率分别为Pa、Pk和Pd，碳价的涨幅及跌幅系数分别为a和d，得出以下公式：

式中：r——无风险利率；

v——历史碳价的波动率；

e——自然对数的底数。

2.3 净现值与总投资价值的计算

燃煤电厂CCS改造投资的净收益如下式所示：

(7)

式中：CCER——核证减排量，t；

PC——碳价，元/t；

Pw——燃煤电厂的单位发电纯利润，元/kWh；

Qe——燃煤电厂的年清洁电售电量，kWh;

Pe——火电上网电价，元/kWh；

Qr——因捕集CO2而损失的可并网发电量，kWh;

Cccs——CCS改造项目投资成本，元；

COM——CCS设备的年运行维修成本，元；

CDS——CO2的运输及封存量，t；

Ct——单位CO2运输成本，元/t；

Cs——单位CO2存储成本，元/t。

技术进步会降低CCS改造的投资成本以及设备的年运行维修成本。与国内外学者对CCS改造成本的研究类似，本文未考虑技术进步对设备年运行维修成本的影响，即假设设备年运行维修成本保持不变，而技术进步会使得CCS改造的投资成本逐年降低，即：

(8)

假设燃煤电厂寿命期为τ2，在t=τ1时进行CCS改造投资，捕集系统建设时间为1年，捕集系统于t=τ1+1开始投入使用，直到电厂寿命末。假设捕集系统设备的残余价值为0，则燃煤电厂CCS改造投资的净现值计算公式如下式所示：

(9)

式中：r0——基准折现率。

将各节点的净现值与零相比，取其较大者，即为该节点的投资价值IVN。以各节点的投资价值为基础，从延迟投资的最后期限开始向前逆推，直到最初时刻，即可求得延迟投资实物期权下各节点的总投资价值TIV(i, j)。计算公式如下式所示:

(10)

3 案例分析

3.1 参数设置

本文所选取的电厂为中欧煤炭利用近零排放合作项目Ⅱ期(CN-NZEC Ⅱ)示范工程电厂，机组类型为 200 MW亚临界机组，CO2捕集方式为燃烧后捕集，CCS改造前期一次性投资为50188万元，设备运行维修成本为3745万元/a，CO2捕集量为10万t/a。CO2运输及封存成本分别为100元/t、50元/t(这里假设捕集的CO2全部运输、封存)。根据北京市2013年11月-2016年9月的历史碳价数据，这里设初始碳价为50元/t，碳价波动率为0.0445，θ取0.0202，并假设燃煤电厂寿命及延迟期权年限分别为40年、10年。参考CN-NZECⅡ示范工程预可研报告和中国人民银行一年期定期存款利率，无风险利率和基准折现率分别取4.43%和5%。

3.2 结果分析

在当前碳价、燃煤机组上网电价以及CCS前期改造投资成本等多重因素的影响下，燃煤电厂进行CCS改造投资的净现值及总投资价值变化趋势如表1所示。此时，在10年延迟期内各节点的净现值均为负值，而总投资价值在各节点均为零(未列出)。这表明，在当前的政策环境下燃煤电厂不适合进行CCS改造投资。售电收入是电厂的主要收入来源，因此我们首先考虑改变CCS脱碳发电的上网电价，即CCS脱碳发电将分别执行光电、近海风电、潮汐风电以及生物质电能的上网电价，此时CCS改造投资各节点的最大净现值和最大总投资价值变化趋势如图1所示。

由图1可以看出，上网电价的高低会对CCS改造投资的收益产生本质性的影响，可以引发一种从量变到质变的效果。售电收入大幅增加，当预期收入足以平衡CCS改造的资本支出时，投资价值将由零变正。各节点投资净现值均为正，根据式(10)，此时总投资价值与投资净现值相同。根据延迟期权理论，不同上网电价水平下燃煤电厂CCS改造投资的投资决策如表2所示。

表1 延迟期权下燃煤电厂CCS改造投资净现值表 亿元

图1 不同上网电价水平下燃煤电厂CCS改造投资净现值及总投资价值变化趋势

同时，我们将碳价以及CCS改造前期投资成本这两项影响因素纳入考虑范围，进一步考察不同影响因素对于投资收益的影响程度如图2所示，据此为制定切实有效的激励措施提供量化依据。

由图2可以看出，电价上升对于CCS改造投资净现值有较为明显的促进作用，当电价增幅超过80%时，净现值将由负变正，此时投资价值也会由零变正，实现质变。CCS前期投资成本下降和碳价上涨对于CCS改造投资净现值的刺激作用较小，碳价的激励作用十分微弱。当碳价上升幅度达到100%时投资净现值增幅约为10%，仍为负值。对于捕集规模较小的电厂，碳价上涨无法有效促进减排收入的增加。

图2 上网电价、碳价及CCS前期投资成本敏感性分析图

4 结论与政策启示

4.1 结论

(1)在目前的碳价、电价、激励机制、技术水平等多重不确定因素的影响下，现有燃煤电厂不适合进行CCS改造投资，制定合理有效的激励措施十分必要。

(2)上网电价的变动对于燃煤电厂实施CCS改造投资的影响重大。当前燃煤机组的上网电价水平无法有力支撑燃煤电厂进行CCS改造投资。若CCS脱碳发电可与光伏、近海/潮汐风电、生物质等可再生能源享受同等上网电价，则CCS改造投资环境将发生质变。因此，对于CCS改造投资而言，提高脱碳发电上网电价是十分有效的激励措施，这将有利于CCS技术在我国的推广。但随着投资节点的延迟，其投资价值将会逐渐降低。

(3)当燃煤电厂的捕集规模较小时，即使碳价在现有基础上大幅上涨，也无法平衡燃煤电厂进行CCS改造投资的资本支出。因此，提升碳价可以作为激励措施，但其激励效果要根据电厂规模而定。

(4)CCS改造前期投资成本下降可在一定程度上缓解投资的成本压力，但仅依靠这一改变同样无法扭转燃煤电厂进行CCS改造后面临经营亏损的局面。因此，对于电厂而言，政府在CCS前期投资成本方面给予补贴难以起到良好的激励效果。

4.2 政策启示

CCS技术目前推广的进程较慢，主要是减排收入较低，导致市场投资信心不足，现阶段主要靠政府建立示范工程。在碳交易方面政府需加以引导，建立起完善的碳交易市场机制，切实有效促进CCS技术的发展和高碳行业减排。

此外，政府可针对CCS脱碳发电制定合理的电价政策以激励CCS技术的应用。在解决能源结构问题的同时更需注重平衡波动的能源需求，应在保证电力供给安全的前提下优化资源配置，统筹火电与其他能源的协调发展。

[1] IEA . Ready for CCS retrofit: The potential for equipping China's existing coal fleet with carbon capture and storage[R]. Paris， 2016

[2] Renner M. Carbon prices and CCS investment: A comparative study between the European Union and China[J]. Energy Policy，2014(1)

[3] Wu N, Parsons J E,Polenske K R. The impact of future carbon prices on CCS investment for power generation in China[J]. Energy Policy，2013(8)

[4] 张新华，陈敏，叶泽.考虑碳价下限的发电商CCS投资策略与政策分析[J].管理工程学报，2016(2)

[5] Rohlfs W, Madlener R. Investment Decisions Under Uncertainty: CCS Competing with Green Energy Technologies [J]. Energy Procedia，2013(37)

[6] 王素凤，杨善林，彭张林.面向多重不确定性的发电商碳减排投资研究[J].管理科学学报，2016(2)

[7] 张正泽.基于实物期权的燃煤电站CCS投资决策研究[D].哈尔滨工业大学，2010

[8] 张凌.基于延迟实物期权的不确定条件下矿业投资项目评价[J].管理现代化，2013(3)

[9] Abadie L M, Chamorro J M. European CO2, prices and carbon capture investments [J]. Energy Economics，2008(6)

[10] 凤振华.碳市场复杂系统价格波动机制与风险管理研究[D].中国科学技术大学，2012

[11] 孙欣.燃煤电厂二氧化碳捕集与储存技术[J].中国煤炭，2008(4)

[12] 中国21世纪议程管理中心.碳捕集、利用与封存技术：进展与展望[M].北京：科学出版社，2012

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

中国科协“高端科技创新智库青年项目”(DXB-2KQN-2016-046)，国家能源局重点项目(SHJT-14-66)

张贤，许毛，樊静丽. 燃煤电厂碳捕集与封存技术改造投资的激励措施评价研究[J].中国煤炭，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

张贤(1981-)，博士，副研究员，主要研究方向：低碳经济、能源与环境政策建模、CCS投资评价等。

(责任编辑 宋潇潇)