配额制与碳税对可再生能源投资量决策影响的研究

2021-10-18马永开白春光蒲思睿

电子科技大学学报(社科版) 2021年5期

□陈威马永开白春光蒲思睿

[1. 成都理工大学成都 610059；2. 电子科技大学成都 611731]

引言

2010～2019年，中国在可再生能源投资金额高达7 580亿美金，位于全球之最①。2020年中国向全世界承诺2030年达到碳峰值，2060年实现碳中和。为了实现这一宏伟的目标，促进可再生能源的投资显得格外重要，因为电力市场是碳排放量最多的行业，电力行业约占全国碳排放量的一半②。投资具有零碳排放量的可再生能源，一方面满足社会对电力需求量，另一方面能大幅度地减少碳排放量。投资可再生能源带来的环境价值归社会所有，而投资成本是发电商承担，这势必会减少发电商投资可再生能源的积极性。

为了激励发电商投资更多的可再生能源，需要出台政策来内生化碳排放量的成本。目前电力市场大体存在两大类政策：一类是以市场为主的机制，如碳限额与交易机制；另一类是以政府强制为主的机制，如碳税和配额制。这两类机制存在两点区别：其一是以市场为主的碳限额与交易机制主要是通过价格达到碳减排的目标，而以强制为主的碳税主要是通过调整数量来达到碳减排的目标[1～2]；其二是从欧美电力市场的政策发展历史来看，他们早期采用碳交易与限额机制，而往后采用碳税或配额机制。中国目前已在实施了碳限额与交易机制，下一阶段很有可能是采取碳税和配额机制。事实上，开展碳税有利于我国能源结构的转型和经济发展方式的改变，碳税是我国未来实现碳减排的主要政策③。与此同时，我国已有部分地区实施了配额机制，例如北京电力交易中心和广州电力交易中心④。那么碳税和配额机制对电力市场运营的影响是值得探索的。

碳税就是对上游发电商的碳排放量收取税收。若发电商不对能源结构进行调整，继续采用传统能源生产电力，则需承担高昂的碳排放成本。因此发电商会积极地投资可再生能源。配额制就是对下游售电商实施配额制，即规定售电商须接受一定比例的可再生能源，否则需要购买相应的绿色证书。具体而言，若购买的可再生能源量没达到配额制的要求，则需购买绿证来满足；若超过配额制的要求，则可出售绿证来获利[3]。那么政府针对电力系统中不同主体实施不同的政策会对可再生能源投资量产生什么的影响，这不仅是工业界需要解决的问题，而且也是学术界需要探讨的问题。

本文侧重于碳政策对可再生能源投资决策的影响，那么与本文密切相关的主题有两部分，一是配额制，二是碳税。有学者从社会网络，优化，仿真和演化博弈等不同方向研究配额制与可再生能源的关系。例如，Li等运用政策网络理论，从网络主体、网络结构和网络互动等三个方面分析了利益相关者之间的互动关系，其结果显示政策网络的开放性和整合性应当根据不同配额制阶段做出变化[4]。李力等研究了配额制下发电商投资可再生能源的最优贯序决策，其结果显示较高的投资成本和较低绿证价格均不利于投资者[5]。Liao等从企业的视角分析配额制对企业决策的影响，通过随机规模模型得出企业购买绿证和购买可再生能源电量的最佳策略[6]。张鸾等采用多主体仿真研究了影响可再生能源消纳的因素，他们建议提高超额转让价格有利于提高消费者的消纳意识，其次提高交易频率更有利于可再生能源的消纳[7]。Wang等从中国南方发电、输电和交易角度研究配额制实现的最佳途径，对2016～2030年中国南方电网在配额制管制下可再生能源投资量进行优化，其结果显示南方电网应该优先投资风能，此外应该加大广东向西部购电的力度[8]。赵新刚等分析了配额制的参数对发电商行为演化的影响，其结果显示配额制的成功与否取决于单位罚金以及交易成本和边际成本差额，罚金较高和差额较小利于配额制的实施[9]。Zhu等分析了配额制对零售电力市场决策的影响，构建了一个政策规制者和两个售电商的三方演化博弈模型，其结果显示合理的绿证价格和可再生能源售电利润不低于传统能源售电利润时才能使得配额制运作下去[10]。本文与上述研究不同的是，首先本文考虑了可再生能源的间歇性和调度成本；其次本文侧重于配额制与碳税政策对可再生能源投资量的影响。

相应地，关于碳税对可再生能源投资量影响研究，例如He等针对发电商装机容量的问题，比较了碳税和碳限额与交易机制对可再生能源投资量的影响，其结果显示两种政策均有利于可再生能源投资量，且碳税更有利于可再生能源投资[11]。进一步地，Zhao等比较了碳税和碳限额与交易机制对风能投资的影响，其结果显示当碳税不低于30￥/t和碳价不低于40￥/t时，上述政策均能推动风能的投资[12]。Aflaki等针对可再生能源间歇性和可再生能源具有零碳排放属性，研究了碳税对可再生能源的投资量影响，其结果显示实施碳税反而不利于可再生能源的投资[13]。Kök等在已有传统能源设备上投资可再生能源和低碳排放传统能源，其结果发现碳税总是有利于可再生能源投资[14]。进一步地，Kök等研究补贴（负向碳税）传统能源对可再生能源投资量的影响，其结果显示补贴核能等非柔性传统能源有利于可再生能源投资，而补贴天然气等柔性传统能源不利于可再生能源投资[15]。他们的研究是补贴传统能源，而不是直接作用于可再生能源。与上述文献所不同的是，本文聚焦于配额制和碳税对可再生能源投资量影响的研究。

为了解决上述问题，本文构建由发电商和售电商组建的电力供应链，考虑可再生能源间歇性的属性，比较配额制和碳税等政策对可再生能源投资量的影响，并且分析了可再生能源比例对可再生能源投资量和电力需求量的影响。最后，通过数值分析进一步阐明不同政策对电力供应链企业决策的影响。

本文的主要贡献如下：（1）电力市场是碳排放量最多的行业，投资可再生能源是减少碳排放量的主要措施。基于此，本文分析了配额制和碳税等政策对可再生能源投资量的影响，识别在什么条件下选择配额制政策和碳税政策，这具有一定的现实意义。（2）除了Aflaki等[13]和陈威等[16]鲜有文献分析碳政策对可再生能源投资量的影响。本文与他们的文章存在以下不同，首先Aflaki等将可再生能源与传统能源的关系是互补关系[13]，而本文认为两者是替代关系；其次，陈威等侧重于碳限额与交易机制对可再生能源投资量的影响[16]，而本文聚焦于配额制和碳税对可再生能源投资量的影响，这进一步丰富了低碳领域和电力市场领域的研究。（3）本文发现当可再生能源比例较小时，配额制政策更有利于可再生能源投资量和电力需求量，而当可再生能源比例较高时，碳税政策更有利于可再生能源投资量和电力需求量；随着可再生能源比例的增加，可再生能源投资量和电力需求量均减少等结论，这对政策制定者和电力供应链参与者均有一定的管理意义。

一、模型假设

假设某地存在由一个作为领导者的发电商和一个作为追随者的售电商组成二级电力供应链，其中发电商投资可再生能源，售电商将电力出售给消费者。政府为了促进可再生能源的投资，制定配额制和碳税等两种政策。具体而言，配额制是针对售电商而言，要求售电商需含有一定比例的可再生能源，若没完成，则需购买相应的绿证，若超额完成，则可出售相应的绿证。可再生能源电力不仅是物理意义上的电力，而且也具备“金融”属性；碳税是针对发电商而言，发电商若采用传统能源发电需缴纳相应的碳排放量税。基于对上述政策的认知，本文做出如下具体的假设。

假设1：消费者的电力需求量不仅仅依赖于电价，而且也依赖于可再生能源的投资量，即对可再生能源具有偏好。这类既依赖于产品价格，又依赖于产品绿色度的情形，被广泛地应用在运营管理领域，例如Liu等[17]，Ghosh和Shah[18]，Xu等[2]和陈威等[16]，那么假设消费者的电力需求函数为：

假设2：可再生能源的投资成本与可再生能源的投资量有关。一般而言，投资量越高需要的成本越高，借鉴文献Menanteau等[19]和Chen等[14]，那么假设可再生能源的投资成本函数为：

二、模型分析

在配额制与碳税政策的背景下，政府将配额制实施与售电商和碳税实施与发电商的两类情形。为了区别上述两类情形，用和分别表示配额制和碳税政策下的均衡解。值得指出的是，为了保证海塞矩阵存在唯一解和决策变量非负性，后面的分析满足如下条件：

接下来，先分析配额制政策对电力供应链决策的影响。

（一）配额制政策

政府为了鼓励售电商多购买可再生能源电力，制定了配额制，即规定售电商须提供一定比例的可再生能源，这必然会影响电力供应链的决策。在此政策下，发电商先决策电力批发价格和可再生能源投资量；接着售电商决策电价。那么，在配额制下发电商与售电商期望利润函数分别为：

基于逆向归纳法，售电商先决策电价，利用售电商利润函数式(5)，可得均衡电价为：

然后，将式(6)代入式(4)中，利用发电商利润函数式(4)对可再生能源投资和电力批发电价进行一阶求偏导，并令其为零，可得均衡电力批发电价和可再生能源投资量分别为：

接着，将式(7)(8)代入式(6)(1)中，可得均衡的电力价格和电力需求量分别为：

最后，将式(7)(10)代入式(4)(5)，可得均衡发电商利润和售电商利润分别为：

（二）碳税政策

政府为了鼓励发电商投资可再生能源，实施了碳税政策，即针对发电商的碳排放量收取税收，这必然会影响电力供应链的决策。在此政策下，发电商先决策电力的批发价格和可再生能源的投资量；接着售电商决策电价。那么在碳税政策下，发电商与售电商的期望利润函数分别为：

基于逆向归纳法，售电商先决策电价，利用售电商利润函数式(14)，可得均衡电价为：

然后，将式(15)代入式(13)中，利用发电商利润函数式(13)对可再生能源投资和电力批发电价进行一阶求偏导，并令其为零，可得均衡电力批发电价和可再生能源投资量分别为：

接着，将式(16)(17)代入式(15)(1)中，可得均衡的电力价格和电力需求量分别为：

最后，将式(16)(19)代入式(13)(14)，可得均衡的发电商利润和售电商利润分别为：

三、模型分析

本节主要对上述政策下的均衡解进行敏感性分析和比较分析。具体而言：（1）可再生能源比例和可再生能源投资成本系数对均衡解的影响；（2）配额制和碳税政策下的均衡解的比较分析。

（一）敏感性分析

此部分识别了可再生能源比例和投资成本系数对均衡解的影响。具体而言：（1）可再生能源比例对均衡批发电价、可再生能源投资量、电价和电力需求量的影响；（2）可再生能源投资成本系数对均衡批发电价、可再生能源投资量、电价和电力需求量的影响。

（二）比较分析

此部分主要比较配额制和碳税政策下的均衡解。具体而言：（1）均衡可再生能源投资量的比较；（2）均衡电力需求量的比较。为了使得两种政策具有可比性，假设。有如下的命题。

命题6比较了配额制和碳税政策的电力需求量的大小，其结果显示当。上述结论表明不同碳政策下电力需求量大小取决于可再生能源比例的取值。由命题3可知，在配额制中，可再生能源投资量随着可再生能源比例的增加而减少，那么当可再生能源比例较小时，则发电商会投资较多的可再生能源来促进消费者购买更多的电力，因此相对于碳税政策而言，配额制更有利于可再生能源的投资；当可再生能源比例较大时发电商会减少可再生能源的投资量，因此相对于碳税政策而言，配额制投资更少的可再生能源。政府在考虑电力需求量时，应从电力系统的视角来考虑不同的碳政策对电力需求量的影响。

四、数值分析

为了更好地展示配额制和碳税对电力供应链企业决策的影响。接下来，采用数值分析的方式来进行阐述。主要有以下两部分：（1）对可再生能源投资量的影响；（2）单位碳排放量对利润的影响。

（一）对可再生能源投资量的影响

图1 可再生能源投资成本系数对可再生能源投资量的影响

图2 可再生能源偏好系数对可再生能源投资量的影响

图3 碳税对可再生能源投资量的影响

图4 绿证价格对可再生能源投资量的影响

（二）单位碳排放量e对利润的影响

此部分主要考察单位碳排放量对电力供应链企业利润的影响。首先固定外生参数，取，与此同时取的区间，通过分析图（5），有如下结论：

图5 单位碳排放量对利润的影响

图（5）表明随着单位碳排放量的增加，电力供应链的利润会减少，因为单位碳排放量的增加，意味着发电商承担更多的碳排放成本，表征为支付更多的碳税，故发电商的利润必然会减少。进一步地，发电商与售电商是同一个系统，发电商利润受到单位碳排放效率的影响，那么售电商利润也必然会受到影响。最后，发电商作为领导者因先行动而带来较高的利润，售电商作为追随者因后行动而带来较低的利润，这也解释了供应链企业存在争夺市场领导权的原因。

五、结束语

本文构建了发电商和售电商组成的二级电力供应链，考虑了配额制实施于售电商和碳税实施于发电商的情形，识别了可再生能源比例对可再生能源投资量的影响，比较了两类政策下的可再生能源投资量和电力需求量。得出主要的结论如下：（1）当可再生能源比例较小时，配额制政策更有利于可再生能源投资量和电力需求量，而当可再生能源比例较高时，碳税政策更有利于可再生能源投资量和电力需求量；（2）随着可再生能源比例的增加，可再生能源投资量和电力需求量均减少；（3）随着可再生能源投资成本系数的增加，可再生能源投资量和电力需求量均减少。（4）相对于碳税政策而言，配额制政策下的电力供应链企业的利润会更高。

本文对政策制定者和电力系统参与者仍有一定的启示。就政策制定者而言，在推行配额制的起始阶段应该设定较低的可再生能源比例以促使发电商能够投资较多的可再生能源，否则使用碳税来促进发电商投资可再生能源。同时，也应当意识到碳政策对电力需求量的影响，电力需求量是影响经济发展的主要因素，尤其是提高可再生能源比例会对电力需求量有所影响，政府应当慎重制定合适的可再生能源比例；就电力系统参与者而言，为了实现2030碳达峰和2060碳中和的目标，应积极投资可再生能源、调整能源结构和布局能源产业。也应当意识到现阶段可再生能源投资成本高和不稳定供应的特征，政府应当鼓励电力系统研发可再生能源以求降低投资成本和提高稳定性。其次，提高消费者对可再生能源的偏好，这对企业的能源结构调整和收益均有益。

本文虽然研究了配额制和碳税对可再生能源投资量的影响，但仍有几个方向值得研究。第一，本文考虑可再生能源投资前的运营决策，可进一步拓展到可再生能源投资后的运营影响；第二，本文考虑的是单个发电商和单个售电商组成电力供应链，事实上可拓展到多个发电商竞争的模式中；第三，本文考虑的单个政策对电力供应链决策的影响，未来研究可以考虑组合多个政策对电力供应链的影响，例如碳限额与交易机制和可再生能源补贴政策等。

附录