区域电力碳排放权初始分配模型

2016年第1期 sci。n。e a d Te盏臻 。m。 t R 。盯。h 2016N。．1 doi：10．3969／j．issn．1000—7695．2016．01．041 区域电力碳排放权初始分配模型 陈 勇 ，王济干 ，张 婕 (1．江苏省电力公司，江苏南京 210024；2．河海大学商学院，江苏南京 211100) 摘要：区域电力碳排放权初始分配是将区域所获得的电力碳排放权总量分配给区域内的各个发电集团的过程。 考虑效益原则、优化电源结构原则以及利于国家电力行业政策实施原则，构建包括机组分配与电厂集团分配的 两步骤电力碳排放权初始目标规划分配模型。对江苏省2015年以及2020年的电力碳排放权进行实证分析，分配 的结果合理、科学，说明模型的有效性与适用性，可以为江苏省2015年和2020年的电力碳排放权分配实践提供 基础方案。 关键词：电力碳排放权；初始分配；电厂集团；目标规划 中图分类号：X321 文献标志码：A 文章编号：1000—7695(2016)01—0229—06 Initial Allocation Model of Regional Carbon Emission Rights of Power Industry CHEN Yong 一，WANG Jigan ，ZHANG Jie (1．Jiangsu Electric Power Company，Naming 210024，China； 2．School of Business，Hohai University，Nanjing 21 1 100，China) Abstract：Regional carbon emissions initial allocation of power industry is the process that distributes the total carbon e— missions to each regional power group corporation．Considering the benefit principle，the principle of optimizing the power structure，and the principle of implementing the electric power industry policy，the two—steps goal programming allocation model including unit distribution and power group distribution was established．The carbon emissions initial allocation of Jiangsu Province in 2015 and 2020 was taken to empirical analysis．The result iS reasonable and scientific．which illustrates the effectiveness and applicability of the model，and can provide the allocation scheme for the practice of carbon emission rights allocation． Key words：carbon emission rights of power industry；initial allocation；power group corporation；goal programming 排放权是指权利人在符合法律规定的条件下向环 境排放污染物的权利。Thomas等对碳排放权进行了界 定，认为各成员国为了达到碳排放总量控制的目的，在 实施的经济手段和国家减排指标控制下，碳减排企业所 享有的规定额度的碳排放量的权利 J。电力碳排放权 是在确定电力系统碳减排目标的前提下，受某区域环境 容量和经济发展需要等因素影响，尤其是电力生产行业 特有的特点的影响，各电力生产碳排放主体所获得的温 室气体的排放权，即其享有碳排放量的使用、占有和收 益的权利。电力碳排放权分配包括将电力碳排放权分配 给国内的每个行政区域以及每个行政区域将其所获得的 电力碳排放权分配给各个行政区域内的电厂集团两个过 程。本文主要研究将电力碳排放权分配给各个行政区域 内的电厂集团过程。 目前，国际上对发电企业进行碳排放分配主要有 两种模型：一种是基于发电量的排放权分配方式，即排 放限额与发电企业的发电量成正比。这种分配机制将会 减少漏排现象的发生，但是在这种分配方式下，发电企 业会因为其较低的碳排放量而得到过多的额外补贴，而 那些碳排放量很高的企业则会付出过高的成本代价。另 一种分配模式是基于发电类型的碳排放分配方式，该种 分配方式是基于公平性考虑，由加州公用事业委员会 (California Public Utilities Commission，CPUC)提出 的 J。两种分配方式各有利弊，当该电力公司所分得 的碳权总量小于电力行业的限额时，按发电量分配碳排 放权比较适合这些电力公司，而且电力公司还可以将满 足生产所剩下的碳排放权配额在碳交易市场中交易，以 获得额外的收入；与之相反，当电力公司所分得的碳排 放权总量大于行业限制排放的限额时，基于发电类型分 配碳排放权比较适合电力公司。当碳排放总量超过排放 限额时，可以从排放权交易市场中购买额外的排放额 度。以江苏省电力碳排放权初始分配为例进行实证研 究，以提出合理、有效的2020年江苏省电力碳排放权 初始分配方案，为电力碳排放实践提供理论借鉴。 收稿日期：2014—11—17，修回日期：2015—03—13 基金项目：国家自然科学基金项目“基于三对均衡关系的碳排放初始权配置方法研究”(41471457) 230 陈勇等：区域电力碳排放权初始分配模型 1 区域电力碳排放权初始分配思路 1．1 分西己原贝4 区域电力碳排放权初始分配是针对某个区域，将 获得的电力碳排放权分配到该区域的各个电厂集团，即 电力碳排放权的电厂集团问的分配。考虑到区域内不同 电厂集团内部的电源结构的不同，清洁能源、高效发电 机组以及低碳电力技术等因素，以及国家相关政策的影 响，提出电力碳排放权分配的原则如下： (1)效益原则。从经济学角度去看，效益原则主 要考虑的是各个电厂的不同发电类型机组的发电成本、 发电效率和发电效益。由于是在同一个区域内进行不同 电厂的分配，各个电厂的电价一致，因此效益原则转化 为区域发电经济成本最小化问题。 (2)优化电源结构原则。每个电厂的电源结构直 接影响了该电厂的CO：排放水平。在我国《可再生能 源发展“十二五”规划》中提出，将加快推进水电、 核电建设，积极有序做好风电、太阳能、生物质能等可 再生能源的转化利用。因此，在进行区域电力碳排放权 初始分配时，优化电源结构的原则有利于鼓励各个电厂 进行转型，扩大清洁能源发电的比例，从而促进电力行 业实行低碳减排的目标。 (3)利于国家电力行业政策实施原则。按照电力 工业产业政策和发展规划，加大高效、清洁机组的建 设力度，保持电力工业持续健康发展，国家出台相关 政策鼓励各个电厂关停小火电机组，尽可能的去上马 大火电机组的项目，有利于降低电力的碳排放系数， 从而从整体上减少电力行业的CO，排放。 1．2分配程序 站在区域整体的角度来看碳排放权的初始分配 问题，考虑到上述碳排放权初始分配的效益原则、 优化电源结构原则、利于国家政策实施原则、动态 原则等，结合电力行业的特征，以省级行政区域为 例，提出区域电力行业碳排放权电厂集团分配的基 本路径，如图1所示。 火电发 电碳排 放初始 权 水利发 电碳排 教钢始 权 风力发 电碳排 放初始 权 核能发 电碳排 放初始 权 太阳能 发电碳 摊放初 始权 生物质 发电碳 捧故韧 始权 五大电广集团、省属电厂集团等集团 一_u_●———————^_ ——— I 电力行业的碳排放权i J 柳始分配方案 l I 一．．．．．．．．． 图i 区域电力行业碳排放权分配路径 由图1可以看出，区域电力行业碳排放权分配 路径主要包括两步： (1)将区域电力行业碳排放总量分配给该区域内 不同类型的发电机组。由于发电有多种方式，每种方式 下的能源消耗水平各不相同，依据效益原则，该步骤的 分配需要遵循总成本最小的原则，即以各个不同类型发 电机组总的发电成本最小作为分配目标。 (2)将各个机组所获得的碳排放权分配给各个电 厂集团。在该步骤的分配中需要考虑优化电源结构原 则，以及利于国家政策实施原则。根据优化电源结构原 则，给清洁能源发电机组(不排放或基本不排放二氧 化碳的机组)分配适当的碳排放权，以鼓励各个发电 集团积极调整、优化本集团的电源结构；考虑利于国家 政策实施原则，将每种发电类型所获得的碳排放权分配 到各个发电集团，将发电集团中小火力发电机组应获得 的碳排放权适度让给大火力发电机组，从而促进国家上 大压小、节能减排措施的实施。汇总得到每个发电集团 所获得的总的碳排放权。 2 区域电力行业碳排放权分配模型 根据上述分配路径，区域电力碳排放权分配模 型包括两个模型：一是将碳排放权分配给各个不同 的发电机组的模型；二是将各个发电机组所获得的 碳排放权分配给各个电厂的模型。 2．1 分配到不同类型的发电机组的模型 假设区域 ，(J=1，2，…，n)在第t年分配的碳排 放权总量为E；。由于我国的实际情况，电力行业碳 排放权限额一般小于碳排放总量，因此在进行区域 电力碳排放权初始分配时，首先采用基于发电类型 的分配方式，将区域所获得的碳排放权总量分配到 不同发电类型的发电机组。 由于发电类型的不同，各个发电机组的单位电 量的二氧化碳排放强度各不相同，清洁能源发电的 二氧化碳排放较少甚至没有。按国内现有发电技术 水平来研究，可假设被分配区域的发电类型有火电、 水电、风电、生物质、光伏、核电等发电类型，则 选取被分配区域d，第 种发电类型在第t年所获得 的碳排放权为决策变量，记做瓯，构建的分配模型 如式1所示： minF=∑ ． )+ ：， × 一 )】 E = 肚 ／ 一 ，∑：∑g ， ( ) 陈勇等：区域电力碳排放权初始分配模型 231 式中，c；． 为被分配区域d 在第t年的目标发电 成本函数；gmt表示被分配区域d 在第t年的第k种 发电机组的计划发电量； ； 表示被分配区域d 在第 t年的第k种发电机组的二氧化碳排放强度； 表示 被分配区域 在第t年的碳排放权交易价格；Q： 表示区域d 在第t年的电量需求减去区域外来发电 总量加上送往区域外的电量总量；q t 为第k种发 电机组在第t年的最大发电量； m为第k种发电机 组碳排放权比例系数，该系数的确定由专家评判 给出。 模型中，目标函数表示各个发电机组的总发电 经济成本最小。第一个约束条件是依据鼓励清洁能 源发电原则，考虑各类型发电机组所获得的碳排放 权的比例与各发电机组的二氧化碳量有关；同时为 了鼓励清洁能源发电，对于清洁能源机组的二氧化 碳排放比例配以适当的系数。第二个与第三个约束 条件是电量平衡式，分别表示第t年，各个机组的 电量之和等于该区域的总电量需求减去区域外来发 电总量加上送往区域外的电量总量；以及第t年， 各个发电机组的发电量小于等于各个机组的最大发 电量。 2．2分配到电厂集团的模型 根据电力行业碳排放权各发电机组分配的结果， 区域d ( =1，2，…，n)第k种发电机组在第t年 分配的碳排放权总量为 。需要将6类发电机组所 获得的碳排放权初始分配到不同电厂集团。假设有 m个电厂集团，每个电厂集团均有火电、水电、风 电、生物质能、太阳能、核电等6种发电类型的机 组。在6种发电类型的机组中，只有火电的CO 排 放量最大，所占比重最高，因此重点考虑对火电机 组的碳排放权的初始分配。 电力工业产业政策和发展规划要求提高建设高 效、清洁机组的力度，保持电力工业持续健康发展， 国家出台相关政策鼓励各个电厂关停小火电机组， 尽可能的去上马大火电机组的项目，有利于降低电 力的碳排放系数，从而从整体上减少电力行业的 CO：排放，因此，按照机组的装机容量，将火力发 电机组分类为大机组和小机组两类。根据文件规定， 在大电网覆盖范围内，原则上不得建设单机容量30 万kW以下纯凝汽式燃煤机组 J。将装机容量在3O 万kW以下的归为小机组类别，30万kW及以上的 归为大机组类别。 假设电厂集团 在第t年火力发电类型中大火 电发电机组有m个，其中小火电机组有i个，每个 小火电机组的装机容量为 ，每个大火电机组的 装机容量为Ⅳ ，则电厂集团L在第t年火电发电 机组所获得的碳排放权为： E ， ×(∑N × 巩 +∑N ×O Lm,K) ％ N N ∑(∑ × +∑ ^× ) 一 其中 和or 分别为小火电机组和大火电机 组碳权分配的系数，且两个系数之和为1。 其他发电类型的c0：排放权分配原则为：依据 每个电厂集团的每类发电机组的装机容量进行分配。 假设区域d 电厂集团 在第t年第k种发电类型的 装机容量为 则区域 在第t年第k种发电类 型的总装机容量为 M 。根据 M 分配原则， 可得到电厂集团 在第t年第k种发电类型所获得的 碳排放权为： M (3) ∑ 则电厂集团 在第t年的碳排放权分配模型 如下： ， =∑ ． J F。 I E = M¨( 为清清能源发电机组时 (4) ∑M 一 1 ’ l E ， ×(∑ ×O“L +∑N ×(『 ， ) ∑(∑N“ × 十∑ ． XO“L ) L J 3 江苏省电力碳排放权分配实证 江苏省2011年末内电力系统拥有统调电厂97 座，发电设备总容量6241万kW(含新投产125台、 20．8万kW风电机组)，全省统调发电量为3 620．02 亿kWh，同比增长13．90％；最大日发电量为12．45 亿kWh，同比增长6．92％；统调用电量为3 954．14 亿kWh，同比增长12．10％。全省发电厂分为11类， 其中五大电力集团公司包括中国国电集团公司、中 国华能集团公司、中国电力投资集团公司、中国大 唐集团公司、中国华电集团公司，以及江苏省国信 集团公司、国网新源公司、华润集团公司、国华集 团公司、利港集团公司、协鑫集团公司和省内其他 电厂，各发电集团公司在江苏大部分设有分公司， 各分公司在江苏省境内拥有各种类型的发电厂。从 总体来看，随着经济的快速增长，江苏省各发电集 团发电量和装机容量稳步上升。 3．1数据来源及处理 通过计算可得，江苏省电力行业2015年和 2020年所获得的电力碳排放权分配量分别为3．7 亿t和4．3亿t，为江苏省目标年的碳排放量的总 量约束¨ 。根据国家电网公司相关专家的预测， 预计2015年和2020年江苏省全年的总发电量分别 232 陈勇等：区域电力碳排放权初始分配模型 为5 452．5亿kW·h和6 764．2亿kW·h，这两个 发电量为区域电力碳排放权初始分配模型中的电量 总约束。江苏省与上海市同属于华东电网区域，江 苏省未来的碳排放权价格将与上海碳交易所的碳排 放权价格接轨。学者马艳艳等 在研究碳权的供求 关系对碳排放权价格的决定机制时认为，中国对于 节能减排的约束性指标也势必会产生大规模的碳交 易需求，这将推动中国碳交易价格的上涨。上海目 前的碳权平均成交价为27 Yc／t，再结合国内学者的 研究和国家电网专家的建议 J，将碳交易价格初 步定在30 t和40 t。二次分配的目标规划模 型中发电成本可以参照表1中不同发电技术的平均 发电成本，不同火电发电类型的二氧化碳排放系数 可以参照表2。至此，模型中相关参数已设定。 表1 江苏省电力行业各种机组发电成本及未来装机情况 发电类型 y韵 c／kw 斛 ~h 雾 装机容量总计 10 056 13 012 垫 垄里量 至塑 ! ： 鱼 ： ： 至塑 ! !： 鱼 ： 注：数据来源于国家电网 表2江苏省电力行业主要发电技术的C0：排放系数 注：数据来源于国网能源研究院计算数据和IPCC计算数据 依据国家电网公司相关专家意见，对发电机组 的年最大最小利用小时数做如下说明：(1)依照国 家政策，全额收购可再生能源电厂的上网电能，优 先收购新能源、清洁能源电厂的上网电能，所以部 分发电类型的机组全年一般满荷运行，一般不划定 最大最小值。(2)江苏属于四类风场地区(年度利 用小时最低、上网电价最高)，受自然条件影响，江 苏风电场年度利用小时稳定在22 O0—2 300小时。 (3)关于核电厂，作为清洁能源电厂，其电量被优 先调度和收购，目前江苏全额收购。考虑其正常的 检修和更换燃料棒，其年度利用小时在8 000左 右 J。(4)关于天然气电厂，年利用小时数一般在 3 500～4 500小时左右¨ 。(5)燃煤机组年利用小 时数基本在5 500～6 000小时。由于电网电源特性 要求，对电厂有最小开机方式限制，火电机组不能 无限制压缩，经专家计算预测，4 500小时将是今后 火电机组的运行底线。 3．2 不同发电机组的碳排放量 用ql、q2、q3、q4、q5、q6、97、q8、q9、ql0分 别代表煤电、气电、三余发电、垃圾和生物质燃烧 发电、风电、太阳能发电、生物质发电、抽蓄发电、 核电以及水电的年总发电量；用E 、E：、E，、E 、 、E 、E 、E。、E。、E 。分别代表每种发电技术所 获得的碳排放权分配量；E和Q分别表示江苏电力 碳排放总量约束和发电量总量约束；q 可由装机容 量乘以年最大发电小时数得出。根据上面设定的参 数、变量和相关数据，运用目标规划模型(公式 1)，以2015年江苏地区电力行业碳排放权分配为 例，建立相应的线性规划模型，模型如下： Min F=0．3 gI+0．7 +0．65 +0．65 +0．6q5+q6+ Q 65叮7+Q 57q8+Q 45q9+Q 4q1o+Q 03(0．865叮1+ 0．443 +o_363q3+1．018一一El—E2一E3一E4一 一 一B一 一岛一E 。)； E =E(qi／Q) g =Q (5) I qi g～ f i：1，2，3，…．，10 【 Q：5 452．53 10 ，E：3．7 10 利用Lingol3．0软件可解出上述线性规划的解， 其每种发电类型的碳排放权的见表3所示。 表3江苏省各种发电类型所得碳排放权量以及比重 发电技术类型 2015年 2020年 碳排放权量／亿t比重／％碳排放权量／亿t比重／％ 分析各种类型发电机组所获得碳排放权分配量 的比重以及按装机容量分配所得获得比重，可以看 出，在2015年，燃煤机组所占比例最大，但是，如 果存在碳排放权交易，可以利用碳排放权市场对碳 排放权进行有效的资源配置，并在满足江苏全社会 正常生产和生活对电量需求的条件下，达到了总发 电成本最小的目标。同时，非燃煤机组可以利用自 己所分得的碳排放权在二级市场上交易，以获得收 益，并可利用该收益达到间接降低非燃煤机组的发 陈勇等：区域电力碳排放权初始分配模型 233 电成本目的，这样非燃煤机组运作即可形成良性循 环，并能取得持续发展，最终可以大大降低江苏省 电力行业的碳排放量。在对比2015年和2020年的 各类型机组所得碳排放权，可以看出，非燃煤燃气 机组所得碳排放权进一步增加，这有利于新能源发 电和可再生能源发电公司的发展，对电力行业碳减 排有着非常重要的意义，同时火电所得碳排放权进 一步减少，可以使电力行业减排的这个目标更易 实现。 3．3 不同电厂的碳排放量 根据江苏省“十二五”能源规划，江苏省电力公 司和国网江苏电力经济技术研究院在2013年4月联合 发布的《江苏省电源项目前期与进度调查报告》，规 划至2015年，江苏省内电源总装机达1亿kW左右， 人均装机1．15～1．25kW。其中，核电200万kW、天 然气(含分布式)发电1 150万kW、风电6OO万 kW、光伏发电200万kW、生物质发电125万kW、 抽水蓄能发电110万kW，清洁能源发电装机比重提 高至25％以上，燃煤发电机组单机60万kW及以上 的占比接近55％，平均供电煤耗由2011年318g／kW ·h下降至2015年315g／kW·h及以下，抽蓄及启停 调峰燃机占省内电源总装机的6．5％左右。 规划至2020年底，预计省内电源总装机1．3亿 Kw左右，人均装机1．5kW左右，其中核电600万 kW、天然气(含分布式)发电1 950万kW、风电 1 000万kW、光伏发电500万kW、生物质发电175 万kW、抽水蓄能发电260万kW，清洁能源发电装 机比重提高至35％以上，燃煤发电机组单机60万 kW及以上的占比接近60％，平均供电煤耗由2015 年315g／kW·h下降至2020年310g／kw·h以下， 抽蓄及启停调峰燃机占省内电源总装机的8％左右。 2015年和2020年江苏省煤电装机容量情况见表 4所示。可以看出，随着电力节能减排的不断推进 和“上大压小”政策的实施，小机组的装机容量不 断缩小。 表4 2015年和2O2O年江苏省煤电大小机组装机情况 万kW 注：数据来源于国家电网 江苏省电力行业2015年和2020年所获得的电 力碳排放权分配量分别为3．7亿t和4．3亿t。考虑 到江苏省省内的电厂集团比较多，所属电厂分布也 比较分散，在进行二次分配时，主要将碳排放权分 配到省内以投资主体划分的各个电厂集团。附表1 和附表2分别给出了2015年和2020年各大电厂集 团的装机容量情况。 国内学者宋旭东等 关于我国电力行业碳排放 权初始分配机制的研究和江苏电力行业相关专家意 见，设定小火电和大火电的分配系数为1：1．2。根据 表4、附表1以及附表2中的数据以及公式(4)， 可计算江苏省各主要大电厂集团的碳排放权分配方 案如表5所示。 表5江苏省2015和2O2O年主要电力集团所得碳排放权 亿t，％ 从上述分配结果来看，企业1 1所获得的分配量 最多。企业11是江苏省内除了5大电厂集团以及省 属电厂外，其他所有电厂的集合，其发电量占有全 部发电量的30％，因此在碳排放权分配中占有较大 的比重。其次是企业4和企业7，都是发电量及发热 量的大户企业，对社会的贡献性最大；另外，它们 在CO，排放的处理及清洁能源发电方面效率是最高 的，因此获得较多比例的碳排放权是一种合理的分 配方案。对于企业进行电源结构的调整，电力碳排 放权的进一步交易具有一定的激励作用。 4结论 本文针对电力碳排放权分配的问题，考虑效益 原则、优化电源结构的原则以及利于国家电力行业 政策实施的原则，构建了两步骤的电力碳排放权初 始分配模型，将区域总的电力碳排放权分配到各个 电厂集团；并以江苏省为例，对江苏省2015年以及 2020年的电力碳排放权进行了实证分析，得出相关 结果如下：不同类型的发电机组，燃煤机组获得的 碳排放权比例最高，但是到了2020年，其比例有所 下降，清洁能源机组所获得的碳排放权比例有所上 升，有利于新能源发电和可再生能源发电公司的发 展，对电力行业碳减排有着非常重要的意义。对于 不同电厂集团而言，发电量与发热量大户并且电源 结构相对合理的电厂集团获得的碳排放权比例相对 较高，有利于激发企业进行电源结构的调整。所得 出的江苏省电力碳排放权初始分配方案可以为江苏 省的实践提供理论借鉴。 参考文献： [1]杨玲玲，马向春．电力市场环境下碳排放权分配模型的比较研 究[J]．陕西电力．2010(2)：5—10 [2]任春．关停小火电机是节能减排的重要措施[N]．中国改革 报，2007—03—22(3) 234 陈勇等：区域电力碳排放权初始分配模型 [3]洪涓，陈静．我国碳交易市场价格影响因素分析[J]．价格理论 与实践，2009(12)：65—66 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