碳市场与电力市场机制影响下发电机组成本分析与竞争力研究

doi:10.12006/j.issn.1673-1719.2020.160

碳市场与电力市场机制影响下发电机组成本分析与竞争力研究

孙友源^,, 郭振, 张继广, 秦亚琦

华电电力科学研究院有限公司,杭州 310030

Research on cost analysis and competitiveness of power generation units under the influence of carbon market and power market coupling mechanism

SUN You-Yuan^,, GUO Zhen, ZHANG Ji-Guang, QIN Ya-Qi

Huadian Electric Power Research Institute Co., LTD, Hangzhou 310030, China

收稿日期: 2020-07-29 修回日期: 2021-01-10

基金资助:

中国华电集团有限公司重点科技项目(CHDKJ19-01-47)

Received: 2020-07-29 Revised: 2021-01-10

作者简介 About authors

孙友源,男,工程师, youyuan-sun@chder.com

摘要

碳市场和电力市场将共同发挥市场对资源优化配置的决定性作用,对共同市场主体发电企业带来经营和发展挑战。在考虑碳成本的基础上,采用发电机组经济性影响模型,定量分析了碳市场不同发展阶段对发电机组发电成本的影响,定量评价不同能源结构投资收益经济性,以及对集中竞价市场出清顺序的影响。结果表明,随着有偿配额比例和碳价增加,碳成本占发电成本比例逐步攀升,燃煤机组碳成本占发电成本比例最高将达29%,燃气机组此比例达6%;在设定碳市场高比例配额有偿分配和高碳价情况下,煤电和气电单位发电收益逐步降低甚至出现亏损,远低于可再生能源,推动投资逐步向清洁高效火电机组和可再生能源倾斜;碳成本将成为竞价市场需考虑的重要因素,并影响发电机组出清顺序,进一步巩固高效率、低排放机组在集中竞价市场中的竞争力。

关键词： 气候变化; 碳市场; 电力市场; 碳成本; 发电成本; 出清顺序

Abstract

Carbon market and power market will jointly play a decisive role in the optimal allocation of resources and bring challenges to the operation and development of the market subject, i.e. the power generation enterprises. Based on the economic impact model of power generation enterprises considering the carbon cost, the impact of different development stages of carbon market on the electricity cost of power generation enterprises was quantitatively analyzed, and the economy of investment income of different energy structure and the impact on clearing order of centralized bidding market was quantitatively evaluated. The results show that as the paid quota allocation proportion and carbon price increase, the proportion of carbon cost in the total cost per kilowatt hour gradually rises. The carbon cost of coal-fired units accounts for 29% of the total cost per kilowatt hour, and the proportion of gas-fired units accounts for 6% of the total cost per kilowatt hour. The carbon market will promote the investment tendency to clean and efficient thermal power units and renewable energy gradually, and affect the clearing order of generating units, so as to further consolidate the high-efficiency and low-emission units competitiveness in the centralized bidding market.

Keywords： Climate change; Carbon market; Power market; Carbon cost; Electricity cost; Clearing order

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本文引用格式

孙友源, 郭振, 张继广, 秦亚琦. 碳市场与电力市场机制影响下发电机组成本分析与竞争力研究[J]. 气候变化研究进展, 2021, 17(4): 476-483 doi:10.12006/j.issn.1673-1719.2020.160

SUN You-Yuan, GUO Zhen, ZHANG Ji-Guang, QIN Ya-Qi. Research on cost analysis and competitiveness of power generation units under the influence of carbon market and power market coupling mechanism[J]. Advances in Climate Change Research, 2021, 17(4): 476-483 doi:10.12006/j.issn.1673-1719.2020.160

引言

我国已成为世界上第一大碳排放国,致力于积极应对气候变化^[1],碳市场作为一种有效的市场机制,是优化碳排放空间资源配置、降低全社会减碳成本、实现温室气体排放控制、推动供给侧结构向绿色低碳转型的有效政策工具^[2,3],并在全球具有成功的实践经验。我国自2011年开始,陆续开展试点碳市场工作,并在2017年底启动全国碳排放权交易体系,当前正处于加速推进过程中。另一方面,我国电力市场化改革正向纵深推进,目的是形成主要由市场决定能源价格的机制,发挥市场在资源配置中的决定性作用。据统计,2019年市场化电量占全社会用电量的39%,同比提升9个百分点,市场化程度进一步加深。发用电计划放开、电力市场体系建设、市场交易机制、价格形成机制等方面工作步伐正在加快推进。

碳市场与电力市场^[4,5]两种市场机制看似相对独立,但又有着密切的联系,从目标指向看,两者均力求通过市场机制实现资源的优化配置,促进行业清洁低碳发展;从市场主体看,两者有共同的主要市场主体发电企业,存在高度的重合;从供需关系看,碳市场交易双方既是配额供应方同时也是配额需求方,而电力市场供需双方界限明显,发电企业为商品供应方,电力用户为商品需求方;从价格机制看,市场价格均受供需双方决定,价格上下限由政府宏观调控;同时,从发电成本看,碳市场给企业带来了碳成本,影响其在电力市场的发电行为和市场交易上的竞争力,两种市场存在着必然的联系,对此国内外学者开展了大量的研究。

随着我国治理体系的不断深化完善,碳市场和电力市场必将实现机制的协同和耦合,从而避免两种机制的制约和矛盾,最大化市场机制在资源优化配置中的作用,并可能出现如下特征：一是碳市场持续纵深发展,碳配额分配机制将逐步过渡至有偿分配（如欧盟目前电力行业采用的配额拍卖),碳成本对边际成本增加效应明显,发电企业面临较大经营压力。二是电力市场改革向深水区推进,电价形成机制市场化程度加深,发电侧电价调整可及时并合理反映纳入碳市场管控的发电企业所产生的碳成本,电力商品属性渐渐得到还原,将通过市场化机制部分或全部传导到终端用户。三是碳市场与电力市场将深度耦合,从发电侧来说,碳市场中碳成本的高低一定程度将影响电力市场中发电机组出清顺序,进一步巩固高效率、低排放机组在市场中的竞争力,促进行业低碳发展。从终端电力用户来说,碳成本向电价的传导,无形中促进终端电力用户节约用电,推动碳市场在更大范围形成减排效应,市场对资源优化配置决定性作用凸显,加速电力行业低碳发展。总之,碳市场和电力市场作为推动国家能源体制改革的重要市场机制,对电力行业规划布局、运营策略、管理体制等方面带来较大冲击^[6],电力行业经营发展环境正发生巨大变化,因此研究碳市场和电力市场对发电机组的影响,是新的市场形势下践行新发展理念的客观需求,对于提升发电机组在碳市场和电力市场耦合影响下的竞争力具有重要意义。

国际上碳市场运行经验显示,在电力市场化程度较高的情景下,碳市场机制的运行对电力市场电价产生了一定的影响。有研究表明欧盟碳市场初期,免费碳配额分配的很大一部分成本被转嫁到电价中,导致消费者电价上涨,发电商获得额外的“暴利”利润,通过碳税或配额拍卖的方式可一定程度上解决暴利问题^[7]。随着碳市场的逐步深化完善,学者针对碳成本传导开展了大量研究,结果显示有明显证据表明碳成本传导到电价^[8],同时为了对碳成本传导率进一步定量分析,大量学者建立了理论模型,并在验证模型估计稳健性的基础上开展了研究工作,结果表明碳成本至少80%的价格转嫁到电价中^[9,10],针对德国碳市场的研究甚至认为碳成本几乎完全传导至碳价^[11]。

从国内来看,碳市场和电力市场正加速推进,市场化改革释放的竞争信号日趋强烈,对此国内学者也开展了深入研究。有研究^[12]认为碳成本传导率与电力市场结构、供电市场完全竞争的程度以及碳配额分配方式有关,在电力需求价格富有弹性的情况下,发电厂数量越多市场竞争越充分,碳成本传导率越小^[13],研究结果基本都表明碳成本传导到电价过程中会引起电价和社会福利的变化^[14,15]。有研究^[16,17]以广东碳市场和电力市场为例,建立模型模拟分析碳市场碳价传导到电价情景,开展碳市场和电力市场耦合影响研究,结果表明碳成本内部化影响发电机组出清电价,并对电源结构的优化调整具有重要作用。

虽然国内外部分学者对碳市场和电力市场耦合问题已开展了一定的研究,但仍存在不足：一是碳市场和电力市场耦合影响研究依赖于碳市场配额分配和履约相关政策,已有的研究集中于国外碳市场和广东等试点碳市场和电力市场的耦合研究,尚缺少对中国全国碳市场运行规则对电力市场的影响分析;二是现有碳市场和电力市场耦合影响研究成果多采用理论模型分析得到,针对具体发电机组的实证研究涉及较少,也鲜有涉及两种碳市场综合作用对发电机组投资决策的影响研究。

针对上述研究存在的不足,本研究基于全国碳市场运行机制,构建碳市场发电机组成本评价模型,科学评估碳成本,采用实证分析方式,从投资倾向、出清顺序角度研究碳市场对发电企业经营发展的影响,并对碳市场和电力市场耦合机制设计和发电机组应对策略提出建议,对国家政策的制定和完善以及提升发电机组市场竞争力具有一定指导意义。

1 碳市场对发电机组成本影响评价模型构建

1.1 研究方法

根据已有研究成果^[18],发电机组i核查确认的年碳排放量（E_i,t CO₂）表示为

(1)E_i = b_e,_i × σ × Q_e,_i + b_h,_i × σ × Q_h,_i。

b_e,_i为机组供电标煤耗（tce/(MW∙h));Q_e,_i为机组供电量（MW∙h);b_h_,i为机组供热标煤耗（tce/TJ);Q_h,_i为机组供热量（TJ);σ为燃煤折标煤碳排放系数（t CO₂/tce),表示原煤折算成1 kg标煤燃烧产生的CO₂量,与煤的单位热值含碳量和碳氧化率有关。

全国碳市场免费配额分配以基准法为主,发电企业在一级市场上获得的免费配额（A_free,_i,t CO₂）可表示为

(2)A_free,_i = (1- α) × (B_e,_i × f_i× Q_e,_i + B_h,_i × Q_h,_i)。

α表示配额拍卖比例;B_e,_i表示供电碳排放基准值（t CO₂/（MW∙h));f_i表示修正系数,与冷却方式、负荷率和供热比有关;B_h,_i表示供热碳排放基准值（t CO₂/TJ）。

根据全国碳市场配额分配方案,在全国碳市场初期,以免费配额形式分配（α=0),随着碳市场的逐步深化,α逐步增加。全国碳市场配额分配基准值见表1。

表1 全国碳市场燃煤、燃气机组配额分配基准值

Table 1 Quota allocation benchmark of the national carbon emission trading market

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注：燃煤矸石、水煤浆等非常规燃煤机组包含燃煤循环流化床机组。

按照全国碳市场运行规则,控排企业每年应向主管部门上缴不少于其碳排放量的配额进行履约。发电机组在碳市场中的碳成本（C_carbon,_i,元/（MW∙h)）可表示为配额缺口和碳价（C_c,元/t CO₂）的关系式

(3)$C_{carbon,i}=\frac{(E_{i}-A_{free,i}) \times C_{c}}{Q_{e,i}}$。

发电机组在碳市场和电力市场耦合影响下参与电力交易时,单位发电产生收益（R_i,元/（MW∙h)）要在传统单位发电成本基础上,考虑碳成本的影响

(4)R_i = G_i - C_i - C_carbon,_i 。

G_i为出清电价（元/（MW∙h));C_i为传统单位发电成本（元/（MW∙h)),与投资成本、运维成本、燃料成本有关。

应注意,电力市场包含多种电源类型,如煤电、气电、水电、风电、光电和生物质能发电等,发电机组在集中竞价市场中的报价按照从低到高排序,当累计投标的电量与市场总需求的电量相等时,该电价即为出清电价,报价低于该出清价格的发电机组成功竞标。

1.2 研究对象

选取燃煤、燃气、水、风、光和生物质等不同电源类型机组作为研究对象,分析碳市场与电力市场对发电企业耦合影响,其中燃煤机组和燃气机组特性参数见表2。燃煤机组A供电煤耗和供电碳排放强度低,能耗低碳水平好,发电边际成本低;燃煤机组C相对于燃煤机组B燃烧的煤种较好,能耗和低碳水平较好,但发电边际成本高;燃气机组属清洁能源,能耗和低碳水平好,但燃气价格高,发电边际成本高;水风光机组边际发电成本接近于零;生物质发电边际成本为462元/(MW∙h)。

表2 燃煤和燃气机组的特性参数

Table 2 Characteristic parameters of coal-fired and gas-fired units

注：表中供电煤耗和发电边际成本来源于发电企业边际贡献监测报表;标煤碳排放系数和供电碳排放强度为根据第三方核查机构确认的温室气体排放报告和补充数据表数据计算得到。

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1.3 情景设置

随着碳市场的不断深化完善,由免费配额分配向有偿分配转变是趋势,另外碳市场价格受政策调控和市场供需影响,具有较大波动性^[19],为科学分析碳市场对发电企业影响,本文基于碳市场和电力市场发展趋势,考虑碳市场所处不同阶段,从碳市场中免费配额分配比例和碳价两个维度设置了着重分析情景。其中配额有偿分配比例从0（完全免费分配）到100%,以10%递增,碳价分别设定为30、50、80和100元/t不等,以此研究碳市场不同配额拍卖比例和碳价对发电机组的影响。

2 结果和讨论

2.1 碳市场对发电机组成本的影响

2.1.1 燃煤机组和燃气机组

分别以燃煤机组B（亚临界300 MW）和9F级475 MW燃气机组为例,根据目前全国碳市场配额分配方案测算,当配额100%免费分配时,随着碳价由30元/t变动到100元/t,其碳成本均为负,即机组碳排放绩效优于国家基准值,碳配额存在盈余,富余的配额可在二级碳市场中进行交易获利;随着配额拍卖比例逐步加大以及碳价持续走高,碳成本增加,当配额100%拍卖时,随着碳价由30元/t变动到100元/t,因购买碳配额履约而增加的发电成本（碳成本）范围分别为28~94元/(MW∙h)和11~37元/(MW∙h)（图1),占各自总发电成本比例分别为9%~29%和2%~6%（图略)。燃气机组属于清洁发电技术,尤其在碳市场建设初期,配额分配方案明确提到为鼓励燃气机组,当燃气机组经核查排放量不低于核定的免费配额量时,其配额清缴义务为已获得的全部免费配额量;当燃气机组经核查排放量低于核定的免费配额量时,其配额清缴义务为与燃气机组经核查排放量等量的配额量,即碳配额存在缺口是不需购买来履约,而碳配额存在盈余时可在碳市场出售,碳市场对燃气机组冲击相对燃煤机组明显较小。

图1

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图1 不同配额拍卖比例和碳价下(a)燃煤机组和(b)燃气机组碳成本

Fig. 1 Carbon cost at different quota auction proportions and carbon prices

2.1.2 可再生能源机组

可再生能源不在碳市场控排企业纳入范围内,但符合国家《温室气体自愿减排交易管理暂行办法》规定的可开发国家核证自愿减排量（CCER）项目,CCER可用于碳配额的抵消,项目机组可通过在市场上出售CCER获利;同时,作为可再生能源配额制的配套政策,绿色电力证书交易为可再生能源机组对冲市场化风险提供了重要手段,在当前国家碳市场机制和绿证交易机制设计尚未统筹考虑的前提下,符合条件的可再生能源机组可获双向收益,因而在电力市场中具有更大竞价空间。

2.2 碳市场对电源类型投资发展的影响

在进行碳市场对电源类型投资发展的影响分析时,考虑到燃料成本、水、风、光电消纳等不可控因素,在1.3节不同配额拍卖比例和碳价情景设定基础上,做出如下假定：配额有偿分配比例从0（完全免费分配）到100%,以10%递增,碳价分别设定为30、50、80和100元/t不等,燃煤、燃气和生物质燃料价格浮动±10%,水、风、光平均利用小时浮动±5%,分析不同电源类型单位发电成本和单位发电收益。

从成本角度看,风、光电的单位发电成本将基本与煤电持平,甚至略低于煤电。气电和生物质发电单位发电成本仍处于高位,水电单位发电成本仍最低（图2a);从收益角度看,煤电和气电单位发电收益基本均稳定于80元/(MW∙h)之下,且受燃料价格影响浮动范围较大,水、风、光电的单位发电收益高于煤电;配额100%有偿购买时,煤电和气电单位发电收益受到巨大冲击,出现亏损（图2b)。此种情形下,发电企业将不得不综合权衡减碳技术成本和碳成本后做出投资决定,碳市场存在将进一步引领企业投资方向由传统的火电行业向可再生能源倾斜,倒逼电力生产结构的优化。

图2

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图2 不同电源类型单位发电成本(a)和单位发电收益(b)

注：图形上边界表示在配额有偿分配比例、碳价和燃料价格设定的上限,以及平均利用小时设定的下限情景下不同电源类型单位发电成本和单位发电收益;下边界表示在配额有偿分配比例、碳价和燃料价格设定的下限,以及平均利用小时设定的上限情景下不同电源类型单位发电成本和单位发电收益。

Fig. 2 Per kilowatt hour cost (a) and profit (b) of different power supply types

2.3 碳市场对集中竞价市场出清顺序的影响

随着碳市场中碳成本逐步攀升,以及电力市场化的程度加深,发电机组在双边协商市场和集中竞价市场报价时,将不可避免将碳成本考虑进边际成本中。考虑到边际成本是发电机组参与集中竞价电力现货市场的主要决策依据,本文重点对集中竞价市场中出清顺序展开探讨,设定不考虑碳市场影响和考虑碳市场影响（配额100%拍卖且碳价100元/t）两种情景,分析不同机组碳成本的高低对竞价市场中出清顺序的影响。

2.3.1 不考虑碳市场影响情景

在不考虑碳市场影响时,可再生能源边际成本极低,出清顺序排名前列（图3);燃煤机组A为高效率、低排放机组,边际成本较低,燃煤机组B和C相对A效率偏低、排放偏高,边际成本较高,出清顺序次之;燃气机组和生物质机组边际成本较高,出清顺序靠后,仅部分机组可以出清。

图3

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图3 考虑碳市场影响下发电机组出清顺序

注：图形的下边界为“不考虑碳市场影响”情景下的边际成本值,上边界为“考虑碳市场”情景下的边际成本值。

Fig. 3 Clearing order of generator considering the impacts of carbon market

2.3.2 考虑碳市场影响情景

在考虑碳市场后,机组边际成本越小,出清顺序越靠前。如图3所示,在配额100%拍卖且碳价100元/t情景下,由于燃煤机组A碳成本较低,相对于燃煤机组B和C在竞价市场中可获得额外的收益（如在考虑碳市场情景下,燃煤机组A相对燃煤机组B边际成本差距由不考虑碳市场情景时的77元/(MW∙h)增加到98元/(MW∙h),额外收益为21元/（MW∙h)),进一步巩固高效率、低排放机组在市场中的竞争力;燃煤机组B与C出清顺序发生变化,主要原因为虽然在不考虑碳市场影响时燃煤机组C边际成本高于燃煤机组B,但由于燃煤机组B煤质较差,单位标煤碳排放系数较高,供电碳排放强度亦较高（表2),在考虑碳市场影响时燃煤机组B碳成本的增加幅度较大,其边际成本为342元/(MW∙h),高于燃煤机组C（341元/（MW∙h)）,造成发电机组出清顺序变化;燃气机组由于碳成本影响,出清顺序排到生物质机组之后。

2.4 研究结果比较和不确定性分析

从研究目的和意义来看,国内同类研究^[16,17]多集中在试点碳市场,鉴于全国统一碳市场将启动实质性交易,本研究在考虑碳市场配额有偿分配比例和碳价的基础上设定多种情景模式,可以较好反映全国碳市场与电力市场共同作用下对发电企业产生的影响,对于即将率先纳入全国碳市场的发电企业,具有一定的前瞻性和指导意义。与现有研究结果不同,本文除了从成本的角度研究了碳成本对总发电成本的影响外,也从收益的角度论证了不同情景下电源类型投资发展的影响,分析了发电企业投资方向;同时本文通过研究认为碳市场下燃料成本将成为电力市场中竞价策略需要考虑的重要因素,并通过典型案例论证了燃料品质对电力竞价市场出清顺序影响,主要结论对未来碳市场和电力市场耦合下发电企业在燃料采购和掺配方面决策具有一定意义。

此外,本文在分析各电源类型收益时,按照当前电力市场下电价考虑,随着电力市场化改革的深化,各电源结构的电价可能会发生变化,但本研究侧重于不同电源类型的发电收益范围,此外,本文也设定了较为宽泛的情景模型,因此在本文情景设定下各电源结构收益大小并不会受到显著影响,主要结论可以反映不同碳市场发展阶段电源结构的投资倾向。同时,当在高配额有偿分配比例和高碳价下,有利于倒逼发电机组主动通过节能改造和降碳减排措施来降低排放,以便减少履约成本和对发电机组冲击,但考虑到减排技术众多、减排成本不一以及科学分析的难度,本文在分析碳市场对发电成本的影响时,暂未考虑机组进行节能改造和降碳减排措施对发电成本的影响,有待于后续进一步深入研究。

3 结论和建议

本文基于碳市场和电力市场发展趋势研究,以不同类型机组为对象,采用考虑配额分配机制的发电成本评价模型,分析了不同配额分配比例和碳价对发电机组经济性的影响,主要结论如下。

(1)当前国家碳配额分配方案下,碳市场对燃气机组冲击远低于燃煤机组,机组碳成本随着配额有偿分配比例和碳价的增加而增加,当配额100%有偿分配、碳价100元/t时,碳成本占燃煤机组和燃气机组总发电成本分别达29%和6%左右。

(2)当配额100%有偿购买时,煤电和气电收益受到巨大冲击、出现亏损,发电收益低于可再生能源,将会推动发电企业投资方向由传统的火电行业向可再生能源倾斜,利用市场机制倒逼电源结构优化调整。

(3)随着配额有偿分配比例和碳价增加,低排放机组在电力竞价市场中竞争优势加大,燃料品质和成本成为机组在电力市场中竞价策略中的重要考虑因素,单位标煤碳排放系数较高燃煤机组,碳成本的增加幅度可能超过边际成本的差距,造成燃煤机组出清顺序变化。

未来碳市场和电力市场深度耦合,配额拍卖比例将逐渐增加,电力市场化程度加深,在外部严峻市场形势下,发电机组价格的竞争变得更为关键,对其成本控制和竞价策略等方面提出了更高要求。建议发电机组深入分析碳成本对边际贡献的影响,科学测算实时边际成本,结合电力市场形势合理制定竞争报价策略,最大限度挖掘边际贡献,并注重电力市场报价与碳配额拍卖市场竞价策略的耦合,科学合理确定配额竞价价格,提升发电机组市场竞争力。

参考文献

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强化应对气候变化行动: 中国国家自主贡献

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