朱磊　范英

摘要

在应对气候变化的背景下，是否对已经投入运营的燃煤电厂进行改造，加装碳捕获与封存技术（CCS），是一个重要的低碳投资决策问题。本文针对已投入运营的燃煤电厂进行CCS改造的投资决策问题，从成本节约的角度出发，综合考虑CCS面临的诸多不确定因素，将序贯投资决策的实物期权方法与MonteCarlo模拟相结合，建立了基于偏均衡分析的CCS投资评价模型，研究电力企业投资CCS技术改造现有火电可以带来的成本节约收益价值和温室气体减排量，结合案例，论述了燃煤电厂投资CCS改造的期权价值和投资风险。并应用该模型分析了补贴政策对CCS投资行为的影响。模拟计算结果显示：在现有参考碳价格水平下，基准燃煤电厂投资改造CCS的风险很大，CCS改造投资被放弃的比例接近35%，可见现有的技术水平和政策框架不足以促进企业对现有燃煤电厂进行CCS改造投资。对比政府补贴投资和补贴发电两种政策的效果，在总预算补贴额度较小时，政府补贴企业的研发投入效果要优于直接补贴发电的效果。从评价结果看：首先，在CCS技术发展初期，我国政府应该侧重鼓励大型电力企业对CCS技术的消化学习，通过补贴研发投入，降低技术使用成本，为CCS技术未来的大规模采用打下基础。其次，一个较为有效的碳排放交易机制的构建，可以在长期促进国内电厂对CCS进行改造投资。

关键词CCS技术；碳排放税；成本节约；实物期权；LSM

中图分类号F272.3文献标识码A文章编号1002-2104（2014）07-0099-07doi：103969/jissn1002-2104201407015

碳捕获与封存技术（carbon capture and storage， CCS）的应用将会直接影响未来温室气体减排量的大小，尤其是在以化石能源作为主要能源的发展中国家[1-3]。CCS对于能源结构以煤为主的我国来说，具有十分特殊的意义，它可以保证继续使用煤炭等化石能源并减少温室气体排放，是十分有潜力的减排技术方案，并为促进实现国内煤炭的清洁利用提供了可能[4]。但CCS技术本身的针对性使得它不像发展可再生能源和提高能效等减排选项一样具有外部性作用（例如：可再生能源技术可以实现能源替代，节能技术有助于能源安全等）。燃煤电厂是CCS的发展重点。我国已建和在建的燃煤电厂数量庞大，如何对已经投入运营的燃煤电厂进行改造，加装CCS，是一个重要的低碳投资决策问题。目前来看，CCS存在几个比较突出的应用障碍：①CCS的技术发展不成熟，投资成本较高。②CCS的运营成本受化石能源价格影响较大。CCS技术需要额外消耗用电用于CO2捕获等，一个配备CCS系统的电厂相比同等电厂大约多消耗10%-40%的能源，发电成本将提高10%-60%[5]，因此化石能源价格波动将导致采用CCS技术的发电成本的不确定。③CCS发展的外部条件不完备。CCS带来的额外性成本需要通过一定的市场机制进行补偿，因此采用CCS技术的一个必要条件是政府对电力部门的CO2排放征税或者赋予价格。而未来气候政策走向的难以预料将直接影响未来的碳价格。所以，现有燃煤电厂的CCS改造投资面临较多的不确定性，需要建立合适的投资评价模型以将这些不确定因素纳入考量。

1文献综述

现阶段对于CCS研究的文献围绕技术进展本身的较多，包括CCS技术改进[3]，CCS技术对大气可能造成的影响分析[6]，CO2运输管道设计[7]，捕获气体体积性质[8]，等等。这体现了提高CCS技术经济性和适用性是目前CCS发展最为关键的环节。也有关于CCS相关政策法规的设计和影响，包括CO2封存的法律法规以及公众对该技术的接受度[9]，还有对CCS在发展中国家应用的驱动因素和障碍分析[4，10]等。对于CCS的投资评价，Abadie和Chamorro[11]考虑了欧洲电力市场与碳价格的不确定性，建立实物期权模型评价CCS投资，并利用二叉树方法求解，得到了针对火电加装CCS机组的最优投资规则，Fuss et al[12]同样考虑了欧洲电价与碳价格的不确定性，利用实物期权模型评价火电机组加装CCS装置后的价值。Fleten和Nskkl[13]考虑了电力价格和天然气价格不确定的情况下，在模型中也讨论了安装CCS装置后相应的减排成本对天然气发电项目估值的影响。Zhu和Fan[14]运用期权方法建模，在考虑燃料价格和碳价格等多种不确定性的条件下，研究了中国电力部门采用CCS技术部分替代现有火电的投资风险及相应的温室气体减排量。本文是针对项目层面的CCS投资改造决策，将序贯投资决策与Monte-Carlo模拟相结合，建立了基于成本节约现金流的CCS投资评价模型，在实物期权视角下考察现有火电机组加装改造CCS技术后可以带来的成本节约收益价值和相应的温室气体减排量。模型不但考虑了CCS面临的诸多不确定因素（碳价格、现有火电发电成本、带CCS火电发电成本、以及CCS投资成本），以及减排的额外性成本与收益问题，还进一步将该模型作为政策分析工具，对不同的CCS补贴政策对投资决策行为的影响进行了分析。

2模型描述

本文的成本节约收益是指：在碳排放被赋予价格的条件下，电力企业采用CCS的火电相对现有火电可以节约的成本，成本节约为正则表示通过采用CCS的火电可以避免的支出或者额外获得的收益，成本节约为负则表示采用CCS技术后需要额外付出的成本。

作为大型投资项目，电力企业投资CCS技术需要一段时间才能完成，因此企业对CCS的投资可以看作是多阶段的项目投资决策问题[15]。CCS投资被用来进行项目建设。只有当CCS项目投资完成之后，电力企业才可以获得因投资CCS技术发电带来的成本节约收益。

假设某现有燃煤电厂的剩余可运营年限为T年，模型中成本节约效应的考察期可以分为两个部分，一是完成CCS项目投资所需要的阶段，二是投资结束后电力企业获得成本节约收益现金流的阶段。电力企业在投资阶段可以选择放弃期权，在转化投资的每一期，需要对正在投资的CCS改造项目作出重新评估，以决定是否继续投资，或者放弃。当某阶段所需的投资额高于考察期内预期的CCS成本节约总收益时，企业会执行放弃期权终止该CCS改造项目以避免更大损失。为估值我们将T年分为N期，每期的长度为Δt=T/N，并且设定tn=nΔt，n=0，1，…N。

2.1CCS投资成本和技术不确定性建模

电力企业在投资CCS技术时，期初现有火电加装CCS装置所需要的期望总投入成本为K，电厂加装CCS的投资主要包括原有烟道改造，CO2捕获装置，压缩装置和部分运输管道，文中投资成本并未包括CO2埋存部分的成本。总的剩余转化成本在第ti期为K（ti）。每期所需要的投资为I。新技术的不确定性对投资有相当大的影响[15，16]。所以假设剩余转化成本K是不确定的，用来表示CCS技术本身的不确定性。K服从可控扩散过程：

其中，β是一个规模参数，代表围绕着K的不确定性的大小，CCS技术不确定性随着KCCS的减少而降低，反映了CCS投资过程中的技术学习；（Δt）1/2εK为维纳过程的增量；εK为均值为0，标准差为1的正态分布随机变量；假设（Δt）1/2εK与市场组合无关，即加装CCS的投资成本不存在风险溢价[16]。K的方差为Var（K）=[JB（（][SX（]β2[]2-β2[SX）]K2[15]。

对于尚处于研发中的技术，电力企业还需要对CCS进行技术消化学习，优化技术流程，以加快降低企业采用CCS技术的发电成本，这可以被视作是企业的技术学习行为。文中将这部分支出定义为企业对CCS技术的研发投入。当然需要指出的是，我们在这里定义的研发支出主要是针对大型电力企业，大型电力企业一般都会率先部署CCS技术，因而其需要对技术进行消化吸收并付出成本。假设CCS每期的研发支出为M（ti）（yuan/yr），研发支出在改造投资期间存在，即：

2.2CCS成本节约收益的不确定性因素建模

根据前面对CCS投资相关不确定性的描述，假设现有火电发电成本服从几何布朗运动，用风险中性运动过程表示，即：

摘要

在应对气候变化的背景下，是否对已经投入运营的燃煤电厂进行改造，加装碳捕获与封存技术（CCS），是一个重要的低碳投资决策问题。本文针对已投入运营的燃煤电厂进行CCS改造的投资决策问题，从成本节约的角度出发，综合考虑CCS面临的诸多不确定因素，将序贯投资决策的实物期权方法与MonteCarlo模拟相结合，建立了基于偏均衡分析的CCS投资评价模型，研究电力企业投资CCS技术改造现有火电可以带来的成本节约收益价值和温室气体减排量，结合案例，论述了燃煤电厂投资CCS改造的期权价值和投资风险。并应用该模型分析了补贴政策对CCS投资行为的影响。模拟计算结果显示：在现有参考碳价格水平下，基准燃煤电厂投资改造CCS的风险很大，CCS改造投资被放弃的比例接近35%，可见现有的技术水平和政策框架不足以促进企业对现有燃煤电厂进行CCS改造投资。对比政府补贴投资和补贴发电两种政策的效果，在总预算补贴额度较小时，政府补贴企业的研发投入效果要优于直接补贴发电的效果。从评价结果看：首先，在CCS技术发展初期，我国政府应该侧重鼓励大型电力企业对CCS技术的消化学习，通过补贴研发投入，降低技术使用成本，为CCS技术未来的大规模采用打下基础。其次，一个较为有效的碳排放交易机制的构建，可以在长期促进国内电厂对CCS进行改造投资。

关键词CCS技术；碳排放税；成本节约；实物期权；LSM

中图分类号F272.3文献标识码A文章编号1002-2104（2014）07-0099-07doi：103969/jissn1002-2104201407015

碳捕获与封存技术（carbon capture and storage， CCS）的应用将会直接影响未来温室气体减排量的大小，尤其是在以化石能源作为主要能源的发展中国家[1-3]。CCS对于能源结构以煤为主的我国来说，具有十分特殊的意义，它可以保证继续使用煤炭等化石能源并减少温室气体排放，是十分有潜力的减排技术方案，并为促进实现国内煤炭的清洁利用提供了可能[4]。但CCS技术本身的针对性使得它不像发展可再生能源和提高能效等减排选项一样具有外部性作用（例如：可再生能源技术可以实现能源替代，节能技术有助于能源安全等）。燃煤电厂是CCS的发展重点。我国已建和在建的燃煤电厂数量庞大，如何对已经投入运营的燃煤电厂进行改造，加装CCS，是一个重要的低碳投资决策问题。目前来看，CCS存在几个比较突出的应用障碍：①CCS的技术发展不成熟，投资成本较高。②CCS的运营成本受化石能源价格影响较大。CCS技术需要额外消耗用电用于CO2捕获等，一个配备CCS系统的电厂相比同等电厂大约多消耗10%-40%的能源，发电成本将提高10%-60%[5]，因此化石能源价格波动将导致采用CCS技术的发电成本的不确定。③CCS发展的外部条件不完备。CCS带来的额外性成本需要通过一定的市场机制进行补偿，因此采用CCS技术的一个必要条件是政府对电力部门的CO2排放征税或者赋予价格。而未来气候政策走向的难以预料将直接影响未来的碳价格。所以，现有燃煤电厂的CCS改造投资面临较多的不确定性，需要建立合适的投资评价模型以将这些不确定因素纳入考量。

1文献综述

现阶段对于CCS研究的文献围绕技术进展本身的较多，包括CCS技术改进[3]，CCS技术对大气可能造成的影响分析[6]，CO2运输管道设计[7]，捕获气体体积性质[8]，等等。这体现了提高CCS技术经济性和适用性是目前CCS发展最为关键的环节。也有关于CCS相关政策法规的设计和影响，包括CO2封存的法律法规以及公众对该技术的接受度[9]，还有对CCS在发展中国家应用的驱动因素和障碍分析[4，10]等。对于CCS的投资评价，Abadie和Chamorro[11]考虑了欧洲电力市场与碳价格的不确定性，建立实物期权模型评价CCS投资，并利用二叉树方法求解，得到了针对火电加装CCS机组的最优投资规则，Fuss et al[12]同样考虑了欧洲电价与碳价格的不确定性，利用实物期权模型评价火电机组加装CCS装置后的价值。Fleten和Nskkl[13]考虑了电力价格和天然气价格不确定的情况下，在模型中也讨论了安装CCS装置后相应的减排成本对天然气发电项目估值的影响。Zhu和Fan[14]运用期权方法建模，在考虑燃料价格和碳价格等多种不确定性的条件下，研究了中国电力部门采用CCS技术部分替代现有火电的投资风险及相应的温室气体减排量。本文是针对项目层面的CCS投资改造决策，将序贯投资决策与Monte-Carlo模拟相结合，建立了基于成本节约现金流的CCS投资评价模型，在实物期权视角下考察现有火电机组加装改造CCS技术后可以带来的成本节约收益价值和相应的温室气体减排量。模型不但考虑了CCS面临的诸多不确定因素（碳价格、现有火电发电成本、带CCS火电发电成本、以及CCS投资成本），以及减排的额外性成本与收益问题，还进一步将该模型作为政策分析工具，对不同的CCS补贴政策对投资决策行为的影响进行了分析。

2模型描述

本文的成本节约收益是指：在碳排放被赋予价格的条件下，电力企业采用CCS的火电相对现有火电可以节约的成本，成本节约为正则表示通过采用CCS的火电可以避免的支出或者额外获得的收益，成本节约为负则表示采用CCS技术后需要额外付出的成本。

作为大型投资项目，电力企业投资CCS技术需要一段时间才能完成，因此企业对CCS的投资可以看作是多阶段的项目投资决策问题[15]。CCS投资被用来进行项目建设。只有当CCS项目投资完成之后，电力企业才可以获得因投资CCS技术发电带来的成本节约收益。

假设某现有燃煤电厂的剩余可运营年限为T年，模型中成本节约效应的考察期可以分为两个部分，一是完成CCS项目投资所需要的阶段，二是投资结束后电力企业获得成本节约收益现金流的阶段。电力企业在投资阶段可以选择放弃期权，在转化投资的每一期，需要对正在投资的CCS改造项目作出重新评估，以决定是否继续投资，或者放弃。当某阶段所需的投资额高于考察期内预期的CCS成本节约总收益时，企业会执行放弃期权终止该CCS改造项目以避免更大损失。为估值我们将T年分为N期，每期的长度为Δt=T/N，并且设定tn=nΔt，n=0，1，…N。

2.1CCS投资成本和技术不确定性建模

电力企业在投资CCS技术时，期初现有火电加装CCS装置所需要的期望总投入成本为K，电厂加装CCS的投资主要包括原有烟道改造，CO2捕获装置，压缩装置和部分运输管道，文中投资成本并未包括CO2埋存部分的成本。总的剩余转化成本在第ti期为K（ti）。每期所需要的投资为I。新技术的不确定性对投资有相当大的影响[15，16]。所以假设剩余转化成本K是不确定的，用来表示CCS技术本身的不确定性。K服从可控扩散过程：

其中，β是一个规模参数，代表围绕着K的不确定性的大小，CCS技术不确定性随着KCCS的减少而降低，反映了CCS投资过程中的技术学习；（Δt）1/2εK为维纳过程的增量；εK为均值为0，标准差为1的正态分布随机变量；假设（Δt）1/2εK与市场组合无关，即加装CCS的投资成本不存在风险溢价[16]。K的方差为Var（K）=[JB（（][SX（]β2[]2-β2[SX）]K2[15]。

对于尚处于研发中的技术，电力企业还需要对CCS进行技术消化学习，优化技术流程，以加快降低企业采用CCS技术的发电成本，这可以被视作是企业的技术学习行为。文中将这部分支出定义为企业对CCS技术的研发投入。当然需要指出的是，我们在这里定义的研发支出主要是针对大型电力企业，大型电力企业一般都会率先部署CCS技术，因而其需要对技术进行消化吸收并付出成本。假设CCS每期的研发支出为M（ti）（yuan/yr），研发支出在改造投资期间存在，即：

2.2CCS成本节约收益的不确定性因素建模

根据前面对CCS投资相关不确定性的描述，假设现有火电发电成本服从几何布朗运动，用风险中性运动过程表示，即：

摘要

在应对气候变化的背景下，是否对已经投入运营的燃煤电厂进行改造，加装碳捕获与封存技术（CCS），是一个重要的低碳投资决策问题。本文针对已投入运营的燃煤电厂进行CCS改造的投资决策问题，从成本节约的角度出发，综合考虑CCS面临的诸多不确定因素，将序贯投资决策的实物期权方法与MonteCarlo模拟相结合，建立了基于偏均衡分析的CCS投资评价模型，研究电力企业投资CCS技术改造现有火电可以带来的成本节约收益价值和温室气体减排量，结合案例，论述了燃煤电厂投资CCS改造的期权价值和投资风险。并应用该模型分析了补贴政策对CCS投资行为的影响。模拟计算结果显示：在现有参考碳价格水平下，基准燃煤电厂投资改造CCS的风险很大，CCS改造投资被放弃的比例接近35%，可见现有的技术水平和政策框架不足以促进企业对现有燃煤电厂进行CCS改造投资。对比政府补贴投资和补贴发电两种政策的效果，在总预算补贴额度较小时，政府补贴企业的研发投入效果要优于直接补贴发电的效果。从评价结果看：首先，在CCS技术发展初期，我国政府应该侧重鼓励大型电力企业对CCS技术的消化学习，通过补贴研发投入，降低技术使用成本，为CCS技术未来的大规模采用打下基础。其次，一个较为有效的碳排放交易机制的构建，可以在长期促进国内电厂对CCS进行改造投资。

关键词CCS技术；碳排放税；成本节约；实物期权；LSM

中图分类号F272.3文献标识码A文章编号1002-2104（2014）07-0099-07doi：103969/jissn1002-2104201407015

碳捕获与封存技术（carbon capture and storage， CCS）的应用将会直接影响未来温室气体减排量的大小，尤其是在以化石能源作为主要能源的发展中国家[1-3]。CCS对于能源结构以煤为主的我国来说，具有十分特殊的意义，它可以保证继续使用煤炭等化石能源并减少温室气体排放，是十分有潜力的减排技术方案，并为促进实现国内煤炭的清洁利用提供了可能[4]。但CCS技术本身的针对性使得它不像发展可再生能源和提高能效等减排选项一样具有外部性作用（例如：可再生能源技术可以实现能源替代，节能技术有助于能源安全等）。燃煤电厂是CCS的发展重点。我国已建和在建的燃煤电厂数量庞大，如何对已经投入运营的燃煤电厂进行改造，加装CCS，是一个重要的低碳投资决策问题。目前来看，CCS存在几个比较突出的应用障碍：①CCS的技术发展不成熟，投资成本较高。②CCS的运营成本受化石能源价格影响较大。CCS技术需要额外消耗用电用于CO2捕获等，一个配备CCS系统的电厂相比同等电厂大约多消耗10%-40%的能源，发电成本将提高10%-60%[5]，因此化石能源价格波动将导致采用CCS技术的发电成本的不确定。③CCS发展的外部条件不完备。CCS带来的额外性成本需要通过一定的市场机制进行补偿，因此采用CCS技术的一个必要条件是政府对电力部门的CO2排放征税或者赋予价格。而未来气候政策走向的难以预料将直接影响未来的碳价格。所以，现有燃煤电厂的CCS改造投资面临较多的不确定性，需要建立合适的投资评价模型以将这些不确定因素纳入考量。

1文献综述

现阶段对于CCS研究的文献围绕技术进展本身的较多，包括CCS技术改进[3]，CCS技术对大气可能造成的影响分析[6]，CO2运输管道设计[7]，捕获气体体积性质[8]，等等。这体现了提高CCS技术经济性和适用性是目前CCS发展最为关键的环节。也有关于CCS相关政策法规的设计和影响，包括CO2封存的法律法规以及公众对该技术的接受度[9]，还有对CCS在发展中国家应用的驱动因素和障碍分析[4，10]等。对于CCS的投资评价，Abadie和Chamorro[11]考虑了欧洲电力市场与碳价格的不确定性，建立实物期权模型评价CCS投资，并利用二叉树方法求解，得到了针对火电加装CCS机组的最优投资规则，Fuss et al[12]同样考虑了欧洲电价与碳价格的不确定性，利用实物期权模型评价火电机组加装CCS装置后的价值。Fleten和Nskkl[13]考虑了电力价格和天然气价格不确定的情况下，在模型中也讨论了安装CCS装置后相应的减排成本对天然气发电项目估值的影响。Zhu和Fan[14]运用期权方法建模，在考虑燃料价格和碳价格等多种不确定性的条件下，研究了中国电力部门采用CCS技术部分替代现有火电的投资风险及相应的温室气体减排量。本文是针对项目层面的CCS投资改造决策，将序贯投资决策与Monte-Carlo模拟相结合，建立了基于成本节约现金流的CCS投资评价模型，在实物期权视角下考察现有火电机组加装改造CCS技术后可以带来的成本节约收益价值和相应的温室气体减排量。模型不但考虑了CCS面临的诸多不确定因素（碳价格、现有火电发电成本、带CCS火电发电成本、以及CCS投资成本），以及减排的额外性成本与收益问题，还进一步将该模型作为政策分析工具，对不同的CCS补贴政策对投资决策行为的影响进行了分析。

2模型描述

本文的成本节约收益是指：在碳排放被赋予价格的条件下，电力企业采用CCS的火电相对现有火电可以节约的成本，成本节约为正则表示通过采用CCS的火电可以避免的支出或者额外获得的收益，成本节约为负则表示采用CCS技术后需要额外付出的成本。

作为大型投资项目，电力企业投资CCS技术需要一段时间才能完成，因此企业对CCS的投资可以看作是多阶段的项目投资决策问题[15]。CCS投资被用来进行项目建设。只有当CCS项目投资完成之后，电力企业才可以获得因投资CCS技术发电带来的成本节约收益。

假设某现有燃煤电厂的剩余可运营年限为T年，模型中成本节约效应的考察期可以分为两个部分，一是完成CCS项目投资所需要的阶段，二是投资结束后电力企业获得成本节约收益现金流的阶段。电力企业在投资阶段可以选择放弃期权，在转化投资的每一期，需要对正在投资的CCS改造项目作出重新评估，以决定是否继续投资，或者放弃。当某阶段所需的投资额高于考察期内预期的CCS成本节约总收益时，企业会执行放弃期权终止该CCS改造项目以避免更大损失。为估值我们将T年分为N期，每期的长度为Δt=T/N，并且设定tn=nΔt，n=0，1，…N。

2.1CCS投资成本和技术不确定性建模

电力企业在投资CCS技术时，期初现有火电加装CCS装置所需要的期望总投入成本为K，电厂加装CCS的投资主要包括原有烟道改造，CO2捕获装置，压缩装置和部分运输管道，文中投资成本并未包括CO2埋存部分的成本。总的剩余转化成本在第ti期为K（ti）。每期所需要的投资为I。新技术的不确定性对投资有相当大的影响[15，16]。所以假设剩余转化成本K是不确定的，用来表示CCS技术本身的不确定性。K服从可控扩散过程：

其中，β是一个规模参数，代表围绕着K的不确定性的大小，CCS技术不确定性随着KCCS的减少而降低，反映了CCS投资过程中的技术学习；（Δt）1/2εK为维纳过程的增量；εK为均值为0，标准差为1的正态分布随机变量；假设（Δt）1/2εK与市场组合无关，即加装CCS的投资成本不存在风险溢价[16]。K的方差为Var（K）=[JB（（][SX（]β2[]2-β2[SX）]K2[15]。

对于尚处于研发中的技术，电力企业还需要对CCS进行技术消化学习，优化技术流程，以加快降低企业采用CCS技术的发电成本，这可以被视作是企业的技术学习行为。文中将这部分支出定义为企业对CCS技术的研发投入。当然需要指出的是，我们在这里定义的研发支出主要是针对大型电力企业，大型电力企业一般都会率先部署CCS技术，因而其需要对技术进行消化吸收并付出成本。假设CCS每期的研发支出为M（ti）（yuan/yr），研发支出在改造投资期间存在，即：

2.2CCS成本节约收益的不确定性因素建模

根据前面对CCS投资相关不确定性的描述，假设现有火电发电成本服从几何布朗运动，用风险中性运动过程表示，即：