碳交易在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃與運行中的應用及展望

　　摘要：由于化石能源的大規(guī)模消耗和隨之而來的碳排放，能源與環(huán)境問題在世界范圍內(nèi)日益突出。引入碳交易和發(fā)展綜合能源系統(tǒng)成為實現(xiàn)能源行業(yè)低碳化和可持續(xù)發(fā)展的重要手段，兩者如何結合促進應予以重點關注。該文聚焦碳交易在綜合能源系統(tǒng)中的應用問題，首先總結了碳交易關鍵要素和碳市場發(fā)展狀況，而后分析了碳交易對綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃與運行的影響過程，全面梳理了考慮碳交易的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃與運行模型的組成要素和研究現(xiàn)狀，最后從影響機理、交易機制和應用模式三個方面對碳交易與區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展進行了探討和總結。

　　關鍵詞：碳中和;碳配額;多能耦合;能源市場

　　引言

　　在全球氣候變暖和化石資源銳減的背景下，低碳化成為實現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展的關鍵[12]。為此，各國政府立足本國國情，紛紛出臺了一系列應對措施，積極推動非化石能源替代化石能源、低碳能源替代高碳能源，并做出了相應的碳排放控制承諾[3]，如：西班牙提出了―2050年電力系統(tǒng)脫碳‖目標[4];2020年，中國做出了―2030碳達峰，2060碳中和‖低碳承諾。能源行業(yè)作為碳排放的重要主體[5]，是上述減排目標實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，推動低碳能源發(fā)展尤為重要，因此，低碳發(fā)展思路和技術一直備受關注[6]。

　　能源論文范例：河南省能源、經(jīng)濟與環(huán)境(3E)系統(tǒng)綠色發(fā)展評價與分析

　　總的來說，能源行業(yè)低碳化途徑有兩類，一是應用經(jīng)濟、高效的能源轉(zhuǎn)換和多能互補技術，如儲能、冷熱電三聯(lián)供、P2G等，構建集電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)以及天然氣系統(tǒng)為一體的綜合能源系統(tǒng)[7]，實現(xiàn)不同能源系統(tǒng)之間的深度融合，提升能源整體利用效率，推動可再生能源規(guī)�；�消納，降低能源供給成本;二是引入碳交易機制[8]，按照―誰污染，誰治理‖的原則，在碳排放權總量不變前提下，以碳排放權為媒介，通過買賣形式對碳排放企業(yè)進行獎懲，促進碳排放成本從減排成本低的企業(yè)流向減排成本高的企業(yè)，從而將環(huán)保問題轉(zhuǎn)化成經(jīng)濟問題，在節(jié)約全社會減排成本的同時，實現(xiàn)資源優(yōu)化配置[9]。近年來，以能源去碳化為發(fā)展方向，我國在多能互補和優(yōu)化系統(tǒng)、―互聯(lián)網(wǎng)+‖智慧能源、可再生能源消納等方面開展了大量的探索與試點工作，積極發(fā)布碳交易相關政策、開展碳排放權交易等。

　　綜合能源系統(tǒng)和碳交易是相輔相成、相互促進的關系，碳交易機制的實施與完善將進一步提升綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟和環(huán)境效益。以新能源消納為例，文獻[12]研究分布式光伏項目的碳排放足跡問題，在發(fā)電成本函數(shù)中計及碳交易成本，具體分析光伏產(chǎn)消者加入碳交易對整體發(fā)電成本的影響，驗證了引入碳交易可有效提高光伏發(fā)電收益。

　　在這一背景下，本文面向綜合能源和碳交易結合促進問題，對考慮碳交易的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃與運行模型與策略進行了總結梳理和展望，具體如下：(1)重點梳理碳交易概念、模式及市場現(xiàn)狀;(2)著重討論綜合能源系統(tǒng)研究中的個重要分支：規(guī)劃和運行，分析碳交易對綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃和運行影響的研究現(xiàn)狀和關鍵模型;(3)從影響機理、交易機制和應用模式三方面提出碳交易下一步發(fā)展思路和需解決問題。

　　1碳交易關鍵要素

　　1.1碳交易定義及過程

　　碳排放是指人類在各種生產(chǎn)、生活活動時造成的溫室氣體排放[13]。碳排放權交易(簡稱碳交易)源于1997年《京都議定書》，是一種面向減排目標的配額交易體制，以碳排放配額(簡稱碳配額)為載體，明確被納入碳交易市場的企業(yè)主體，納入企業(yè)通過政府分配、自行拍賣等多種途徑獲取對應的碳配額，并根據(jù)自身實際排放自由交易碳配額[9]，充分發(fā)揮市場機制作用，以最優(yōu)經(jīng)濟成本實現(xiàn)溫室氣體排控目標。

　　(1)碳配額獲取：監(jiān)管部門根據(jù)區(qū)域內(nèi)環(huán)境現(xiàn)狀和溫室氣體總量控制目標等約束確定區(qū)域碳排放總額，向核準有減排義務的企業(yè)分配碳配額，或者企業(yè)通過自行拍賣等其他方式獲得碳配額;(2)各企業(yè)根據(jù)自身排放情況參與碳市場交易，如果其所分配到的碳配額大于實際碳排放總量，可以選擇保留或出售多余的碳配額以獲得更多的經(jīng)濟收益;反之亦然，需要從市場上購買碳配額或通過自行減排以避免高額罰金，通過經(jīng)濟性獎懲來激勵企業(yè)節(jié)能減排。

　　1.2碳交易成本

　　碳交易本質(zhì)上是一種經(jīng)濟行為，碳交易成本是核心。這里對影響碳交易成本關鍵因素進行解釋。

　　1.2.1碳排放強度碳排放強度可定義為單位國民生產(chǎn)總值碳排放總量。目前存在兩類概念：一是平均碳排放強度，即一段統(tǒng)計時間內(nèi)的碳排放強度均值，如2017年全球平均電力碳強度為0.45kg/kWh，一般情況下碳排放強度等同于平均碳排放強度。在電力行業(yè)，燃煤機組(主網(wǎng))碳排放強度最高[14]，燃氣機組等清潔能源機組次之，僅有燃煤機組的1/2，風光等可再生能源機組最小。

　　1.3碳交易市場

　　當前，碳交易模式主要有兩種：一是基于碳排放總量交易原則，監(jiān)管部門負責制定系統(tǒng)整體的碳排放總量，并對按機組容量大小對系統(tǒng)內(nèi)各類機組分配初始額度。該模式目標在于控制系統(tǒng)碳排放總量，適用于發(fā)達國家。二是碳排放強度原則[21]，目標是減少機組單位碳排放量，而非限定碳排放總量，適用于發(fā)展中國家。

　　2碳交易對綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃與運行影響

　　一系列實踐表明，構建綜合能源系統(tǒng)可以打破各類各級能源子系統(tǒng)間的行業(yè)壁壘，以冷、熱、電、氣等多種能源協(xié)同策略來滿足用戶多樣需求的同時，在區(qū)域內(nèi)、區(qū)域間提升多能協(xié)同供給效益[27]。在實際運行時，有部分機組因多能互補技術實現(xiàn)能源供給效率和市場競爭力的雙提升，但風電等低碳機因投資成本、運行成本高等約束問題，在參與市場時處于劣勢地位，上網(wǎng)和獲利空間較少，導致該類低碳機組發(fā)展受到限制。

　　碳交易機制實施后將對各類機組運行成本產(chǎn)生直接影響，也為促進綜合能源系統(tǒng)低碳化提供了有效途徑。具體表現(xiàn)為：考慮碳交易后，高耗能機組(如燃煤電廠等)的運行成本明顯增加，而低碳機組(如風電機組、燃氣機組)的運行成本緩增甚至降低。當高耗能機組運行成本不斷增加至影響其發(fā)電收益時，系統(tǒng)調(diào)度員將會通過控制機組出力來確保社會福利最大化;相反，低碳機組運行成本進一步降低后，將會獲得優(yōu)先調(diào)度權，獲利空間增加。

　　綜上所述，碳交易機制可以平衡綜合能源系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性與環(huán)保性[6]，也有利于改善系統(tǒng)電源結構，利好風電等高投資成本的可再生能源，促進能源結構多元化，有助于搭建完善、綜合的清潔能源供給體系�？紤]碳交易的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃與運行模型綜述在已有綜合能源系統(tǒng)研究中，碳交易引入基本思路如下：以排放量或價格為載體，將碳要素轉(zhuǎn)化成相應的因素、變量或約束條件，納入綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃與運行模型中，繼而提出兼顧環(huán)保性和經(jīng)濟性的系統(tǒng)運行優(yōu)化策略[28]。進一步研究方向隨著區(qū)域綜合能源系統(tǒng)和全國碳交易市場的興起，碳交易模型、機制和模式將呈現(xiàn)多場景、多樣化和差異化特點，亟需進一步豐富和細化，以更好地匹配系統(tǒng)需求和區(qū)域能源特點，實現(xiàn)綜合能源市場和碳市場的協(xié)同發(fā)展。

　　4.1構建碳市場與其他能源市場的影響機理模型

　　實施碳市場后，碳價格的引入將對各類能源機組的運行成本帶來或大或小的影響，繼而影響能源市場的競爭格局。與煤炭相比，天然氣和可再生能源碳排放強度更小，在供給相同能源時燃氣機組或可再生能源機組產(chǎn)生的碳排放量更小，在碳市場中具有經(jīng)濟優(yōu)勢，將影響能源供應機組分配策略，導致可再生能源和天然氣需求進一步增加，而煤炭需求相應減少。

　　進一步地，這也將影響其他能源市場如綠證、天然氣、煤炭、電力市場的活躍度，從而影響各級能源市場供需關系和市場均衡結果，對各級能源市場價格產(chǎn)生作用，繼而影響區(qū)域綜合能源優(yōu)化運行策略，甚至在中長期尺度上也將影響能源市場電源結構配置[48]。當然，新的電源結構也會對碳市場帶來不小的沖擊。因此，需要對碳市場與其他能源市場之間的相互影響機理及價格傳導機制開展機理研究，可通過構建基于系統(tǒng)動力學的因果推導模型來驗證和分析。

　　4.2構建區(qū)域能源市場中多樣化碳交易機制

　　與大而泛的國家級能源市場相比，區(qū)域能源市場更具有自身特點，如清潔能源消納困難、用戶環(huán)保意識不一、某類機組占比高等[49]，交易主體更為統(tǒng)一，可通過設計多樣化、定制化碳交易機制，實現(xiàn)碳資源互濟，發(fā)揮碳交易市場配置作用。具體地，站在區(qū)域運營商角度，引入邊際碳排放強度信號，形成碳交易二級市場，由各類主體上報碳交易需求并觸發(fā)交易事件，形成多時段多樣化碳交易價格或競價體系，以更好地激勵各類主體實時跟蹤碳交易價格，形成常態(tài)化高效的區(qū)域碳交易市場，實現(xiàn)碳資源的就地互濟和平衡，促進區(qū)域低碳生態(tài)構建，減少與上級碳交易市場交互。

　　4.3構建計及區(qū)塊鏈技術的碳交易體系

　　多樣化碳交易機制擴展了碳交易的范圍，但如何確保各類主體之間的交易互信仍是碳交易持續(xù)開展的關鍵。因去中心化架構、集體維護機制、數(shù)據(jù)安全性高等優(yōu)勢，很多文獻開展了區(qū)塊鏈和碳交易結合研究[50]，提出多種區(qū)塊鏈技術與碳交易相結合的運行方案，應用區(qū)塊鏈的多項技術優(yōu)勢來改善碳交易過程中可能出現(xiàn)的漏洞。文獻[51]設計了面向碳交易的區(qū)塊鏈六層核心技術架構和―五步驟‖實現(xiàn)方案，構建―企業(yè)交易政府監(jiān)管第三方審核金融風險防范‖全維度的區(qū)塊鏈碳交易模式。

　　文獻[19]基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈技術，提出了―多對多‖碳排放權交易的應用方案�？梢哉f，區(qū)塊鏈在能源行業(yè)的應用正逐漸普遍，如區(qū)塊鏈分類賬被用于降低交易成本，查明能源來源和提高交易效率。目前計及區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的碳交易區(qū)塊鏈研究較少，應盡快研發(fā)面向區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的區(qū)塊鏈碳交易平臺，可選擇一至兩個交易較活躍、資源較豐富的地區(qū)作為試點推廣試用[5253]，探索包括碳配額購買或分配，碳交易決策與競價、碳交易結算與監(jiān)管等在內(nèi)的功能服務，充分利用區(qū)塊鏈底層技術優(yōu)勢來提升碳交易的可行性、便捷性和優(yōu)質(zhì)性，分布式碳交易主體架構如圖所示。

　　5結束語

　　在―2030碳達峰，2060碳中和‖目標下，我國節(jié)能減排任務艱巨，必須加快構建清潔、安全和高效的綜合能源運行體系，打通各級能源體系多種壁壘，讓各類能源品種有機融合，協(xié)同參與降碳減排。在這一背景下，充分發(fā)揮經(jīng)濟杠桿作用，不斷深化碳交易和綜合能源系統(tǒng)融合是必經(jīng)之路和重重之重。本文以綜合能源系統(tǒng)為切入點，分析了碳交易機制引入對綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃和運行的影響，提煉了關鍵模型，總結了國內(nèi)外的研究動向，并對未來的研究方向進行了展望。

　　參考文獻

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　　作者：萬文軒,冀亞男，尹力,吳恒

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