政策对发电企业能源决策的影响及最优化模型

刘洽，赵秋红

(北京航空航天大学经济管理学院，北京100191)

　　摘要：论文考虑由可再生能源发电企业和传统化石燃料发电企业组成的电力供应市场，分析可再生能源电价补贴政策、可再生能源技术研发投入补贴政策、不可再生能源碳排放价格政策的影响，建立了两类电力企业以自身利润最大为目标的决策模型，给出了最优解的表达形式。论文结合我国生物质能源政策，分析得出：提高可再生能源技术研发投入补贴率是刺激企业增加技术研发投入的有效措施；为优化我国能源结构同时增加社会总发电量，不能将碳排放价格制定过高，而应重点降低可再生能源的发电成本。最后，论文引入由消费者剩余、电力部门总收入、补贴或者税收收入转移、环境损害组成的社会福利函数模型，构建了基于社会福利最大的可再生能源政策决策模型，得出我国应加大生物质能源研发投入补贴率、提高碳排放价格实现社会福利最大化。论文的研究工作和得到的结论对相关部门制定有效的可再生能源政策具有积极的指导意义。

　　0引言

　　随着全球经济的发展，世界各国对能源的需求不断增加。2010年，几乎各种能源的增长率都超出过去10年平均增长率的1倍以上，能源已成为世界各国经济发展和民众生活的重要议题。在中国，国民经济的快速增长使全社会用电量逐年增加，据中国电力企业联合会发布的2012年全国电力工业年快报统计，2012年全社会用电量4.96万亿Kw·h，我国未来的电力需求将更大。世界能源消耗以不可再生的化石能源(石油、天然气、煤炭)为主，不可再生能源资源有限，大量使用不可再生能源会导致其枯竭，并且会对环境产生不可恢复的破坏。所以，国内外很多国家开始重视对可再生能源的开发与利用。

　　生物质能源作为可再生能源的一种，其原材料资源丰富、成本低，已引起世界各国的高度重视，欧盟、美国等发达国家都走在了生物质能源发电产业的前列，我国近年来也高度重视该产业的发展。2006年我国制定了《可再生能源法》，计划在2010年将生物质发电总装机容量增加到400万千瓦，2020年到2400万千瓦。这项政策极大地刺激了生物质发电产业的投资，2006-2009年，生物质发电的投资总额由168亿元增加到452亿元，年均增长率在30％以上；同年，国家发改委制定了《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》，规定生物质发电项目上网电价由国务院价格主管部门分地区制定的标杆电价和补贴电价组成，并两次上调高脱硫标杆电价，目前补贴电价标准为每千瓦时0.25元(补贴15年)；2007年，国务院制定了《中国应对气候变化国家方案》，该方案以生物质发电为重点，大力推进生物质能源的开发和利用；2008年，财政部秸秆能源化利用补助资金管理暂行办法》完善了生物质能源发电的资金补助政策；2010年，国家发展改革委发布了《关于生物质发电项目建设管理》的通知，高度重视生物质发电规划工作，落实了生物质资源的条件和保障措施。

　　可再生能源的开发与使用能有效缓解我国能源压力、改善我国能源结构。但是，与传统的化石燃料发电相比，可再生能源发电固定成本高、风险大、投资积极性低。所以，为了提高可再生能源发电企业的积极性、增强可再生能源发电企业的市场竞争力，政府必须出台一系列政策扶持可再生能源企业的发展。Fischer提出可再生能源发电政策包括：限制碳排放量、碳交易市场、能源税收政策、上网电价制度、市场配额制、生产补贴、研发支持。张阿玲提出强制性市场配额是国际通行的做法，政府财政补贴和税收优惠等政策能对可再生能源产业链条进行激励；RJobinson提出制定政府财政补贴和税收优惠等政策对可再生能源产业链进行激励；0wen指出内部化常规发电成本刺激可再生能源企业的发展。

　　很多学者对各类可再生能源政策进行对比分析。Butler通过比较德国和英国现行的可再生能源政策，得出配额制的政府支出要比上网电价制度政府支出少；Fischer运用数学模型分析了税收和补贴政策同时使用时发电企业的利润情况；Jennifer以风力发电为例，得出市场配额制使用会增加社会成本，绿色交易证书政策的使用也会增加社会成本；吴文建研究四种政策下的收益分配结果，得出制定配额制是可再生电力政策的重要方向。很多学者分析比较专门可再生政策(增加可再生能源的收益或减少可再生能源的成本)和环境类政策(增加不可再生能源的污染成本)得出，环境类政策符合污染者付费的传统规范，符合经济学的效率和福利观点，是更为有效的可再生能源政策。

　　可再生能源政策引导着可再生能源的开发与使用，在制定可再生能源政策时，如果缺乏对可再生能源利用所带来的综合效益的系统全面认识，仅关注如何最大化可再生能源政策带来的经济效益，而不全局考虑如何使得整个社会福利的最大化，会误导可再生能源的发展。所以，在制定可再生能源政策时，不仅要考虑可再生能源政策带来的经济性，还要综合考虑消费者剩余、环境性等其他因素。翁章好提出在制定可再生能源政策时，应从效率、福利、消费者负担等视角进行综合考虑；Fischer提出根据由消费者剩余、电力利润、环境污染、政策费用构成的社会福利函数来制定可再生能源政策。

　　近年来，很多学者开始结合具体的可再生能源政策进行实证研究。Ozcan对土耳其18位可再生能源领域的投资者进行采访，分析了土耳其可再生能源激励制度的有效陛及激励政策优缺点；Fais从长期的角度，研究和分析了不同类型的可再生能源政策机制对可再生能源发展的影响，比较德国上网电价制度与其他机制，得出德国上网电价制度下，可再生能源发电量在未来的增长趋势；Hoefnagels研究了在不同的可再生能源政策下欧盟国际和国内固体生物燃料的使用情况，得出：欧盟若要在2020年实现20％的可再生能源目标，必须制定限制温室气体排放等政策。

　　本文基于Held、Fischer对可再生能源政策的研究，结合我国现行的可再生能源政策法规，研究了可再生能源电价补贴、可再生能源技术研发投入补贴、不可再生能源征收碳排放价格这三类可再生能源政策，对可再生能源发电企业和传统化石燃料发电企业生产决策的影响。并以备受关注的新型生物质能源发电为例，结合我国已有的生物质能源发电政策，分析了生物质能源发电产业的发展现状，并提出了相应的政策建议。本文还建立了由消费者剩余、电力利润、环境污染、政策费用构成的社会福利函数，构建了基于社会福利最大化的三类政策制定的最优化模型，并求解得到了最优的政策决策。

　　1问题描述

　　本文将电力市场简化，假设电力市场只存在可再生能源发电企业和传统化石燃料发电企业两类发电企业，两类发电企业是完全竞争的，且可再生能源发电企业、传统化石燃料发电企业都以自身利润最大化为目标进行生产决策。本节将研究可再生能源电价补贴、可再生能源技术研发投入补贴、不可再生能源征收碳排放价格这三类政策，对两类发电企业投入、产出决策的影响，即可再生能源发电企业如何根据这三类政策，决定其发电量和技术研发投入；传统化石燃料发电企业如何决定其发电量和碳排放系数。

　　1.1传统化石燃料发电企业

　　传统化石燃料发电企业指以不可再生的化石燃料为原材料的发电企业。传统化石燃料发电技术成熟，发电成本低，但是碳排放量大，会造成一定的环境污染，且发电原材料资源有限。虽然，传统化石燃料发电目前构成我国电力的主要供给，但是政府在逐渐减少传统化石燃料发电，以优化我国能源结构。

　　直接影响化石燃料发电企业生产决策的政策主要是向不可再生能源征收碳排放价格(t)，碳排放价格是对化石燃料发电带来的环境污染的一种惩罚。传统化石燃料发电企业的生产决策包括两项：传统化石燃料总发电量(f)和碳排放系数(u）。碳排放系数表示单位发电量带来的碳排放水平，碳排放系数越大生产成本MC(u)越低，而相应的碳排放惩罚成本t×u越大。本文假设，不可再生能源的发电生产成本函数MC(u)与发电企业的碳排放系数(札)成二次函数关系：

　　1.2可再生能源发电企业

　　可再生能源发电企业指以可再生的非化石燃料为原材料的发电企业，如：风力发电、光伏发电、生物质能发电等。可再生能源发电起步较晚，发电成本高，但是其原材料可再生，并且属于环境友好型，受到各国政府的鼓励和扶持。

　　直接鼓励可再生能源发电企业的政策主要是可再生能源电价补贴政策和可再生能源技术研发投入补贴政策。可再生能源电价补贴是在可再生能源上网电价的基础上加价s(电价补贴)，以提高可再生能源发电的收益；可再生能源技术研发投入补贴是政府分摊一定比例(Z)的技术研发投入，以减轻可再生能源技术研发投入的资金负担。可再生能源发电部门的生产决策包括可再生能源总发电量(q)和技术研发投入(h)，技术研发投入是指发电部门进行的能效投资，用以提高发电效率、降低发电成本。本文假设，可再生能源发电总成本函数为C(K，G)，是关于可再生能源知识存量函数K(h)和可再生能源发电成本函数C(q)的函数：

　　知识存量函数K(h)表示一定的研发和投资水平下的技术水平。技术研发投入的增加，能提高发电企业的技术水平，从而降低发电总成本，所以，本文设定K(h)是关于h的减函数。此外，一定技术研发投入会产生相应的研发投入成本，可再生能源技术研发投入成本函数H(U)是h的增函数，本文参考Fischer已有的研究，将研发投入成本函数表示为线性函数。综上，本文设定：

　　1.3两类发电企业基于自身利润最大化的决策模型

　　在本节开头，本文已假设可再生能源发电企业、传统化石燃料发电企业以自身利润最大化为目标，将根据政府制定的可再生能源电价补贴政策(s)、可再生能源技术研发投入补贴政策(z)、不可再生能源征收碳排放价格政策(t)这三类政策，进行相应的生产决策。可再生能源发电企业和传统化石燃料发电企业的发电量构成电力系统的总供给量，共同决定市场电价。本文假设，发电企业是价格的接受者，价格P与发电量(q+f)存在以下关系：

　　可再生能源发电企业和传统化石燃料发电企业的生产决策，都是以自身利润最大化为目标的，所以令可再生能源发电企业利润对发电量(q)、技术研发投入(h)求导等于0；传统化石燃料发电企业利润对发电量(f)、碳排放系数(μ)求导等于0，得到下面方程组：

　　2基于我国生物质能源发电政策的算例分析

　　目前，我国生物质能源发电产业最主要的政策是生物质能源电价补贴政策。2006年，国家发展改革委印发的《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》规定：生物质能源发电项目上网电价补贴标准为0.25元／Kwh，发电项目自投产之日起，15年内享受补贴电价，且补贴电价按2％逐年递减；运行满15年后，取消补贴电价。

　　本节结合我国生物质能发电产业近年来的政策法规，收集生物质能源发电行业具体的数据，对我国可再生能源中的重要一类，即生物质能源发电的发展现状做了相应的研究和分析。本节研究了在现行的生物质能源电价补贴政策下，可再生能源技术研发投入补贴政策、不可再生能源碳排放价格政策对生物质能源发电产业的影响，并提出了相应的政策建议。

　　2.1算例参数解释

　　2.2我国生物质能源技术研发投人补贴政策对技术研发投人影响的分析

　　我国生物质能源发电正处于初始阶段，发电成本高、风险大，且国内缺乏专门的生物质燃烧锅炉设计能力、生产制造能力和使用经验，专业技术人才匮乏，国家科研支撑也显不足。我国生物质发电相关的软科学研究滞后、技术科研投入不足，是生物质能源开发和利用的一大难题。如何鼓励和刺激生物质能源发电企业进行技术研发投入，从而提高企业的生产水平、降低生产成本，实现生物质能源发电的长远发展是政府政策制定的工作重点。本文1.3节研究已得：

　　综上分析，政府加大可再生能源技术研发投入补贴率，是鼓励和增加技术研发投入的最有效途径。目前，我国生物质能源发电处于初级阶段，加大对生物质能源技术研发投入的补贴，提高生物质能源技术研发投入补贴率，分担企业的研发投入成本，才能鼓励和提高企业研发投入水平，推动整个生物质能源发电行业的发展。

　　2.3我国不可再生能源碳排放价格政策对优化我国能源结构的分析

　　2006年颁布的可再生能源中长期发展规划》提出，我国未来能源重点发展领域包括生物质能源发电产业，并提出在“十一五”前3年的两项目标：第一，优化我国能源结构，提高可再生能源在整个能源结构中的比重，尤其是生物质这种新型的、低污染的能源；第二，增加社会总发电量，以满足日益增长的电力需求。本文在1.3节已得到可再生能源发电部门发电量(q)与传统化石燃料发电部门发电量(f)的表达式，如下：

　　为了优化能源结构，而采取减少传统化石燃料发电部门发电量的措施，只适用于可再生能源发展的成熟阶段。在初始阶段，可再生能源发电量总量太少，基本靠传统化石燃料发电满足全国的电力需要，提高碳排放价格会使社会总发电量减少，很难满足日益增长的经济需求。

　　综上，为了实现《规划》中提出的优化我国能源结构、增加社会总发电量的双重目标，应着重考虑如何降低生物质能源的发电成本。在生物质能源发展初期，不宜将碳排放价格制定过高，只有当生物质能源发电趋于成熟后，才能通过增加碳排放价格以优化能源结构。

　　3政府基于社会福利最大化的政策制定

　　政府作为政策的制定者，引导和决定着发电部门的生产和投入决策。政府在制定可再生能源政策时，要用全局的视角，考虑如何使整个社会资源得到最优的分配，实现社会福利的最大化。不能简单地只考虑可再生能源政策带来的经济性，而忽视环境效益、社会效益、可持续发展效益、消费者负担等其他因素。Fischer提出的社会福利模型是目前较为完善的可再生能源政策制定模型，他考虑到了除经济效益以外的其他因素，将社会福利综合为：

　　《中国资源综合利用年度报告(2014)》统计，我国2013年全国社会用电量达5.3×10¹²kW·h，其中传统化石燃料发电4.77×10¹²kw·h(约占总发电量的90％)，生物质发电3.7×10¹⁰kW·h。而在本文给出的最优决策下，传统化石燃料发电企业发电量5.9×10¹²kW·h；可再生能源发电企业发电量5.2×10¹⁰kW·h。所以，本文给出的最优决策能够更好地满足日益增长的电力需求。

　　目前，我国现行的生物质能源电价补贴s=0.0418美元，国内外碳排放价格t=216(t-c／kW·h)，据《中国低碳发展报告(2013)》统计，我国生物质能源技术研发投入补贴率z=0.55(其中中央财政补贴20％，社会投资补贴35％)。与本文得到的最优政策相比，本文建议政府加大生物质能源技术研发投入补贴率，提高碳排放价格。

　　4结论

　　本文通过建立可再生能源发电企业、传统化石燃料发电企业利润最大化的生产决策模型，研究了在可再生能源电价补贴政策、可再生能源技术研发投入补贴政策、不可再生能源碳排放价格政策这三类能源政策下，两类发电企业的生产决策，给出了最优解的表达式。表明：传统化石燃料发电企业关于碳排放系数的决策，仅受不可再生能源碳排放价格政策的影响；可再生能源发电企业的发电量仅由可再生能源技术研发投入补贴率决定。

　　论文结合我国现行的生物质能源发电政策，进行了算例分析，得出：提高可再生能源技术研发投入补贴率是鼓励企业进行技术研发投入的最有效措施；我国生物质能源发电处于初始阶段，为实现优化我国能源结构、增加社会总发电量的双重目标，应着重考虑如何降低生物质能源的发电成本，不宜将碳排放价格制定过高。

　　在上述研究成果的基础之上，本文构建以消费者剩余、电力部门总收入、补贴或者税收收入转移、环境损害组成的社会福利函数为目标函数的最优化问题模型，分析如何制定三类能源政策使社会福利最大。本文研究指出，在制定可再生能源政策时，不能只关注增加政策的经济效益，还要考虑并权衡消费者剩余、政府投入等问题，并得出加大生物质能源研发投入补贴率、提高碳排放价格能实现社会福利最大化，并且能满足我国日益增长的电力需求。

　　论文研究工作对三类能源政策进行了系统分析和阐述，研究成果和得到的结论对相关部门制定有效的可再生能源政策具有积极的指导意义。