燃煤电厂碳捕集、利用与封存技术投资决策研究

第1章 燃煤电厂CCUS技术投资决策面临的问题 1.1 问题的提出 全球环境问题，特别是温室效应问题越来越严峻，如全球变暖、森林资源锐减等对人类的生产活动造成了极为不良的影响，也成为世界各国政府和公众关注的焦点。 为了有效解决温室效应问题，世界各国都在努力探索有效方法以进行温室气体减排。全世界178个《联合国气候变化框架公约》的缔约方在2015年12月一致同意通过《巴黎协定》，协定同意将21世纪内全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2℃内，并为控温1.5℃而努力。中国也为人类的发展向全球做出了“中国承诺”，宣布了低碳发展的系列目标，包括2030年左右使CO2排放量达到峰值并争取尽早实现，2030年单位国内生产总值CO2排放比2005年下降60%～65%。国务院2013年8月印发的《国务院关于加快发展节能环保产业的意见》(国发〔2013〕30号)和2016年11月印发的《“十三五”控制温室气体排放工作方案》(国发〔2016〕61号)的总体要求都提到了顺应绿色低碳发展国际潮流，加强碳排放和大气污染排放的协同控制。若各国政府在现在的情况下采取减排措施，2050年能实现减排约50%，而这需要先进的技术支持(胡秀莲和苗韧，2014)。2007年6月国务院发布的《中国应对气候变化国家方案》明确提出，要依靠科技进步和科技创新应对气候变化，研发温室气体减排技术、气候变化监测技术和气候变化适应技术等。 截至2016年11月，中国CO2排放量占全球排放总量的约30%，是全球CO2排放量*高的国家之一。虽然《京都议定书》要求我国从2012年才开始承担减排义务，但是随着我国经济规模不断扩大，能源需求不断增加，导致CO2排放速度迅速增长，所以CO2减排不仅是《京都议定书》2012年开始对发展中国家的要求，也是我国可持续发展的必然选择。但是强制实施碳减排会影响我国能源安全、各种要素价格、经济投资决策等，从而影响经济增长(陈文颖 等，2004)。先进的减排技术是不影响经济增长和能源需求的*好的选择，因此碳捕集、利用与封存(CCUS)技术应运而生。据预测，到2050年，在减排情境下，碳捕集与封存(carbon capture，storage，CCS)的减排潜力可达全球碳排放总量的31%(胡秀莲和苗韧，2014)，其对我国节能减排非常重要，减排情境下不同发电技术对减排量的贡献如图1.1所示。 图1.1 不同发电技术在减排情境下的减排贡献量 尽管如此，CCUS技术要广泛应用于电厂、钢铁厂还包含多种不确定因素，如CCUS技术水平、项目投资成本、燃料价格、碳排放价格以及政策法规等(陈涛 等，2012)。又因为燃煤电厂CCUS技术投资具有成本不可逆、投资回报不确定性、时机可选择性、技术不确定性和风险大等复杂特性，传统投资决策方法因为缺少管理柔性而面临着挑战，对于传统投资评价理论的不足，可以由实物期权法(real options approach，ROA)来弥补。实物期权法的特点是投资项全部不可逆或者是部分不可逆和管理弹性等，它不仅没有规避投资项目的风险，而且将项目的不确定性考虑为可以带来收益的因素。燃煤电厂CCUS技术投资本身的投资特性正好和实物期权法特点相契合，能将项目的不确定性和其他影响因素纳入决策模型，支持投资者做出合理的投资决策。对于CCUS技术这类由潜在风险带来的投资收益的项目，传统的投资评价方法与实物期权法相比，存在没有考虑管理柔性的缺陷，故本书将实物期权法引入到燃煤电厂CCUS技术投资项目评价中，建立一个将不确定因素纳入并且科学合理的评估模型，以评估投资项目的收益和CCUS技术投资项目的期权价值。 本书在国内外学者研究的基础和成果之上，通过传统投资决策方法和不确定条件下投资决策理论方法的对比，结合在不确定条件下燃煤电厂CCUS技术投资项目的复杂特性，对燃煤电厂投资CCUS技术投资的评价方法做出有益的探索，并计算出不确定条件下CCUS技术项目的投资价值。本书主要贡献如下。 (1)给出不确定条件下燃煤电厂CCUS技术投资决策的模型框架，供企业投资者参考。由CCUS技术的发展现状和需求识别出CO2资源化利用的可能性，对燃煤电厂CCUS技术投资项目具有的特点进行分析，并根据项目投资特性选择适合的投资决策方法。 (2)本书给出案例，为企业投资者在投资时使用实物期权法提供参考。选择燃煤发电行业*有发展潜力的超临界燃煤电厂作为案例的基准电站，通过对模型的仿真分析得出结果。又因为实物期权法在实际应用中计算比较复杂、困难，本书案例中的计算步骤和方法能给使用实物期权法的投资者提供一定的参考。 (3)为达到国际、我国碳减排目标及CCUS技术在燃煤发电行业的发展目标，本书根据分析结果提出适当的政策建议。世界各国为将21世纪内全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2℃内及控温1.5℃而努力，中国也提出在2030年碳减排达到比2005年下降60%～65%的目标，在这样的国际和国家大目标的指引下，本书根据实证案例的敏感性分析结果提出CCUS技术在中国燃煤发电行业发展的政策建议。 1.2 研 究 意 义 CCUS技术在燃煤发电行业具有很大的减排潜力，因此研究在不确定条件下燃煤电厂何时投资、如何投资CCUS技术有着重要的理论意义和实践意义。 (1)研究的理论意义。在电力投资领域，有很多学者都用实物期权法进行投资决策研究，但是用实物期权法研究燃煤电厂CCUS技术投资项目的文献还比较少。燃煤电厂投资者在做出投资决策时应充分考虑投资项目的特点和面临的不确定性，选择与项目特点适合的投资决策方法进行评估，并建立科学有效的评估模型。本书把实物期权法和期权定价模型应用到燃煤电厂CCUS技术投资项目评价中，并考虑了CCUS技术的不确定性，建立燃煤电厂CCUS技术项目投资决策模型，为企业投资CCUS技术项目提供理论支持，并丰富目前实物期权法在燃煤发电行业投资CCUS技术应用的理论大纲。 (2)研究的现实意义。我国大部分CO2排放来源于燃煤发电厂，煤炭在我国一次能源中所占的比例高达60%，而将近50%的煤炭用于发电(国际能源署，2008)。全球碳减排路径的压力越来越大，在这种情况下，既要保障我国的电力供应，又要减少温室气体排放，又因到2050年，CCUS技术有减少CO2排放量占全球排放总量33%的潜力(胡秀莲和苗韧，2014)，普及CCUS技术就显得极为迫切。本书将实物期权法引入燃煤电厂CCUS技术投资项目的评价中，可为判断我国燃煤电厂CCUS技术项目的投资方向提供参考。 1.3 主 要 内 容 本书围绕五个方面的内容展开。 (1)CCUS技术发展现状及投资决策理论。主要介绍了CCUS技术及发展现状；介绍CCUS投资决策用到的理论方法，包括净现值投资决策理论、实物期权理论、不确定性理论。 (2)燃煤电厂CCUS技术投资决策分析。论述了燃煤电厂行业发展现状和CCUS技术的发展现状，对比了传统投资决策的基本理论方法及模型和不确定条件下的投资决策方法及模型，得出了不确定条件下的投资决策方法及模型的优越性；*后分析了燃煤电厂CCUS技术投资性质，根据投资性质选择适合燃煤电厂CCUS技术投资的决策理论方法。 (3)不确定条件下燃煤电厂CCUS技术投资决策模型构建。具体分析基于不确定条件下燃煤电厂CCUS技术投资决策过程与模型，首先就影响CCUS技术投资收益的不确定性因素进行分析；之后在此基础上给出计算投资项目净现值的过程和具体公式；然后构建燃煤电厂CCUS技术投资的定价模型；*后给出CCUS技术项目的投资决策规则，并利用案例进行分析和讨论。 (4)激励政策对CCUS技术投资的影响评估。探讨了目前政策下CCUS技术投资问题，首先基于二叉树实物期权法建立了决策模型；随后通过案例分析，探讨了碳交易价格与碳上限政策对投资决策的影响，根据影响因素做敏感性分析，并根据研究结果和敏感性分析结果就影响燃煤电厂CCUS技术投资的重要因素给出相应的政策建议。 (5)探讨了不同技术进步情景下的CCUS技术投资价值分析。通过设置不同的技术进步情景，分析了CCUS技术投资决策问题，并结合案例，具体分析了不同情景下的决策。 1.4 研究方法及技术路线 本书的研究方法主要包括五种。 (1)文献研究法。通过查阅国内外与CCUS技术发展和现状相关的报告、专著、论文等研究成果，掌握CCUS技术的发展、应用和研究等各方面的情况。 (2)实地调研法。在已经安装CCUS技术捕集设备的大型燃煤电厂和项目示范点进行实地考察，深入了解碳捕集、利用和封存各个运行环节的收益和成本组成以及每个环节需要考虑的问题。 (3)专家访谈法。向相关领域专家请教投资决策模型、各影响因素的数据处理办法以及各参数的估值是否合理。 (4)决策技术法。研究的*终目的是为燃煤电厂CCUS技术的投资决策者做出正确的决策提供切实可行的指导，并提出发展CCUS技术的相关建议。因此，本书的研究成果，如指导方案、决策系统等，都将从兼顾企业经济效益、环境效益、社会效益等和决策者做出正确的抉择角度考虑问题，为其提出决策思路。 (5)案例分析法。不确定条件下燃煤电厂CCUS技术投资决策模型建立之后，需要做实证分析，验证模型是否可行。选取合适的基准电站模拟CCUS技术的投资项目，利用投资项目进行案例分析。 第2章 CCUS技术发展现状及投资决策理论 2.1 CCUS技术简介及发展现状 2.1.1 CCUS技术简介 碳捕集、利用与封存(CCUS)技术是指通过碳捕集技术将电厂等其他排放源中的CO2分离、收集、压缩，将其输送到封存地或者投入新的生产过程以循环再利用，以减少CO2排放到大气中的量，达到防止气候变暖的目的(IPCC，2005)。CCUS技术发展潜力巨大，该技术将捕集到的CO2提纯，再进行利用或者封存，作为其他行业的资源，能产生经济效益，增加收益。在第三届中国(太原)国际能源产业博览会上，清华大学教授倪维斗也提出了我国应该尽快启动CCUS技术的研发和应用。 CCUS技术之前被称为碳捕集与封存(CCS)技术，在发展CCS技术过程中，我国学者认为在进行碳捕集、运输和封存的基础上，还应该重视CO2的资源化利用，以弥补投资CCS技术的成本，并可以带动中国就业机会和产业发展，为CCUS技术广泛的应用打下坚实的基础。2011年新修订的《碳收集领导人论坛宪章》中增加了CO2资源化利用的内容，在CCS技术中增加了“利用(utilization)”环节，称为CCUS。 CO2捕集技术可以分为三类：燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧捕集，前两个技术较为成熟，各行业使用较多，*后一个捕集技术目前不确定性较大，也正在示范性阶段。燃烧前脱碳技术(燃烧前捕集)是在燃煤燃烧前先将煤炭进行气化，形成煤气，煤气再分为CO2和H2，将燃料化学能转移到H2中，然后再对CO2和H2进行分离(周响球，2008)。纯氧燃烧技术(富氧燃烧捕集)是将纯氧和煤炭一同放入专门的纯氧燃烧炉进行燃烧，产生的烟气再次回到燃烧炉，从而进行CO2捕集的一种方法(Miracca et al.，2005；牛红伟 等，2014)。燃烧后脱碳技术(燃烧后捕集)是对煤炭在锅炉中燃烧后产生的烟气进行脱硝、除尘和脱硫等措施后捕集CO2的一种方法。现在的大部分燃煤电厂都是直接燃烧煤，在对现有电厂进行改造的基础上，燃烧后脱碳技术可广泛使用。燃烧后脱碳技术可以分为物理吸收法、化学溶剂吸收法、膜分离法、低温分离法、吸附法等(Miracca et al.，2005)，其中*常用的是化学溶剂吸收法(Damen et al.，2006)。本书中的碳捕集技术采用的是第三种方法——燃烧后脱碳技术，三种CO2捕集技术比较如表2.1所示。