碳交易政策下企业碳封存的效应研究

魏守道

（广东金融学院 工商管理系，广东 广州 510521）



碳交易政策下企业碳封存的效应研究

魏守道

（广东金融学院 工商管理系，广东 广州 510521）

［摘 要］碳交易政策会对碳封存成本不同的国家产生不同的贸易效应和福利效应。具体而言：若碳排放边际环境损害低于福利效应的边际环境损害临界值，碳封存成本较低的企业所在国家既不存在贸易效应，也不存在福利效应；若碳排放边际环境损害介于福利效应和贸易效应的边际环境损害临界值之间，碳封存成本较低的企业所在国家仅有明显的福利效应；若碳排放边际环境损害超过贸易效应的边际环境损害临界值，碳封存成本较低的企业所在国家有明显的贸易效应和福利效应。

［关键词］碳封存；碳交易；贸易效应；福利效应

一、引 言

碳捕获与封存（Carbon capture and sequestration，Carbon capture and storage，CCS，也有学者称之为碳捕集与封存）是一种长期储存碳排放的技术，传统的方法依靠生物、化学和物理等手段实现。但二氧化碳也可以在向大气排放后被企业捕获和封存起来。1988年，世界气象组织与联合国环境规划署共同创立了政府间气候变化专门委员会（IPCC，Intergovernmental Pannel on Climate Change）。第七次缔约方大会上，IPCC受邀编写一份关于碳封存的技术报告，并于2003年同意起草有关碳捕获与封存的特别报告。为实现1997年《京都议定书》规定的碳减排目标，IPCC建议开发和使用碳捕获与封存技术，并估计到2100年，碳捕获与封存的潜在收益可达到投入总成本的10％～55％①IPCC，Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage，New York：Cambridge University Press，2005，pp. 440 -445.。更有研究发现，如果发电厂能实施碳捕获与封存技术，其碳排放量可以减少80％～90％。尽管碳捕获与封存技术的长期收益还存在着不确定性，但已经有一些国家开始尝试，开展的碳捕获与封存项目也很多，比较著名的有：1996年开始经营的挪威Sleipner项目，是世界上首个将捕获与封存用于商业的实例，每年可实现100万吨碳封存量；加拿大也于2000年建成Weyburn -Midale二氧化碳监测储存项目，年碳封存量为150万吨；2004年，阿尔及利亚开始实施In Salah项目，每年实现120万吨碳封存量；2012年，挪威建成了世界最大的碳捕获与封存示范工程，该项目受到欧盟重点支持，设计能力为每年捕获10万吨二氧化碳。中国也积极响应，已建成多个大型碳捕获与封存项目，如华能- CSIRO燃烧后捕集示范项目，设计华能北京高碑店热电厂二氧化碳捕获率大于85％，年捕获二氧化碳能力为3000吨；神华集团10万吨/年碳捕获与封存示范项目，是亚洲最大的捕获全流程地下咸水层碳永久封存示范工程，2011年，该项目封存13417吨碳排放，预计2014年6月完成30万吨的目标。由于碳捕获与封存技术可以有效地减少全球碳排放量，对碳封存成本较低的国家有重要意义。我国在2009年哥本哈根气候大会召开前就承诺到2020年实现单位GDP碳排放量比2005年下降40％～45％，如果能充分利用碳封存与捕获技术，对实现碳减排目标尤有重要的现实意义。

本文主要从理论上探讨两国政府同时实施碳减排标准且碳交易许可政策下碳封存成本和边际环境损害对两国的贸易效应、福利效应以及福利—贸易效应，得出有利于实施碳封存技术的条件，为政府和企业做出相关策略选择提供参考。

二、国内外研究综述

国外学者对碳封存的研究比较多，一些学者从国别或地区对碳封存潜能进行了研究。Fearnside比较了巴西在造林、可持续发展的林场管理（Sustainable Timber Management）和减少森林砍伐三种林业措施下碳封存的效果，发现减少森林砍伐措施最好，其次是可持续发展的林场管理措施，最差的是造林措施①Fearnside，P. M.，“Global Warming Response in Brazil’s Forest Sector：Comparison of Project-level Costs and Benefits”，Biomass and Bioenergy，Vol. 8，No. 5，1995，pp. 309 -322.。Xu估算了中国五个地区的碳封存量以及相关的成本与收益，发现如果这些地区都造林，碳封存量可达970万吨，是1988年整个中国工业碳排放量的16. 3倍②Xu，D.，“The Potential for Reducing Atmospheric Carbon by Large-scale Afforestation in China and Related Cost/ Benefit Analysis”，Biomass and Bioenergy，Vol. 8，No. 5，1995，pp. 337 -344.。Stavin发现如果美国政府不对土地征税或提供补贴，年碳封存量约为460万吨；边际碳封存成本会逐渐上升至66美元每吨，此时政府每年对土地使用征税或补贴标准为100美元/英亩，年碳封存量可达到700万吨③Stavin，R. N.，“The Costs of Carbon Sequestration：A Revealed-preference Approach”，The American Economic Review，Vol. 89，No. 4，1999，pp. 994 -1009.。De Jong等以墨西哥恰帕斯州的中高（The Central Highlands of Chiapas）为研究对象，发现在50年内，若二氧化碳的自我衰退率为0. 5％，每公顷森林的碳封存潜能为60～120吨，若二氧化碳的自我衰退率提高至1. 5％，每公顷森林的碳封存潜能为160～174吨，若二氧化碳的自我衰退率为1％，每公顷森林的碳封存潜能介于134～139吨之间；若对每吨碳封存量补贴0～5美元，实现的碳封存量可忽略不计，若碳封存补贴提高至5～15美元，则碳封存量会大大增加，若碳封存补贴达到40美元，碳封存量为5500万吨④De Jong，B. H.，Tipper，R.，Montoya-Gomez，G.，“An Economic Analysis of the Potential for Carbon Sequestration by Forests：Evidence from Southern Mexico”，Ecological Economics，Vol. 33，No. 2，2000，pp. 313 -327.。Sohngen和Mendelsohn发现利用森林进行碳封存可以减少大约1/3的碳排放量，尽管碳封存成本很高，但是土地所有者会通过增加林地来进行更多的碳封存⑤Sohngen，B.，Mendelsohn，R.，“An Optimal Control Model of Forest Carbon Sequestration”，American Journal of Agricultural Economics，Vol. 85，No. 2，2003，pp. 448 -457.。Benitez等发现如果碳价格稳定在50美元/吨，造林措施可以封存全球能源部门1年内产生的全部碳排放量，考虑到各国的政治、经济和金融风险后，碳封存量将减少60％⑥Benitez，P. C.，McCallum，I.，Obersteiner，M.，Yamagata，Y.，“Global Potential for Carbon Sequestration：Geographical Distribution，Country Risk and Policy Implications”，Ecological Economics，Vol. 60，No. 3，2007，pp. 572 -583.。也有部分学者比较了碳封存和碳减排（Carbon Dioxide Abatement）这两种控制碳排放的技术。Herzog等认为封存的碳有可能会再泄漏到大气中，通过碳封存收益的净现值函数，构建了衡量碳封存效率的指标，并以海洋碳封存技术为例，运用一维箱式扩散模型（One Dimensional Box-diffusion Model）模拟了三种碳价格变化下暂时封存碳的收益和碳减排的收益，结果发现，当碳价格不变时，若在越深的海洋中封存碳，碳封存效率越高，越有可能获得更多收益；当碳价格呈指数上升时，碳封存效率不断下降，碳减排收益更多；当碳价格先呈指数上升若干年后再保持不变时，若在封存的碳泄漏量达到一定数量之前，新技术能阻止继续泄漏，碳封存的效率也会较高，收益也会较多①Herzog，H.，Caldeira，K.，Reilly，J.，“An Issue of Permanence：Assessing the Effectiveness of Temporary Carbon Storage”，Climate Change，Vol. 59，No. 3，2003，pp. 293 -310.。Keller等也认为碳封存技术封存的碳有可能会泄漏，运用RICE（Regional Integrated Model of Climate and the Economy）对碳封存和碳减排的效果进行了模拟，结果表明，运用短期的碳封存方法（如造林）每实现100单位碳封存，相当于61单位的碳减排；运用长期的碳封存方法（如利用地下砂石含水层或深海封存）的效果会更好，每封存100单位碳，相当于95单位的碳减排；无论是否运用碳封存技术，以及封存的碳是否会泄漏，政府设定的碳税税率会越来越高，接近边际碳封存成本②Keller，K.，Yang，Z.，Hall，M.，Bradford，D. F.，Carbon Dioxide Sequestration：When and How Much？，CEPS Working Paper No. 94，2003.。

为控制全球碳排放量，发达国家也陆续推出环境规制政策，如碳税、碳交易政策等，很多学者已研究了单个环境规制政策的效果③④⑤Batabyal，A. A.，“Game Models of Environmental Policy in an Open Economy”，The Annals of Regional Science，Vol. 30，No. 2，1996，pp. 185 -200.。因此，将碳封存与环境规制政策结合起来进行研究又是一个新的研究角度。Gerlagh和Van der Zwaan假设企业有三个途径减少碳排放：能源储存、使用含碳较少或不含碳的能源、运用碳捕获与封存技术，而政府有五种可选的环境政策：征收碳税、化石燃料税、对使用不含碳能源提供补贴、将碳税收入补贴给不含碳的能源、将化石燃料税收入补贴给不含碳的能源，运用自上而下的经济—能源—环境模型（Top-down Economy-Energy-Environment Model）的方法构建了一个动态的自上而下模型，通过数值模拟后发现：将化石燃料税收入补贴给不含碳的能源是解决全球气候问题最节约的方式；每年碳封存量达到2000万吨以后，碳捕获与封存技术的边际成本才会很高；运用碳捕获与封存技术可以降低全球碳排放控制成本⑥Gerlagh，R.，Van der Zwaan，B.，“Options and Instruments for a Deep Cut in CO2Emissions：Carbon Dioxide Capture or Renewables，Taxes or Subsidies？”，The Energy Journal，Vol. 27，No. 3，2006，pp. 25 -48.。Le Kama等假设一国经济中只有化石燃料这一种消费品，按照Ramsey模型的分析框架，研究了使碳捕获与封存达到最优的政策，发现若化石燃料开采成本满足一定条件，运用碳捕获与封存技术可以长期有效地控制碳排放，并求出了最优的碳捕获与封存比率和碳税税率，还发现最优的碳捕获与封存比率应逐渐降低，但碳税税率可以保持不变⑦Le Kama，A. A.，Fodha，M.，Lafforgue，G.，Optimal Carbon Capture and Storage Policies，TSE Working Paper No. 09 -095，2009.。Caplan首次将碳排放标准政策和碳交易许可政策引入碳封存模型中。假设经济中有两个碳封存企业和两个产品生产企业，碳封存企业之间碳封存成本不同，碳封存成本较低的企业处于领导地位，成本较高的企业处于跟随地位，而且碳封存企业追求利润最大化，产品生产企业只追求碳减排成本最小化，先提供了模型求解的思路，然后模拟了碳封存企业之间碳封存量和利润。结果表明，碳封存成本较低的企业会封存较多的碳，利润水平也更高⑧Caplan，A. J.，“Carbon Sequestration and Permit Trading on the Competitive Fringe”，Economic Modelling，Vol. 28，No. 6，2011，pp. 2803 -2810.。

国内也有少数学者初步研究了碳封存。张军和李桂菊比较了地质封存、海洋封存、矿石碳化和工业利用四种碳封存方案，并介绍了该技术在国际上的应用状况。认为选择合适的封存地点，进行完善的设计和管理可以有效地封存碳⑨张军、李桂菊：《二氧化碳封存技术及研究现状》，载《能源与环境》2007年第2期。。韩文科等介绍了碳捕集与封存的全球总体进展，从多个方面探讨了当前面临的主要问题，给出了对我国的启示⑩韩文科、杨玉峰、苗韧、陈子佳、安琪：《全球碳捕集与封存（CCS）技术的最新进展》，载《宏观经济研究》2009年第12期。。刘兰翠等阐述了碳捕获与封存技术潜在的环境影响，介绍了该技术环境风险评价的国际经验，提出了我国建立碳捕获与封存技术环境影响的管理框架中应重点关注的问题①刘兰翠、曹东、王金南：《碳捕获与封存技术潜在的环境影响及对策建议》，载《气候变化研究进展》2010年第4期。。李健和许楠希考虑到碳捕集、碳运输和碳封存三个环节，构建了碳捕集与封存全过程的成本和收益估算模型，并运用实例计算发现碳封存项目的收益超过了成本，具有经济可行性②李健、许楠希：《碳捕集与碳封存项目的经济性评价》，载《科技管理研究》2012年第8期。。

综上所述，运用碳封存技术控制碳排放已受到国内外学者的重视，多数国内学者还受限于文字描述，缺乏更深入的研究，国外学者的研究成果颇为丰富，但也主要运用实证模型模拟碳封存的效果。本文以Caplan的模型为基础，主要贡献体现在三个方面：一是将碳排放标准视为由模型内生决定的，即政府设定的碳排放标准会影响企业的生产和碳封存决策；二是引入了产品市场，此时产品生产企业不再是追求本企业成本最小化，而是以利润最大化为目标决定本企业产量，从而既可以分析两国企业总利润之间的差异（贸易效应），也可分析国家之间的福利差异（福利效应）；三是假设碳封存企业之间是完全竞争的，以探讨最为一般的竞争状态。

本文其余部分安排如下：第三部分是本文的理论模型，构建了政府与企业相互博弈的两阶段模型，并运用逆向求解法求出该模型的均衡解；第四部分利用模型的均衡解比较了两国企业之间的总利润以及国家之间的福利；最后是本文的结论与政策含义。

三、理论模型构建与求解

（一）基本假设

世界上有两个国家：S国和N国，各国均有一个产品生产企业和碳封存企业，i（= S，N）国产品生产企业用i1表示，碳封存企业用i2表示。设i国产品生产企业生产成本为0，且产品全部出口，在国际市场上进行古诺竞争，产品需求函数为p =α- qi1- qk1，i，k = S，N，i≠k，其中，qi1表示i企业产品生产量。由于产品生产过程中会产生二氧化碳，设单位产品产生单位碳排放。另一方面，碳封存企业可以捕获和封存碳排放量。i企业碳封存成本为Ci=βiq2i2，其中，qi2为i企业碳封存量，βi＞0衡量i企业碳封存效率，为便于分析，设β1=1，β2=β。i国政府为控制本国碳排放量，对本国产品生产企业设定碳排放标准为Ei，并允许产品生产企业可自由地从碳封存企业购买所需碳封存量，碳封存交易市场出清条件为qi1- Ei＋qk1- Ek= qi2＋qk2，设此时碳封存交易价格为A。i国碳排放对本国环境损害函数为Di=ηE2i/2，其中，η＞0衡量碳排放的边际环境损害。

政府与企业之间的博弈规则如下：第一阶段，i国政府以本国福利最大化为目标设定碳排放标准Ei；第二阶段，i国产品生产企业和碳封存企业观察到各国设定的碳排放标准后，以本企业利润最大化为目的，各自决定产品生产量qi1和碳封存量qi2。

（二）模型求解

针对以上两阶段博弈模型，使用逆向求解法求解。

1．第一阶段——企业最优产量和碳封存量选择

由（1）式的一阶条件有：q*i1=（α- q*k1- A）/2，再回代（1）式，可将i国产品生产企业利润函数化简为πi1= q*i12＋AEi。由（2）式的一阶条件可得q*S2= A/2，q*N2= A/（2β），πi2=βiq*i22。由碳封存交易市场出清条件可得碳封存交易价格为A*=2β（2α-3Ei-3Ek）/（3＋7β），从而得到：

由（4）式有：∂q*i1/∂Ei=∂q*i1/∂Ek=2β/（3＋7β），∂q*S2/∂Ei= -3β/（3＋7β），∂q*N2/∂Ei= -3/（3＋7β）。从而有如下命题：

命题1 对于任意的β＞0，∂q*i1/∂Ei=∂q*i1/∂Ek＞0，∂q*S2/∂Ei＜0，∂q*N2/∂Ei＜0恒成立；若0＜β＜1∂q*S2∂Ei＜∂q*N2∂Ei成立；若β＞1，∂q*S2∂Ei＞∂q*N2∂Ei成立。

命题1的含义是：无论碳封存成本高低，若一国设定的碳排放标准越宽松，两国产品生产企业都会增加同样多的产量，两国碳封存企业都会减少碳封存量，但各企业减少的碳封存量要视两企业之间的碳封存成本而定。若N国碳封存企业成本较低，则该企业碳封存量会减少得较多；若S国碳封存企业具有较低的碳封存成本，则该企业碳封存量会下降得更多。也就是说，宽松的碳排放标准会增加各国产品生产量，但会减少各国碳封存量，成本较低的碳封存企业碳封存量会减少得较多。

推论1 若β=1，有∂q*S2/∂Ei=∂q*N2/∂Ei＜0。

即两国碳封存企业成本相同，则一国设定的碳排放标准对这两个企业碳封存量的影响也相等。

2．第二阶段——政府最优环境标准选择

由（5）式的一阶条件解得均衡解如下（囿于篇幅，本文仅列出了部分均衡解）：

其中，Δ1=6β＋3η＋7βη，Δ2=92β2＋36β＋49β2η＋42βη＋9η，φ1=61β2＋48β＋9，φ2=3＋7β，φ3=58β2＋49β＋9，φ4=71β2＋78β＋15，φ5=63β2＋46β＋9，φ6=64β2＋43β＋9，φ7=95β2＋54β＋15，φ1=62β2＋48β＋9，φ2= 1187β3＋1469β2＋600β＋81，φ3= 4635β3＋5741β2＋2409β＋351，φ4= 321β3＋373β2＋157β＋27，φ5= 5β2＋2β＋1，φ6= 63β2＋47β＋9，φ7= 1190β3＋1469β2＋597β＋81，φ8=4235β3＋5997β2＋2553β＋351，φ9=215β3＋437β2＋199β＋27，φ10=β2＋6β＋1。

四、碳封存的福利——贸易效应

（一）碳封存的贸易效应

记η1=6β/（3＋7β）。由（10）知，对于任意η＞0，当0＜β＜1时，有S1＞N1，S2＜N2和sign（S-N）= sign（6β-3η-7βη）成立。若η＞η1，则6β-3η-7βη＜0成立，即有S＜N，反之则反。为此称η1为贸易效应的边际环境损害临界值，如图1所示。因此，有如下命题：

命题2 对于任意的β，η＞0，

（1）当0＜β＜1时，若0＜η＜η1，有S＞N；若η＞η1，有S＜N；

（2）当β＞1时，若0＜η＜η1，有S＜N；若η＞η1，有S＞N。

命题2的作用机制如下：N国碳封存成本较低，在碳封存上具有比较优势，碳封存量也较多，获利也较大。其次，N国设定的碳排放标准较严格，使得N国生产企业购买的碳封存量较多，增加了其成本负担，降低了其利润。N国企业总利润是否会提高则取决于这两个方面的大小。当边际环境损害临界值低于贸易效应的边际环境损害临界值时，N国企业总利润会减少，该国的贸易效应不显著；反之，N国企业总利润会减少，对该国有明显贸易效应。

（二）碳封存的福利效应

其中，λ1=（3＋7β）2，λ2= 9＋25β。由（11）式知，当β＞1时，sign（W¯S-W¯N）= sign （λ1η2＋2βλ2η- 12β2）。令λ1η2＋2βλ2η-12β2=0可解得η2=β（-9 - 25β）/（3＋7β）2，η3= -β（9＋25β＋）/（3＋7β）2。因η3＜0，故η=η2符合条件，η2为福利效应的边际环境损害临界值。因此，有如下命题：

命题3 对于任意的β，η＞0，

（1）当0＜β＜1时，若0＜η＜η2，则S＞N成立；若η＞η2，则S＜N成立；

（2）当β＞1时，若0＜η＜η2，则S＜N成立；若η＞η2，则S＞N成立。

命题3意味着，若N国具有碳封存成本优势，当碳排放边际环境损害高于福利效应的边际环境损害临界值时，N国福利水平较高，存在福利效应（如图2中左上角阴影部分所示）；反之则福利效应不明显。这与碳封存是否存在贸易效应的作用机制类似。不同的是，国家福利不仅包括企业总利润，还包括对环境的损害。如前所述，碳封存成本越低的国家碳排放标准越为严格，对环境的损害也较小。因此，碳封存成本越低的国家福利水平是否越高还要视边际环境损害值而定。

图1　两国利润比较

图2　两国福利比较

（三）碳封存的福利—贸易效应

以上仅研究了碳封存的贸易效应或福利效应，现将两者结合起来进行分析。容易证明，对于任意的β，η＞0，η1＞η2恒成立，如图3所示。因此，综合命题2和命题3有：

命题4 对于任意的β，η＞0，

（1）当0＜β＜1时，若0＜η＜η2，则S＞N，S＞N成立；若η2＜η＜η1，则S＜N，S＞N成立；若η＞η1，则S＜N，S＜N成立；

（2）当β＞1时，若0＜η＜η2，有S＜NS＜N；若η2＜η＜η1，有S＞N，S＜N；若η＞η1，有S＞N，S＞N。

命题4的含义是：若碳排放边际环境损害小于福利效应的边际环境损害临界值，碳封存成本较低的企业所在国家的企业总利润较少，国家福利也较低，也就是说，既没有贸易效应，也没有福利效应；若碳排放边际环境损害介于福利效应和贸易效应的边际环境损害临界值之间，碳封存成本较低企业所在国家的企业总利润还是较少，没有贸易效应，但国家福利会较高，即有明显的福利效应；若碳排放边际环境损害大于贸易效应的边际环境损害临界值，碳封存成本较低企业所在国家的企业总利润和国家福利都会较高，此时既有明显的贸易效应，也有明显的福利效应。

即碳封存企业具有相同的碳封存成本，则两国企业总利润以及两国福利水平也分别相等。

图3　两国福利和利润比较的综合图

五、结论与政策含义

本文假设两个国家各有一个生产成本相同的产品生产企业和碳封存成本不同的碳封存企业，各国政府实施碳排放标准政策控制本国碳排放量，并允许企业之间自由交易碳封存量，构建了政府与企业相互博弈的两阶段模型：政府先设定碳排放标准，然后产品生产企业选择产量、碳封存企业选择碳封存量，运用逆向求解法求得模型的均衡解，研究了碳封存企业成本和边际环境损害对两国企业总利润的影响（贸易效应）、对国家福利的影响（福利效应）以及福利—贸易效应。结果表明：从企业总利润来看，只有当边际环境损害高于贸易效应的边际环境损害临界值时，较低碳封存成本企业所在国家企业总利润较高，即有明显的贸易效应；从国家福利来看，当且仅当碳排放边际环境损害大于福利效应的边际环境损害临界值，拥有较低碳封存成本企业的国家才有较高的国家福利，即有明显的福利效应；从福利—贸易效应来看，唯有碳排放边际环境损害大于贸易效应的边际环境损害临界值时，碳封存成本较低企业所在国家企业总利润和国家福利才都会较高，即同时具有贸易效应和福利效应。

本文的政策含义是：如果碳排放边际环境损害还未达到福利效应的边际环境损害临界值，碳封存处于劣势的国家进行碳封存对其国内企业和整个国家都是有利的；如果碳排放边际环境损害处于福利效应和贸易效应的边际环境损害临界值之间，经济发展水平较高且在碳封存成本上具有优势的国家积极进行碳封存是有利可图的；如果碳排放边际环境损害很大，超过了贸易效应的边际环境损害临界值，碳封存技术有利于所有在碳封存成本上具有优势的国家。

［责任编辑 王治国 责任校对 王景周］

［基金项目］国家自然科学基金项目《环境倾销与环境管制的博弈分析、效应比较与策略选择》（批准号：71273114）；广东省自然科学基金青年项目《供应链低碳技术研发策略研究：基于政府环境规制和消费者低碳偏好的分析与比较》（批准号：2015A030310199）。

［作者简介］魏守道（1983—），男，湖北武汉人，广东金融学院工商管理系讲师，经济学博士，主要从事战略环境—贸易政策研究。

［收稿日期］2013 -05 -30

［中图分类号］F741

［文献标识码］A

［文章编号］1000 -5072（2016）01 -0122 -07