基于区块链技术的联合碳交易市场设计

彭琛， 王冰， 王福绵， 张劲峰

(1.河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100；2.国网江苏省电力有限公司 仪征市供电分公司,江苏 仪征 211404)

0 引 言

为了推动实现碳达峰、碳中和目标，我国将谋划构建碳达峰、碳中和的“1+N”政策体系，进而实现工业、农业和服务业等各行业的绿色低碳发展[1]。其中，落实这一愿景的核心工具是建设合理规范的碳排放权交易市场。2021年7月16日，我国的碳交易市场正式上线交易，其中的碳产品主要有碳排放配额(carbon emission allowance,CEA)和中国核证自愿减排量(China certified emission reduction,CCER)两类。首批参与碳交易的企业碳排放量超过45亿吨二氧化碳，是全球覆盖温室气体排放量最大的碳交易市场[2]。

为了保障交易过程的数据安全，一些学者在碳交易和电力交易等相关研究中引入了区块链技术，该技术具有可追溯和数据安全不可篡改等特性[3]。文献[4]利用联盟区块链技术，提出了多方参与的碳交易应用方案。文献[5]将区块链技术应用在输变电工程中，保障了输变电过程中的数据安全。

但以上研究仅考虑了发电企业和用电用户之间的碳权交易，且多为企业之间进行大批量交易，没有将生产CCER的可再生能源企业和一些小批量交易考虑在内。为了进一步推动我国减排项目的建设和发展，激励可再生能源发电和林业建设等绿色技术的迅速增长，进而提高我国的减排效果，需要控排企业在选择碳产品时首选CCER。本文基于上述研究，考虑利用区块链技术首先进行CCER的出清，然后将剩余未出清CCER和CEA进行打包合并，最终达到市场内CCER全部出清的效果，并保障交易过程的公开透明性。

1 基于区块链的联合碳交易市场

为了使交易更加公开透明，本文设定企业通过密封式报价的方式进入交易平台，与有意向的买家进行连续双向拍卖 (continuous double auction,CDA)[6]，以达成交易。

联合交易市场由CCER交易市场和CEA交易市场构成，具体运行机制如图1所示。可再生能源厂商根据市场情况自行选择出售的CCER与报价，控排企业则按需购入CCER，并根据自身实际碳排放量在CEA交易市场中进行出清和购买。

由于CCER交易市场体系不完善，目前存在交易量和成交价格信息不透明等现象，导致控排企业参与CCER交易的门槛较高，部分控排企业会选择放弃CCER交易而仅参与CEA交易，进而导致CCER在交易周期内有结余的CCER未出清。为了出清这部分的CCER，可考虑将其维持原价投入至CEA交易市场中进行出清。

图1 联合交易市场运行机制

2 联合交易市场的数学模型及合约设计

2.1 联合交易市场中的CCER数学模型

可再生能源厂商获得的CCER项目减排量由基准线法计算。本文以风力发电为例进行建模，它的特点是减排量Etradition中只考虑基准线减排量Btradition。而Btradition具体由所在地区的传统化石能源发电厂产生的碳排放决定，其计算公式为[7]：

Etradition=Btradition

(1)

Btradition=Ethermal·Egrid,t

(2)

式中:Etheramal为该地区传统化石能源发电厂的净上网电量;Egird,t为该发电项目每产生1 MWh电力时产生的碳减排量。

2.2 联合交易市场中的CEA数学模型

传统化石能源发电厂的CEA主要采用历史强度下降法进行分配，即根据企业的历史生产数据和排放量，计算其生产过程中的单位碳排放量，设定企业的CEA下降系数。CEA下降系数β将由本周期内CCER的购买比和企业上周期的CEA交易完成比q决定。具体计算公式如下：

(3)

式中：Qtotal为控排企业本周期内获得的CEA;Ei为第i台机组的实际发电量;Qgird,i为第i台机组每产生1 MWh电力时产生的碳排放量;β为该企业本周期的CEA下降系数。β的计算公式如式(4)所示。

β=(1-c)ω+(1-q)θ

(4)

式中:c为本周期内该企业购买CCER占CCER市场总体的比例;ω为CCER市场下降参数，由监管部门根据CCER市场行情设定；q为该企业上周期CEA交易的完成比;θ为CEA市场下降参数，由监管部门根据CEA市场行情设定。c和q的计算公式具体如下：

(5)

(6)

2.3 联合交易市场的智能合约设计

联合交易市场主要靠区块链进行信息交互，监管部门负责部署智能合约的地址，各企业经监管部门审批后获得相应的CCER和CEA，可作为节点账户参与交易。基于智能合约的联合交易流程如图2所示。

符合条件的买方在同一交易周期内会按报价Bq降序排列，卖方则按报价Sq升序排列。当买方报价高于卖家时，买卖双方按二者均价达成交易，交易量以买卖双方中的较小者为准。

各交易节点在合约执行完毕后，将集中打包为区块，并广播至联合交易市场网络中供交易节点和监管部门查看。

3 算例分析

3.1 参数设定

假设在同一交易周期内CCER交易市场中有4位CCER出清者,有5位CCER购买者。在CEA交易市场中有5位CEA出清者和5位CEA购买者。

各厂商的交易信息如表1所示。其中CEA出清者F和CCER购买者b是同一家厂商。

CEA购买者g因企业的自身规模小，碳排放交易量一直都较少，而参加CCER交易还需额外缴纳交易账户费用，因此企业g选择只在CEA交易市场内进行交易。

3.2 仿真计算

参与联合市场的19位厂商通过以太坊账户进行私钥加密，即可在智能合约的指导下进行密封报价和匹配出清等操作。各节点可随时使用getTransactionReceipt 函数获取区块链上的交易信息，如表2所示,从而保障交易信息的公开透明。

图2 联合交易流程图

表1 参与联合交易市场的用户

表2 CCER区块链上的首笔交易

3.3 仿真结果分析

在本次联合市场交易中，共发生了7笔CCER交易和11笔CEA交易。CCER交易具体如图3所示。c-D(80,35)表示出清者c和购买者D的最终成交量为80 t，成交价为35 元/t。在本次交易周期内，参与交易的5位购买者全部得到满足，出清者B在CCER交易周期中出清了55 t，还有55 t未出清，出清者A在CCER交易周期中没能出清。

CEA交易具体如图4所示，在本交易周期内，CCER出清者A和B将兑换等量的CEA并维持原价继续出清，因此实际有7位CEA出清者。其中CEA出清者E在本交易周期内仅交易了110 t，剩余55 t CEA将参与下一周期的交易。CEA购买者F因在CCER市场中以35 元/t的价格购买了100 t CCER，并在CEA

图3 CCER交易市场出清结果

图4 CEA交易市场出清结果

交易市场中以52 元/t的价格出清了等量的CEA，故在联合交易市场中共获得了1 700元的额外收益。

在本周期交易结束后，联合交易市场中的CCER全部出清，CEA大部分出清，CCER资源和CEA资源有效地得到了整合。生产CCER的可再生能源厂商在联合交易市场中出清效率得到了提高，避免CCER因购买渠道单一，购买者需跨平台购买而造成囤积现象，并可利用低价优势，辅助监管部门调控CEA的市场价格，防止 CEA在特殊时段的恶意涨价。传统化石能源发电厂则可通过购买CCER，出售等量CEA的方式在联合市场中获得额外收益。

4 结束语

为了提高CCER的交易效率，保障交易过程中的公开透明，本文创新性地利用区块链技术联合了CEA和CCER两类交易，利用CDA设计了联合交易市场的交易流程，实现了去中心化、安全透明的碳交易。本联合市场具有以下特点。

(1) 生产CCER的企业能更快地进行出清，有利于推动我国减排项目的建设和发展，激励可再生能源发电和林业建设等绿色技术的迅速增长。

(2) 控排企业可根据自身情况先购买CCER，然后再出清等量的CEA，从而获得额外收益。使碳产品能更灵活地流通，提高了各方的交易积极性。

(3)运用智能合约与区块链技术，保障了联合交易数据的安全透明，方便了监管部门的监管工作，实现各方资源的最佳配置与利益最大化。