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电力市场设计如何最大化碳定价机制的有效性(上)

作者:中国储能网新闻中心 来源:南方能源观察 发布时间:2020-06-21 浏览:
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Max Dupuy, Frederick Weston, Camille Kadoch, Richard   Cowart

睿博能源智库

中国的政策制定者目前正在设计和实施碳市场(最初只覆盖电力行业)和电力市场。通过对全球其他区域的了解,我们建议在设计这些市场时应将二者结合考虑。理解彼此之间的相互影响是良好设计的关键——也就是说,确保市场尽可能经济有效,确保碳项目以尽可能低的成本为终端用户和整个电力行业实现目标。

国际经验表明,在孤立的政策中设计电力市场和碳市场,不会带来最好的结果。碳价格对电力系统调度和批发现货市场电价的影响受到一系列系统条件、操作规程和投资激励的影响——所有这些都伴随着竞争市场和行政管理市场之间的协调统一。

此外,碳定价的成本效益——即在最大限度地减少碳排放的同时将实际获得的每吨碳减排的成本降至最低——并不像看上去那么简单。经验表明,尤其是在电力行业,如何管理碳价格至关重要。

对碳(或任何污染物)定价的目的是提高碳排放发电相对于清洁、非碳排放发电的价格,从而推动对清洁生产的需求和投资。碳定价可以通过三个直接和相互关联的渠道减少电力部门的排放:1)改变电力部门调度(即系统运行);2)影响有关电厂和其他电力部门资源的投资(和撤资)决策,以及3)改变能源需求。在本文中,我们研究了这些相互作用,并提出电力市场应该如何适应,以最大限度地提高碳价格的有效性[1]。我们确定了关键的设计元素,以确保两者协同工作,并为政策制定者特别是正在设计中国碳市场的工作者,提供建议和意见。我们的发现可以总结为:

1)      欧洲和北美的经验表明,经济调度(或优先调度)极大地提高了碳市场的有效性,实现经济调度的一种方法是实施设计良好的电力市场。在这个调度原则下,电厂的运行决策是基于它们的相对运营(主要是燃料)成本。较便宜的机组将首先运行,随着实时需求的增加,相对较贵的机组将开始运行。碳定价可以通过改变不同机组的相对价格来影响这些关键的电网运行决策。事实上,中国的政策制定者正朝着这个方向努力,根据经济调度原则,实施新的“现货”电力市场。中国在这个问题上已经取得了很大的进展。在这一进展的基础上,(无论是通过竞争性的电力现货市场还是行政手段)在全国范围内实现充分的经济调度是至关重要的。

2)      在经济调度的同时,正确把握电力市场设计的其他要素,使碳市场既有效又高效。这些元素包括:

资源补偿:发电机和其他电力部门资源(例如终端能效和需求响应)如何得到补偿。设计不当的补偿模式可能会使对低效的碳排放资源的依赖永久存在,而这些碳排放资源的总成本要比排放较低的机组更高。

市场监测:独立的市场监测和监督是必要的,以防止滥用市场力,这通常会产生过度补偿化石燃料资源的效果,当然,更重要的是有助于确保经济调度。理想情况下,市场监测应包括对碳市场和电力市场的监督。

减缓碳排放价格对电力消费者的影响:碳排放价格将增加化石燃料发电厂的运营(燃料)成本,在竞争激烈的电力市场,这将倾向于提高向发电商支付的市场价格。如何应对这些成本的增加——谁应该从更高的价格中受益?——将影响碳市场的有效性。

3)      欧洲和美国一个共有的经验是,碳价格的影响可以通过碳收入的支出方式大大增强。将碳收入用于投资低碳资产 (特别是终端能效和可再生能源),可以使碳价格的影响扩大几倍。

4)      世界上,即使在有比较复杂的电力市场和碳市场的地区,电力行业规划仍然是能源和环境政策至关重要的组成部分。规划必须和碳市场和电力市场设计密切结合。只有作为相互补充的为实现中国能源、经济和气候目标的综合政策整体的一个元素时,碳市场才能够最好地设计。

5)      随着电力和碳市场的发展,零售价格改革最好在全国范围内也推进。反映电力生产的真实成本(包括碳成本)的零售价格将有助于碳市场减少排放。

电力行业调度

电是一种不同于其他商品的商品,钢或铝可以在使用前生产出来,并储存在仓库中,直到交付给客户,而发电必须与实时用电相匹配。电网是由系统运营商(即,中国的调度机构)管理的,他们负责维持电网上几乎瞬间的整体供需平衡。电力需求全天波动,发电机组的可用性和输电线路的拥塞等也实时变化。

发电调度是决定使用哪些发电机组来满足需求和维护电网稳定(“系统安全”)的过程。负责电力调度的机构必须每天、每小时、每分钟地做出这些决定,使电力需求和供应始终保持平衡。近年来,调度机构开始面临一个新的挑战,即在日益增多的可再生能源发电——风能和太阳能的情况下如何平衡电网,它们不能像传统的燃煤或燃气发电厂那样可以被直接控制。然而,这个挑战是可以克服的。世界各地的经验表明,要想做到这些更多的是解决如何以及为了什么目的给予能源供应商补偿,而不是纯粹的电网技术问题。关键是供应和需求的灵活性,以及奖励市场参与者——无论是传统的大型发电机还是较小的分布式资源——只要它们能够以合理的成本、在正确的时间和地点提供电力灵活性[2]。

在北美、欧洲和世界上大多数其他地方,系统操作员根据发电机的相对经济性做出调度决策。这被称为经济调度(或优先调度)。它根据运行成本(也称为短期边际成本或可变成本)对发电机组进行排名,这些成本主要反映了燃料成本和发电机将燃料转化为电的效率。有关运行成本的信息可能来自系统操作员进行的估算、电力市场信号,或两者的组合。在有碳价的地方,排放成本也反映在每个发电机的运行成本中(见“碳定价对电力市场价格的影响”一节)。

根据这个可用发电机的排名,系统操作员首先选择调度成本最低的机组[3]。随着需求的增长,再调度成本更高的机组。随着需求下降,先关停的也是成本更高的机组。系统操作员每天重复多次这样的调度,以处理波动的用电需求、供应和电网状况。由于电网拥堵或电网状况的其他变化,系统运营商可能并不总是能够使用成本最低的发电机,但受可靠性约束(请参阅下一节“发电补偿”),总运行成本最小化是电网运行的关键原则。

图1展示了在一个假设的电力系统中给定一小时的优先调度顺序。可再生能源的燃料成本为零,排放的社会成本为零,因此,当它可用时,它通常排在优先顺序的第一位。燃煤和燃气发电机的效率不同,运行成本也不同,因此在排序中也有不同的位置。

碳定价和经济调度相互作用,以支持可再生发电和其他相对低排放的发电机组。由于碳成本是任何发电商运营成本的一部分,而且各个发电机组的碳排放量各不相同,因此碳价格强化了相对低排放资源在优先调度排序中的地位。

在一个设计良好、竞争激烈的批发市场,在碳定价和经济调度的相互作用下,通常会让排放量较低的发电商获得更高的收入。原则上,这应该会激励人们加大对低排放发电的投资,减少对高排放发电的投资。这是因为,在一个典型的竞争性电力现货市场中,所有的发电商都是按市场价格支付的,而碳排放价格的影响将是增加零排放发电厂的收入(如图1所示) [4]。然而,这可能会产生收益分配后果。我们将在下面“碳定价对电力市场价格的影响”一节中更详细地研究这个问题。

图1. 在竞争性的现货市场中,碳定价对经济调度和收益的影响

资料来源: Dupuy,M., Li,A.(2016). “碳市场设计讨论专题: 改善电力调度机制,助力全国碳市场发挥功效”

中心结论是,经济调度是任何旨在使电力部门碳定价制度总成本最小化政策的先决条件。尽管经济调度可以通过行政手段实现,但全球经验揭示了竞争性批发市场可以对发电商施加成本约束的威力。设计和实施良好的电力市场可能是建立经济调度的一个好方法,而碳定价可以确保在经济调度中充分考虑碳的外部性成本。通过这种方式,碳定价和电力市场可以共同努力来改善电力系统的运行——也就是说,一种基于市场的方法,将碳成本内部化,通过支持效率更高、污染更少的发电商,将整个系统的运行成本降至最低。

中国正处于向经济调度的转型过程中,电力市场的实施是其中的一个重要方面。现货市场试点是基于经济调度的原则,但在试点省份乃至全国地区设计和全面实施这些市场方面还有许多工作要做。确保强有力的经济调度对于确保碳市场能够有效运作至关重要。

发电补偿

发电商和其他资源如何获得报酬会影响它们的行为。电力市场的设计如何影响这种补偿,以及如何最好地构建补偿以补充碳定价机制的目标,是政策制定者需要解决的重要问题。

欧洲和北美的政策制定者和市场设计者已经制定出了各种各样的发电补偿方法。任何市场手段的一个优先项是确保期望的可靠性水平,并且保证补偿方法在市场中以某种方式奖励提供可靠性的发电商[5]。然而,可靠性只是许多重要的政策目标之一,其他诸如,改善当地空气质量和减少温室气体排放以满足《巴黎协定》,也是许多政策制定者的重要目标。这意味着需要一个充分利用低排放和不排放资源的电力系统,特别是风能和太阳能,以及能效和用户需求响应。因此,补偿机制应鼓励对这类资源的投资,并鼓励不支持特定政策目标(如燃煤发电产能)的资源退役。补偿机制还应支持将新资源并网,并促进所有可用资源的有效运作。

在美国东北部和大西洋中部,独立系统运营商(ISO)/区域输电组织(RTO)ISO New England和PJM Interconnection同时运营电量和容量市场[6]。这些容量市场机制在系统高峰时段(主要是夏季)为可用的容量在特定的年份支付容量电价。英国市场也都有容量市场和电量市场机制。尽管这些地区的市场在许多方面运转良好,但容量市场在市场设计中的使用一直带来问题,导致市场参与者做出了一些低效的投资和不退役低经济性的化石发电机组的决定。其中一个方面是,容量市场——至少在已经实施的这些地方——往往过分强调可靠性,并倾向于奖励不必要的昂贵资源,而较便宜和更清洁的资源也可以起到同样的作用。可靠性不应该作为唯一的市场设计目标,系统总成本最小化和清洁资源并网也应算是重要目标。

这在ISO-NE和PJM地区都是一个热点,在这两个地区,州政策和被称为区域温室气体减排行动(RGGI)的碳排放交易计划联合推动了对可再生能源的投资(见RGGI部分)。最近, FERC为PJM强加了一个可能会削弱良好州政府清洁能源政策的新容量市场设计元素(很可能也会在新英格兰推广使用)。它设置了一个容量价格下限,这将使得成本更低、更清洁的可再生能源相对于不灵活的燃煤电厂的消费者成本增加。它还通过减少价格强加给高排放工厂的“痛苦”,减少甚至抵消了RGGI碳价的影响。

相比之下,一些北欧市场——丹麦、德国和低地国家——以及美国的德克萨斯州,没有容量市场机制只依赖电量市场(相应地,这种市场方法被称为“单一电量”模式)。这些市场依赖稀缺性定价,以确保所有发电机都得到充分补偿。这些市场通过允许运行储备备用 (即,在系统峰值或处于压力时维护系统安全所需的能源)的价格上升到非常高的水平来做到这一点。在德克萨斯州的案例中,价格最高升至9000美元/MWh[7]。这种情况只是偶尔发生,并不会对消费者的平均年支出产生重大影响,但它确实向资源传递了一个非常强烈的价格信号,无论是发电方还是需求方,这些资源实际上是可以在相对稀缺的时候满足系统需求的。

单一能量的市场方式,如果实施得当,就能很好地奖励供需的灵活性,鼓励创新和更有效的用电,从而更容易地整合风能和太阳能资源,并实时平衡系统。在德克萨斯州,超过30%的电量是由非排放发电机组提供的,而且这一比例还在稳步上升[8]。

那么,对政策制定者和电力市场设计者来说:我们的市场设计是促进还是阻碍既定公共政策目标的实现?可靠性是一个目标,但不是唯一的目标。一个更好的思考这个问题的方法可能是:我们应该如何设计电力市场,在不损害可靠性的情况下,以最低成本实现我们的政策目标?正确的市场设计不仅仅意味着确保系统提供可靠的电力,而是意味着确保它服务于国家的其他重要需求。碳市场只有在不被系统中其他相反的激励措施破坏的情况下,才会有效,即减少碳排放发电的投资和运营。这里的技巧是让市场设计者了解他们提出的补偿方案是如何奖励行为的。如果市场规则导致增加对化石燃料发电设施的投资和使用,那么碳市场将无法实现其目标。另一方面,如果电力市场规则与碳市场相辅相成,将会加速减少有害排放。

在中国,2015年启动的电改(随着“9号文件”定颁布实施)已经导致了发电补偿的变化。其中很大一部分是现货电力市场的设计和实施。这些市场承诺将发电补偿与可再生能源并网的目标更好地结合起来,淘汰相对碳排放高的发电机组,提高电力系统调度经济性。但是,要使发电和其他资源的补偿细节设计正确,还有许多工作要做[9]。在这方面,我们建议制订更详细的规则,以便:

为所有资源(包括需求侧和储能资源)创造一个公平的竞争环境,以参与现货市场(并获得公平的补偿)。

利用稀缺性定价。取消或放宽现货市场的价格下限和上限将是必要的,以使市场能够向市场参与者传递经济上准确的价格信号,反映不同时间、甚至不同地点的电力价值,特别是在需求高而供应不足的情况下。

市场监管和监测

电力市场可以被认为是帮助实现重要社会目标的工具,包括经济调度、降低成本、减少排放和更好的投资决策。但电力市场只有在设计和监管良好的情况下才能做到这些。实际上,在美国、欧洲和世界其他地方,电力市场受到严格监管。也就是说,电力市场嵌入了包括市场监管和市场监测在内的详细规则,如果没有这些规则,电力市场就无法运作。

电力市场可能容易受到竞争不足的影响,这可能会破坏经济调度和其他社会目标。美国电力市场经受过缺乏竞争的痛苦,至少在某些时候和某些地区是如此。在本世纪初期的加州危机,某些发电资源的所有者能够行使市场力——也就是说,他们控制了资源的足够市场份额,为了自己的利益干扰经济调度,严重扰乱了市场,导致大面积的停电,更不用说使用相对低效的机组产生的不必要的排放[10]。这场危机促使美国重新加强了对市场的监管、监测和监督。在中国,缺乏竞争可能是一个特别紧迫的问题,因为电力行业的特点是相对较少的大型国有发电企业,在特定省份或地区占有绝对优势的发电所有权份额。

在美国,市场监管和市场监控不仅包括对市场参与者行为的逐日和逐时审查,而且还包括为了促进经济效率和竞争、支持政策目标(包括清洁能源)的市场规则而做出调整的不断努力。中国的政策制定者可以考虑以下几点[11]:

制定和发布详细的组织构架和职责权利,以收集有关运营成本的数据,并基于该数据为每个资源创建“参考水平”并不断更新。

制定和发布有关市场力筛选和缓解流程的详细规则。简而言之,对于如何计算和使用参考水平,以及关于缓解市场力的程序应该有非常明确的规则。在现货市场运作的最初几年,当竞争不足和市场设计问题可能很严重时,设置这些程序将特别重要。例如,在任何特定省份或地区鼓励发电资源区域整合的政策都可能导致竞争不足,但可以根据设计得当的参考水平价格来调整主要发电商的出价来一定程度的缓解这个问题。也就是说,在报价容易受到垄断的影响下,可以根据预估的参考水平来实现经济调度。

建立具有明确规定的权利、责任和数据访问权限的独立市场监测机构。比如制定一个“基本原则”,即市场监管和市场监测的重点是支持具备成本效益的调度和公平竞争的清洁能源资源。市场监测机构应就各省的市场效率和运营/调度结果定期发表报告。报告还应包括为确保公平竞争环境所需的任何市场规则改变的建议,包括分布式资源和需求侧资源(包括需求响应)。

明天待续  

[1]这里我们只描述碳价格如何影响电力部门的行为——也就是说,电力市场主体可能如何对价格作出反应。此外,在“缓解碳定价对电价的影响”一节,政府在设计碳排放交易机制时还有其他可以采取的步骤,可以在降低项目成本的同时增加效率,即产生比碳价本身所能带来的更大的减排。

[2]我们有时用“供应商”、“资源”与“发电商”这个词互换。然而重要的是,这也包括非发电资源的供应商,如需求响应和储能。

[3]注意,资本成本并没有反映在调度排名中。逻辑是,调度员负责将从现有资源中发电的成本最小化。

[4] Dupuy, Max, Ang Li (2016年12月).  “碳市场设计讨论专题: 改善电力调度机制,助力全国碳市场发挥功效”, 睿博能源智库,pp. 10-12, 下载链接https://www.raponline.org/knowledge-center/topics-carbon-market-design-power-sector-dispatch-reform-chinas-national-ets/.

[5]系统运营商希望满足可靠性的两个方面。一是系统安全,即实时运行的可靠性。第二个是资源充足性,即在中长期满足需求的资源充足性。

[6]中国几个省份正在发展的现货市场大致类似于覆盖美国约三分之二电力市场的独立系统运营商(ISO)和区域输电组织(RTO)。因为ISO和RTO在美国几乎是同义词,当提到这些美国ISO/RTO市场时,我们将交替使用它们。有关ISO/RTO市场的更多信息,请参见Hurlbut, D., Zhou, E.,Porter, K., and Arent, D.(2015).“可再生能源友好的电网发展策略:美国的经验以及对中国的潜在借鉴” (NREL/TP-6A20-64940)。美国国家可再生能源实验室。链接:https://www.nrel.gov/docs/fy16osti/64940.pdf(中文版本:https://www.nrel.gov/docs/fy16osti/66729.pdf) Federal Energy Regulatory Commission. (2015).Energy primer: A handbook of energy market basics.https://www.ferc.gov/marketoversight/guide/energyprimer.pdf

[7] 德克萨斯州的市场设计师已经投入了大量精力来确保设计良好的稀缺性定价。德州电力市场的特点是单一电量市场加上实时的、基于能源的可靠性机制(称为“运营备用需求曲线”),确保有足够的容量满足系统安全需求,同时提供足够的收入来鼓励新的投资。Surendran, Resmi, William W. Hogan, Hailong Hui, Chien-Ning Yu, “Scarcity Pricing in ERCOT,” FERC Technical Conference. Presentation June 27-29, 2016. Retrieved from https://www.ferc.gov/CalendarFiles/20160629114652-3%20-%20FERC2016_Scarcity%20Pricing_ERCOT_Resmi%20Surendran.pdf

[8] Jeff St. John, “Texas Grid Operator Reports Fuel Mix Is Now 30% Carbon-Free,” Greentech Media, 19 January 2019, retrieved from https://www.greentechmedia.com/articles/read/a-snapshot-of-texas-growing-appetite-for-wind-and-solar-power.

[9] See Dupuy, M. (2019). Comments on National Energy Administration’s “Advancing Electricity Spot Market Implementation.” Beijing, China: Regulatory Assistance Project. Retrieved from https://www.raponline.org/knowledge-center/comments-on-national-energy-administrations-advancing-electricity-spot-market-implementation/. See also RAP, NRDC. (2017). Electricity Wholesale Markets: US Experience and Recommendations for China. Retrieved from https://www.raponline.org/knowledge-center/electricity-wholesale-markets-us-experience-and-recommendations-for-china/

Dupuy, M. (2019).  “对《关于进一步推进电力现货市场建设试点工作的意见(征求意见稿)》对建议” ,睿博能源智库,https://www.raponline.org/knowledge-center/topics-carbon-market-design-power-sector-dispatch-reform-chinas-national-ets-cn/. 以及睿博能源智库,自然资源保护协会(2017) “美国电力市场设计与实施经验以及对中国的借鉴”, https://www.raponline.org/knowledge-center/electricity-wholesale-markets-us-experience-and-recommendations-for-china_cn/  

[10] “市场力”一词常与“垄断力量”互换使用。两者都指供应商操纵价格的能力,这在竞争中是不可能的。20年前,在加州,一些供应商在特定时间和特定地点控制了足够多的供应,他们能够通过停止向市场供应少量电力来抬高能源价格,以抵消因减少发电而造成的收入损失。他们比在竞争激烈的市场中发了更少的电却赚了更多的钱。这就是垄断的定义。

[11] Federal Energy Regulatory Commission, Order 719 on October 17, 2008, pp.169-247. Retrieved from https://www.ferc.gov/whats-new/comm-meet/2008/101608/E-1.pdf

关键字:电力市场

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