电力行业碳交易和企业策略的实验研究

　　摘要：跨期实验分析了电力市场和碳市场中的领导企业追求利润最大化时所采用的占优策略，不同电力需求水平对碳市场中许可证交易的影响，以及许可证免费分配时，双向拍卖机制和经纪人的参与对碳交易的影响。结果表明：领导企业将提高电力价格实现利润最大化，经纪人的出现将抑制碳市场中的市场势力，许可证价格与市场势力和电力需求水平无显著关系。
　　关键词：电力市场；碳交易；企业策略；跨期实验
　　DOI：10.13956/j.ss.1001-8409.2015.11.25
　　中图分类号：F272 文献标识码：A 文章编号：1001-8409（2015）11-0115-04
　　Abstract：This paper analyzes the leading companies dominant strategy for maximizing profit in the electricitycarbon market， different power demand levels influence on carbon market， and double auction mechanism and the agents participations influence on the carbon market in free distribution of permits by interterm poral experiment. Experimental results show that， the leading firms will maximize profits by increasing the price of electricity， the emergence of agents restrains the market power of emission trading market， license price has no significant relationship with market power and power demand levels.
　　Key words：power market； carbon emission trading； enterprises strategy； interterm poral experiments
　　过去40年里碳交易从各种环境管理政策中脱颖而出，成为当前全球削减温室气体排放的主要手段。2013年6月以来，我国在北京、天津、上海、重庆、湖北、广东和深圳7个试点省市相继启动碳交易，截至2015年3月31日，累计成交量约2000万吨，累计成交金额近13亿元[1]。电力行业是中国温室气体排放的重点行业，2010年CO2排放量占全国排放总量的比重接近40%[2]。2016年全国碳交易市场建立后，电力行业将被整体纳入，因此需要深入研究电力行业开展碳交易的核心要素。
　　1实验研究文献综述
　　学者们运用实验经济学对碳交易效率进行了大量研究。Hahn发现市场势力存在时，初始许可证分配会影响碳交易效率，拥有市场势力的企业，其初始许可证分配无论高于还是低于需求量，都会产生交易动机。初始分配偏离需求量的程度越高，实施市场势力的能力越高[3]。乔志林等采用实验经济学方法，比较了排污权交易制度和污染税制度下的市场效率。结果发现当排放权市场存在垄断时，市场势力会影响排放权交易制度的效率，其效率甚至会低于污染税制度的效率[4]。Godby和Mestelman等的实验证明许可证储蓄有助于平抑碳价格波动，当排放量低于预期时，储蓄未使用的许可证可以避免低价倾销，当排放量高于预期时，储蓄的许可证作为供给可以避免价格尖峰[5，6]。随着实验研究不断深入，学者们发现产品市场和碳市场联系显著。Carlson提出受气候异常、经济周期等因素影响，产品市场中的污染物排放量会出现波动，进而引发碳市场中许可证价格波动[7]。Dormady利用实验分析了能源市场和碳市场同时拍卖时市场势力的影响，结果表明领导企业会利用能源市场和碳市场的联系，在能源市场中减少供给、抬高能源价格，从而减少碳市场中的许可证需求、压低许可证价格[8]。
　　电力行业普遍存在大企业，如美国新英格兰ISO，两家大企业分别控制了16%和11%的发电能力[9]；中国深圳妈湾电厂发电量占深圳火电发电总量的46%[10]。在许可证免费分配制度下，电力市场中的大企业因排放量高，将会得到较多的许可证，进而成为碳市场中的领导者。基于国内外研究现状和电力行业特点，设计中国电力行业碳交易机制时需要综合考虑电力市场与碳市场的关联性。本次实验研究3个问题：首先，不同电力需求水平对碳市场中许可证交易的影响；其次，电力市场和碳市场中的领导企业追求利润最大化时所采用的价格策略；第三，经纪人的参与能否活跃碳市场中的交易。
　　2实验设计
　　本次实验使用苏黎世大学开发的z-Tree软件编写程序，在兰州理工大学计算中心进行。60名被试均为兰州理工大学经济管理学院研究生。所有被试被随机分配到3个控制组和3个实验组。每轮实验有2期，共进行12轮。实验中采用实验币报价与核算。
　　21电力市场实验设计
　　2015年出台的《中共中央国务院关于进一步深化电力体制改革的若干意见》明确指出，参与电力市场交易的发电企业上网电价由用户或售电主体与发电企业通过协商、市场竞价等方式自主确定。为体现我国电力体制改革中＂有序推进电价改革，理顺电价形成机制＂的原则，实验中电力市场采用拍卖方式竞价上网。电力市场中共有20台机组，每台机组能发电2单位。每台机组有固定的边际生产成本，其中10台机组边际生产成本较低，为每单位电1实验币，另10台机组边际生产成本较高，为每单位电2实验币。电力市场中有低、中、高3个随机需求水平。低需求时，电力需求量为20单位，需要10台机组运行；中需求时，电力需求量为30单位，需要15台机组运行；高需求时，电力需求量为40单位，需20台机组全部运行。所有被试都是电力市场中的生产者，每轮实验开始时将告知被试市场需求水平。电力市场中采用统一密封报价拍卖，并规定最高竞拍价为10实验币。  22碳交易实验设计
　　全球绝大多数的全国性碳交易免费分配许可证，如美国酸雨计划中免费分配的许可证占总量的972%。故本实验中碳交易许可证免费分配，同时加入全国性碳市场的3个设计要素：许可证储蓄、许可证交易、超证排放罚款。根据总量控制目标，本实验碳市场中设定的CO2排放限量为30单位，因此免费分配的许可证总量为30单位。碳市场中采用双向拍卖方式交易许可证。电力市场中竞价失败的被试也可以参与碳交易，其行为将类似于经纪人。
　　每轮实验代表一个遵守期。每轮实验末，计算机自动核查被试电力生产中产生的排放量与所持许可证量。实验中规定生产1单位电力将产生1单位CO2排放，故生产1单位电力须持有1单位许可证。每超证排放1单位，罚款5实验币。实验中被试可以储蓄许可证。
　　23实验分组
　　实验中控制组仿真完全竞争市场，所有企业拥有相同的生产能力和许可证数量。实验组仿真不完全竞争市场，即存在大企业，可以实施市场势力。依据Hahn的设计，其中2名被试是大企业，八名被试是对价格缺乏影响力的小企业[5]。其中4个小企业各拥有1台低成本机组，另4个小企业各拥有1台高成本机组。表1列举了各组的初始禀赋。
　　242大企业的价格策略
　　实验中为实现利润最大化，大企业有A型和B型两种价格策略。
　　A型价格策略指大企业在电力市场中不与小企业竞争，减少电力供给，但拍卖报价为价格上限，以获取充分的经济租。这是因为无论何种需求水平，实验组中小企业的产量都无法满足电力市场需求。此策略下，电力市场中统一密封报价确定的成交价为价格上限，小企业即使按边际成本报价，最终的成交价依然是价格上限，取得生产资格的小企业也会获得经济租，因此对小企业来说，只要通过报价竞争获得生产资格就能实现利润最大化。
　　B型价格策略是指大企业在电力市场中降低报价，大量生产，尽可能地减少小企业的生产，排除竞争者，垄断电力市场，导致碳市场中小企业的许可证过剩，卖出许可证，降低大企业买入许可证的成本，最大化自己的利润。
　　3价格策略与价格预期
　　31占优策略
　　A型价格策略的成功取决于电力市场需求水平和2个大企业的合谋。电力需求低时，实验组8个小企业提供8台机组生产16单位电力，而要满足剩下的4单位需求，大企业必须参与生产。如果大企业合谋，各提供1台低成本机组，报价为10实验币的价格上限，意味着每个大企业生产2单位电力，生产成本为2实验币，利润为18实验币。但是合谋很难实现，因为每个大企业都有强烈的动机背叛合谋。只要背叛合谋的一方报价低于对方001实验币，该大企业将独自生产4单位电力，在999实验币的高价下获得3596的最大利益。
　　高需求水平时，需要20台机组全部投入生产才能满足市场需求，此时所有被试对价格有同样的影响力，因此每个企业的报价都是价格上限10实验币。
　　中需求水平时，在A型策略下，小企业按边际成本报价提供8台机组生产后，还需要大企业提供7台机组投入生产才能满足市场需求。此时合谋的困难来自7台机组的分配，因为将有1家企业比另1家企业多获得1台机组的生产能力，从而获得更高的利润。但由于每个大企业的最大生产能力是6台机组，这就意味着两个大企业不可或缺，否则市场需求将无法满足，因此即使合谋不能实现，在A型策略下每个企业的报价也是价格上限10实验币。
　　相比A型策略，B型市场势力策略利润较低。首先，统一价格拍卖具有非歧视性，因此提升其他企业的成本就意味着提升自己的成本。第二，碳市场中将有企业以经纪人身份参与许可证买卖，即使许可证供给量大于需求量，许可证价格也不会趋于0。大量交易的存在将提升许可证价格，提高大企业在碳市场中购买许可证的支出。综上分析，A型策略应该为本实验的占优策略。
　　32占优策略下的价格预期
　　第一期电力市场中，低需求时，将可能的罚款作为机会成本考虑后，控制组高成本机组的最低报价为7实验币，而低成本机组的报价需低于高成本机组才能取得生产资格，因此低成本机组的最高报价为699实验币。中需求时，还需5台高成本机组投入生产，高成本机组每单位电力生产成本为2实验币，为取得生产资格，将可能的罚款作为成本考虑后，最低报价为7实验币。高需求时，所有企业都是垄断者，企业报价为10实验币。实验组中，大企业实行A型策略，各种需求下报价均为10实验币。在第二期电力市场中，两组情况相同，中低需求水平下，因电力生产能力超过需求，所有被试为了避免第二期中电力市场饱和，将在电力市场一期报价并获得最大生产资格，因此第二期电力市场的报价为0实验币。高需求水平下，电力需求高于企业生产能力，因此第二期中的报价为10实验币。
　　在碳市场中，罚款额成为许可证价格的潜在上限，当许可证价格高于5实验币时，企业宁可被罚款，故许可证价格在5实验币内波动。
　　4实验结果
　　41总体市场结果
　　从市场总体运行的描述性统计结果来看，在第一期电力市场中，低需求水平下实验组的市场出清价格低于控制组，说明实验组的合谋难以达成；在中需求水平下，实验组的市场出清价格高于控制组，说明实验组大企业意识到自己的垄断地位，实行了价格歧视。实验组和控制组的第二期电力市场出清价格均小于第一期价格，符合同质多物品序贯拍卖实践中出现的价格向下漂移情况。碳市场中，除了控制组在高需求水平下，第一期的成交均价低于第二期外，其他情况下第二期许可证市场中的成交均价都低于第一期。
　　根据WILCOXON检验结果，控制组和实验组在3种需求水平下，电力市场的市场出清价和碳市场的许可证均价在01%的显著性水平下与预测结果一致。曼-惠特尼u统计检验进一步对比了实验组和控制组的结果。比较发现，在电力市场一期，低需求水平下实验组平均价格明显低于控制组价格，中需求水平下实验组平均价格明显高于控制组价格。进一步验证了低需求时，在一方背叛就能独占市场的情况下合谋相当困难，因此A型价格策略很难成功。在高需求时，无论控制组还是实验组，所有参与者都是垄断者，因此价格没有显著差别。在第二期电力市场中，实验组和控制组的价格没有显著差别，和预期相同。