深度解读美国清洁电力计划的背景和影响

导读  　　8月3日，奥巴马宣布了其任期中最重要也是最受争议的环境能源政策——美国清洁电力计划（下称CPP， Clean Power Plan）。CPP旨在减少发电厂的碳排放，以应对气候变化方面。环保署公布CPP Overview称：“该计划有稳健切实的标准，和按照各州情况因地制宜的减排目标。” 　　这一计划毫无疑问将影响美国电力市场的发电格局、发电成本和电价、以及电力系统的大气污染物和温室气体排放。本文将解读这一政策的制定背景并解读目前为止该计划对经济环境造成的后果。文末无所不能（caixinenergy）也独家为大家带来了美国环保署长达9页的CPP Overview文件中的五个最核心部分的要点。 　　背景一：煤电仍然是美国发电主力 　　虽然页岩气革命大大降低了天然气发电的成本，但是迄今为止，煤炭仍然是美国最主要的发电来源。如图一所示，除了12年春天和15年初两个月外，近五年来，煤电所占的市场份额仍然比天然气高。 图一：美国煤电和天然气电市场份额历史变化 （图源：美国能源信息署） 　　煤电对天然气的优势不仅体现在成本较低上，也体现在其发电成本的金融风险较天然气发电低。实际上，天然气价格上涨很容易传导到发电市场。相反的，天然气价格的下跌并不能完全的传导到发电市场，转化为天然气发电成本的下降。这是因为天然气输气管道的修建常常会受到环境保护组织和当地居民的强烈狙击。因此在2014年冬天，PJM市场等地在天然气价格历史新低的同时，却出现了历史最高售电价。这就是因为天然气输电能力不足造成。 　　由于成本和风险两个方面的比较优势，如果没有新的政策出台，煤电仍然会继续在电力市场中拥有很大份额。这对美国2030年减排目标的实现是很大威胁。 　　背景二：煤电将是新能源的竞争对手并威胁新能源的发展 　　在大型风电太阳能发电企业面临补贴断崖式终止和稳定供给责任两大政策夹击的背景下，市场中煤电是新能源最大的竞争对手。由于大多数美国电力市场开始要求新能源企业在日前市场做出发电承诺，如果发电量达不到发电承诺，新能源企业就必须在时前市场购买足够电量弥补发电不足。这就导致风电和太阳能发电的运营成本不再为零，而是一个由风电预测误差分布和传统机组发电成本决定的风险成本。在刚刚获得美国能源经济学会2015年学生论文奖的研究中，笔者核算了德克萨斯州风电的运营成本分布（如下方左图所示）。笔者在这篇研究中指出，风电发电企业的运营成本大量集中在10-25美元每兆瓦的水平。而同在这一水平上的发电机组主要是煤电机组。 （图源：Yu.Y, 2015） 　　因此，在补贴取消后，面对自身成本的风电太阳能企业，其成本决定的最主要的竞争对手是煤电。在补贴终止后，如果没有新的管制政策加持，风电太阳能企业必将面对煤电企业的强有力竞争，这对美国新能源发电目标的实现带来了巨大挑战。 　　上述两大背景，可以说是对为何在天然气价格、风电太阳能成本双双下跌的时候，美国还需要为控制温室气体排放出台清洁电力计划的原因。 　　小科普：时前市场和日前市场为电力现货交易市场专业名词，具体解读见文末。 　　后果一：煤炭行业的寒冬和电价的上涨 　　受到该计划冲击最直接的是煤炭行业。美国能源信息署公布的研究报告指出，清洁电力计划会造成煤炭产量最高40%的下降（如图三所示）。产量削减的同时，煤价也会下跌8%-10%左右。因此可以说，该政策对美国煤炭行业来说，是极其严厉而后果严重的。如果该计划真的实施，美国煤炭行业的倒闭潮和长期冬天可以预见。 图三：美国煤炭产量情景预测 　　（AEO：无清洁能源计划；CPP：清洁能源计划；CPPEXT：清洁能源计划+排放限制；CPPNUC：清洁能源计划和核电扩张。图源：美国能源信息署） 　　于此同时，预计美国电价会因清洁电力计划二上涨。特别是在计划最初的十年，全美平均电价预计会上涨10%左右。这样的涨幅对居民生活的直接影响不大，但是对美国经济会产生较显著影响。需要指出的是，许多高煤电比例州，如俄亥俄州，电价上涨将超过此幅度。而煤电比例较高的州，也是目前美国制造业较为集中的地区。可以说，如果该计划实施，对美国制造业回归而言，很可能带来负面的影响。 图四：美国平均电价情景预测 　　（AEO：无清洁能源计划；CPP：清洁能源计划；CPPEXT：清洁能源计划+排放限制；CPPNUC：清洁能源计划和核电扩张。图源：美国能源信息署） 　　Bushnell等四位能源和环境经济学家在2014年年底曾经对2014年版本的清洁电力计划出评估。从这个评估中，我们能够大致看到。和碳交易政策（Cap）相比，清洁电力计划（Rate standard）让西部低价天然气的成本更低。因此，除了有利于清洁能源，清洁电力计划更加有利于天然气机组。 图五：美国西部发电成本受清洁电力计划影响 （图源：Busnell et.al 2014） 　　后果二：区域排放政策敏感 　　清洁电力计划的总体环境后果已经有很多报道。但是要特别指出的是。清洁电力计划的减排和不同州采用什么样的政策有很大关系。Bushnell等在他们的研究中分析了当不同地区选择不同政策时的减排效果。 图六展现了当内陆和沿海州分别采用清洁电力计划（Rate）或碳交易（Cap）政策市，碳排放削减量。途中可以看到，各州的排放削减水平不仅被本州选择什么样的政策所决定，也对其他州选择什么样的政策非常敏感。 图六：不同政策情景下的各州减排 （百万吨，图源：Busnell et.al 2014） 　　小科普：电力市场交易类型（感谢能豆粉徐帆提供） 　　电力市场的交易类型可根据交易周期、交易标的及交易性质进行划分： 　　1、按交易目的和交易标的的不同可分为电能交易（电力和电量）、辅助服务（调频、备用、无功、黑启动等）交易、发电权交易等。 　　2、按交易标的的性质不同可分为电力实物交易和电力金融交易两大类。 　　3、交易标的为电力/电量，一般按周期设置中长期市场和现货市场。中长期市场包括年度合约市场、月度合约市场，一般以双边交易为主。现货市场包括日前市场、实时市场（又叫平衡市场），一般以交易中心竞价交易为主。各市场关系如下图： 　　美国清洁电力计划五大核心要点 　　CPP是什么 　　清洁能源计划将会减少来自发电厂的碳排放。同时，该计划将保障能源供给的可靠性和价格可接受性； 　　这是美国第一次出台全国性减排措施； 　　化石能源仍会是美国能源未来重要的一部分，CPP只是想使化石能源发电变得更加清洁(clean)，更加高效(efficient)，于此同时扩大清洁能源的使用。 　　为什么要有CPP 　　2014年是有史以来美国最热的一年。 　　有记录以来最热的15个年份，有14个年份出现在本世纪前15年。 　　世界顶尖科学家们通过长期大量的数据分析，告诉我们：人类活动正导致气候变暖。 　　火电厂是美国目前最大的单一碳排放来源，占全美二氧化碳排放量的31%。 　　CPP的好处 　　到2030年CPP完成，美国能源业的碳排放将减少32%（2005年基准）； 　　二氧化硫排放减少90%（2005基准）； 　　氮氧化物排放减少72%（2005基准）； 　　带来260至450亿美元的纯经济利益； 　　显著改善公众健康。 　　CPP实施安排 　　CPP将会遵从当年Clean Air Act的操作办法：建立环保署与各州的合作关系，由EPA设定各州的总体减排目标，由各州灵活选择方法来实现各自目标。 　　环保署将设定中期（interim）和最终(final)二氧化碳排放表现率(emission performance rate)。该表现率分为化石能源燃烧发电（指燃烧煤和石油）和天然气燃烧发电两类。 　　中期目标须在2022年至2029年间实现；最终目标须在2030年内实现； 　　将建立碳排放交易机制； 　　CPP实施办法 　　提高当前燃煤火电厂的热效率，减少每单位发电量的碳排放； 　　提高现有天然气发电设施的清洁能源发电比重，以替代高温室气体排放的火电厂发电； 　　提高以风电和光伏为代表的零排放清洁能源发电比重，以替代高温室气体排放的火电厂发电。 　　言论：媒体观点 　　纽约时报 ： 　　肯塔基州共和党参议员、多数党领袖米奇·麦康奈尔(Mitch McConnell)在奥巴马讲话之前就已经表示，他会竭尽所能地反对这些法规，他称总统制定这些法规，是因为他已经对“必须与人民选出来的国会合作感到厌烦”。 　　华尔街日报： 　　IHS Global Energy分析师霍奇(Bob Hodge)表示，西部低成本企业的情况会好一些，但只要是煤炭企业，就没有谁是赢家。他说，这不是能一笑置之的问题；就行业而言，不过是看谁输得最少罢了。 　　彭博： 　　美国国家矿业协会主席哈尔·奎恩（HAL Quinn）表示：“EPA的最终能源清洁计划不过是一种政治上的权宜之计，并不是为这个国家提供低耗能源的现实之举。”他还宣称，协会将制止这个计划实施。 　　美国有线电视新闻网： 　　能源行业花费百万美元试图揭露环境变化的原因，但是民意显示多数美国人认为地球正在变暖。（作者：于洋 斯坦福大学环境与土木工程系博士。）