中国风电产业政策与产业发展

[收稿日期] 2011-02-12

[作者简介] 邸 元(1983 ),男,安徽凤阳人,清华大学公共管理学院博士研究生;

刘晓鸥(1982 ),女,山东青岛人,中国人民大学农业与农村发展学院讲师,经济学博士。

感谢匿名评审人提出的修改建议,笔者已做了相应修改,本文文责自负。

中国风电产业政策与产业发展

一项基于风电与传统电力替代性的研究

邸 元1

刘晓鸥

2

(1.清华大学公共管理学院,北京 100084; 2.中国人民大学农业与农村发展学院,北京 100872)

[提 要] 本文从考察风电与传统能源电力的需求替代弹性入手,通过构建社会对电力需求函数,分析了传统能源电力与风电的需求替代关系。政府若能通过政策手段内化传统电力对社会环境的负外部性,提高传统电力的价格,则社会对风电的需求量将会显著增加。在需求拉动下,风电产业会实现快速的增长。笔者的研究结果表明,以2009年为例,传统电力价格每上涨0 01元,社会对风电的需求将最高增加1 03亿千瓦左右。因此,我国政府在制定一系列风电产业支持政策的同时,可以尝试利用碳税或发放污染配额等政策手段,适当提高传统能源电力价格,拉动社会对风电的需求总量,促进风电产业的发展,实现社会福利的优化。

[关键词] 产业政策;风电需求;外部性;能源价格[中图分类号]F407 2[文献标识码]A [文章编号]1000-596X (2011)05-0067-08

一、引言

风电较之于传统能源发电没有二氧化碳、硫化物、粉尘等有害物质的排放,是一种有助于经济社

会全面协调可持续发展的清洁能源。然而,由于风电的上网电价高于传统能源电力,我国的风电产业经常遭遇并网难的尴尬。风电的高电价固然与目前我国风电产业的高成本发展有关,但另外一层原因并未引起社会的足够重视。即风电的 高 电价是相对于传统能源的 低 价而言的。传统能源例如煤电等具有显著的环境负外部性,但我国政府并未

通过有效的政策手段将此负外部性进行内化,从而

使传统能源的价格并未包含其对社会公共环境的破坏。而与此同时,风电与传统能源发电相比,则具有环境正外部性。因此,在电力市场上存在着明显的市场失灵现象。

在假设理性消费者的前提下,在存在市场失灵的市场中,单凭市场自身的调节机制并不能实现资源的有效配置,更谈不上通过市场机制达到社会福利的最大化。这一现象在一些风电发达国家得到了很好的印证。杰珍和威斯汀哈根(Jegen and Wustenhagen)的研究表明,除了在某些地区政府可以通过对购买风电等绿色能源的消费者免税这一措

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施对消费者的风电购买意愿产生强烈的刺激之外,在其他地区自愿购买风电等绿色能源的消费者所占

的比例非常低,约为2%~3%左右。[1]

可见,如果没有外力推动,风电相对于传统能源电力的比较优势就很难发挥出来,社会对风电需求将因为风电价格过高而得不到有效的拉动。需求拉动是一个产业发展永恒的动力,因此,如何有效地拉动社会对风电的需求是关乎风电产业发展的一个重要议题。 这里使用二次效用函数的函数形式是因为由该函数形式进行优化所得的需求函数为普遍使用的q 1=a 1+b 1p 1+bp 2

和q 2=a 2+b 2p 1+bp 2的形式,其中q 为需求量,p 为产品价格,a 1和a 2为大于零的截距,b 1和b 2为小于零的斜率,b 为产品的替代系数,且b 的符号取决于两种产品x 1和x 2是替代品(substitute pro ducts,b 大于零)还是补偿品(co mpensate pr oducts,b 2小于零)。然而,如何从政策层面拉动社会对风电的有效需求这一关键问题在学术界缺乏足够的重视。目前,学者们对风电产业政策的研究多集中于政策对风电产业的鼓励和支持等方面。例如,顾为东指出,风电发展长期存在着风电规模偏小、上网电价高、国产化程度低、核心技术落后、自主研发力量薄弱、专业化人才稀缺等薄弱环节,我国的风电发展不能走德国、丹麦、美国等西方风电发展大国的老路,提出了政府将大规模风电直接应用于某些特

殊高耗能产业的风电非并网发展的机制。[2]

刘等人

(Liu et al)在回顾中国风电发展历程的基础上,探讨了政策对风电产业发展的作用,并认为公共政策只有吸引和激发企业等私人部门参与风电开发的

积极性,中国风电产业才能快速发展。[3]

高虎和王

仲颖、伯德(Bird)分别从国家和地方层面,从财政、津贴、可变关税、增值税率优惠、系统效益基金、批发市场原则(w hole sale m arket rules)、风电特许权制度、可再生能源立法以及包括风能资源前期评估与日预测、风机测试与认证和风电接入系统技术服务在内的风电服务体系建设等方面阐述了

风电发展的推进策略。[4][5]

张伯勇和赵秀生在对清

洁发展机制(CDM )融资分析中,通过对新疆、内蒙古、江苏、吉林等地风电CDM 项目案例的研究,探讨了风电类CDM 项目融资的现实可行性。[6]

王淑娟和郭元从社会系统工程的角度提出政府是主导风电发展的核心力量,起着弥补市场失灵,协调科研、企业、用户利益关系的作用。他们

建议设立全国性的风电管理机构,加强对风电产业的管理。

[7]

本文在之前学者研究的基础上,通过对社会电力需求函数的情景分析,提出政策的制定者在对风电产业进行补贴、或者推行其他鼓励性政策的同时,可以从传统能源发电的负外部性入手,通过税收形式或者发放污染配额等方式将传统能源发电的负外部性内化到对传统能源发电的上网电价中,提高传统能源发电的市场价格。充分利用风电和传统能源发电之间的替代效应来重新分配社会对电力的有效需求,提高社会对风电的需求量,抑制社会对传统电力等不清洁能源的需求,以吸引更多的资本投资于风电建设,促进风电产业的发展。

二、理论模型构建

目前适合我国国情的、从传统能源角度出发的、鼓励风电产业发展的政策为:利用税收等价格为导向的政策工具,或通过发放污染配额等以限制供应量为导向的政策工具,内化传统能源发电的负外部性,提高传统能源发电的价格,提升风电的价格竞争力。并通过风电和传统能源发电之间的替代效用,实现社会对不同电力需求的重新分配,增加对风电等清洁能源的需求,抑制社会对煤电等传统电力的需求,从而实现社会福利的优化。本节从讨论经济学分析中两种最通用的效用函数入手(二次效用函数和不变替代弹性效用函数),对本文所提出的政策效果进行情景分析。

(一)二次效用函数

现假设整个社会在一定的预算约束条件下通过对风电和传统能源的消费实现其效用最大化。设整个社会的效用函数服从二次效用函数的形式(quadratic utility function)

,即:

U =b 2x 2

1+b 1x 2

2+2bx 1x 2(1)式中,x 1为消费的风电的电量;x 2为消费的传统

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能源发电的电量。令整个社会的预算约束服从: p1x1+p2x2 m(2)式中,p1为风电厂销售的风电的价格;p2为传统能源发电厂销售传统能源发电的价格;m为整个社会当期用以向电厂购买一定电量的最大预算值。

那么,整个社会的效用最大化过程即为在预算约束式(2)下最大化它的效用函数式(1)。即: max{U:s.t.{p1x1+p2x2=m}}(3)

式(3)中的最大化问题可以使用拉格朗日函数的方法求得一阶条件。拉格朗日函数为:

L=b2x21+b1x22+2bx1x2

+ (m-p1x1-p2x2)(4)最大化拉格朗日函数求得的一阶条件为:

L

x1=2b2x1+2bx2- p1=0

L

x2=2b1x2+2bx1- p2=0

L

=p1x1+p2x2=m(5)

为了保证一阶条件得出的最值为最大值,必须验证式(5)的二阶条件,即得到海色矩阵(H es sian matr ix)

H=

2b22b-p1

2b2b1-p2

-p1-p20

(6)

必须满足为半负定矩阵(semi negativ e definite matrix),即满足条件b1<0和b1b2-b2>0。

联立式(5)中的方程组可解得社会对风电的马歇尔需求函数x1(p1,p2,m),以及社会对传统能源发电的需求函数x2(p1,p2,m)为:

x1(p1,p2,m)=x*1=

m(2p1b1-p2b)

b1p21-2bp1p2+b2p22

x2(p1,p2,m)=x*2=

m(2p2b2-p1b)

b1p21-2bp1p2+b2p22

(7)

由需求函数可知,当传统能源发电的电价p2上涨时,风电对于传统能源发电的替代效应(即由于传统能源发电的价格的提高所带来的风电电量的变化)为:

x*1 p2=

m(2bp1-2b2p2-b)

(b1p21-2bp1p2+b2p22)2

(8)

即风电对于传统能源发电的替代弹性(即传统

能源发电的电价每提高1个百分点所带来的风电电

量的变化为e个百分点)为:

e=

x*1

p2

p2

x*1

=

(2b2p2+2bp1-b)p2

(b1p21-2bp1p2+b2p22)(2p1b1-p2b)

(9)

由优化过程中的二阶条件所限定的参数b1,

b2,b的取值范围可得,替代弹性e大于零,表明

风电和传统能源发电为正常的替代品。因此,当

政府通过税收的方法,迫使传统能源发电所产生

的负外部性通过提高其产品的价格表达出来的时

候,社会对风电的需求量会由此增加,增加的幅

度由e的值可以测算出来。当现有的风电场所生

产的电量不能满足这个增加的需求时,风电市场

会出现需求过剩,此时会有更多的企业进入风电

行业或者现有的风电场会追加投资以增加电厂的

装机容量来满足增加的需求,从而实现新一轮的

市场出清。

由式(9)可推导出替代弹性随着参数b1,b2,

b的变化而变化的程度。在整个社会的效用函数式

(1)中,参数b1,b2和b决定了效用函数的曲度

(curvature)。与效用函数的曲度相关联的经济学

概念为风电和传统能源发电的边际替代率,即在维

持电厂的效用水平不变的情况下,电厂每增加1单

位的风电消费量所需要放弃的对传统能源发电的消

费量。所以b1,b2的不同取值代表了社会针对风

电和传统能源电力在某一特定的消费量(x1,x2)

下的不同的边际替代率:

MR S=

M U1

M U2

=

2b2x1+2b1x2

2b1x2+2bx1

(10)

那么,在最优消费量(x*1,x*2)下,边际替

代率也达到了最优值即M RS*。所以,考察参数

b1和b2的变化对替代弹性的影响,另一个方法是

考察最优边际替代率MR S*对于替代弹性的

影响。

式(9)中替代弹性e的数值可以通过设定

各参数的取值计算出来。目前我国电力市场中

风电的上网电价约为p1=0 63元/千瓦时,传

统能源电力的平均上网电价约为p2=0 3元/千

69

瓦时。

笔者先假定在b 1=-1 2,b 2=-0 8,

b =-0 5的条件下,根据等式(9)和两种产品的价格p 1,p 2的值,我们可以计算出风电对传统能源电力的替代弹性为0 3942,即当传统能源发电的价格上升1%时,社会对风电的需求量增加0 3942%。

因为我国最主要的发电模式仍为火力发电,并由于所有传统能源发电所产生的电力的平均上网电价数据难以计算,

本文使用火电的上网电价来模拟传统能源发电的上网电价。平均上网电价的数据来源为陈凯,史红亮.清洁能源发展研究[M ].上海:上海财经大学出版社,2009。图1描述了在b 1=-1 2,b 2=-0 8,b =-0 5时整体社会的效用函数的3D 图像。其中x 轴为社会对风电的需求量x 1,y 轴为社会对传统能源发电的需求量x 2,z 轴为由x 1和x 2的消费为社会带来的效用。为了得到不同的效用函数对风电和传统能源发电的替代弹性的影响,笔者假设参数b 1,b 2的取值范围分别为[-1 2,-4]和[-0 8,-3 6],即设定风电和传统能源电力具有不同的最优边际替代率(M RS ),并设定参数b 的取值为0 5,便可得b 1,b 2的变动对替代弹性e 的影响如表1

所示。

图1 社会整体二次效用函数

图2描述了参数b 1,b 2和替代弹性e 之间的关系。其中x 轴为参数b 1的取值,y 轴为参数b 2的取值,z 轴为由不同的b 1和b 2所产生的不同的替代弹性e 的值。图3描述了参数b 1,b 2(即效用函数的曲度)和最优边际替代率M RS 之间的关系,

表1 参数b 1,b 2和替代弹性e 以及MRS 之间的关系

b 1b 2b M RS e -1 20-0 800 57 580 3942-1 40-1 000 59 440 3249-1 60-1 200 55 970 2749-1 80-1 400 54 800 2374-2 00-1 600 54 210 2084-2 20-1 800 53 860 1853-2 40-2 000 53 620 1666-2 60-2 200 53 450 1512-2 80-2 400 53 330 1382-3 00-2 600 53 230 1273-3 20-2 800 53 150 1178-3 40-3 000 53 080 1096-3 60-3 200 53 030 1025-3 80-3 400 52 980 0961-4 00

-3 60

0 5

2 94

0 0905

即效用函数的曲度不同,将会导致风电和传统能源发电的边际替代率产生变化。图4描述了MR S 和替代弹性e 之间呈递增关系。当风电对于传统电力的边际替代率减少时,即社会为了多消费1单位的风电所被迫放弃的传统能源电力的消费量越少时,风电和传统能源之间的替代弹性越小,即传统能源

价格上升所导致的风电需求量增加的比率越小。

图2 参数b 1,b 2和替代弹性e 的关系

70

图3 参数b 1,b 2和MRS

的关系

图4 MRS 和替代弹性e 的关系

表2列出了当参数b 1,b 2的取值不变时,参数b 的变化对替代弹性和边际替代率(M RS )取值的影响。当b 的取值变化率为100%时,即从

0 2变动到0 4时,替代弹性的变化率约为27 6%。

图5描述了参数b 和替代弹性e 之间的关系。其中x 轴为参数b 的取值,y 轴为参数b 的取值变动所导致的替代弹性e 的变动。如图5所示,参数b 的取值和替代弹性之间存在递增关系。图6则显示了参数b 和MR S 的递增关系。当b 的取值范围在[0 2,0 36]之间时,边际替代率随着b 的增加缓慢从2 75增加至6 91,当b 的取值范围越过0 36这一临界点之后,边际替代率呈现飞速增长的态势,平均增长率为474%。

表2参数b 和替代弹性e 以及MRS 之间的关系b 1b 2b

e M RS -1 2-0 80 200

28512 75-1 2-0 80 220 29423 85-1 2-0 80 240 30304 09-1 2-0 80 260 31154 37-1 2-0 80 280 31984 70-1 2-0 80 300 32775 09-1 2-0 80 320 33545 56-1 2-0 80 340 34296 15-1 2-0 80 360 35006 91-1 2-0 80 380 35707 91-1 2-0 80 400 36379 30-1 2-0 80 420 370211 36-1 2-0 80 440 376514 73-1 2-0 80 460 382621 30-1 2

-0 8

0 48

0 388

5

39

63

图5 参数b 和替代弹性e

的关系

图6 参数b 和MRS 的关系

71

(二)不变替代弹性效用函数(CES)

现设整个社会对能源发电的效用函数服从不变替代弹性效用函数的形式,即:

U=A[ x 1+(1- x 2)]r/ (11)式中,x1为消费的风电的电量;x2为消费的传统能源发电的电量; ,r和 为效用函数的参数,其不同的取值决定了效用函数的曲率(即边际替代率)。其中, , (0,1)。

令整个社会的预算约束服从:

p1x1+p2x2 m(12)式中,p1为风电厂销售的风电的价格;p2为传统能源发电厂销售传统能源发电的价格;m为整个社会当期用以向电厂购买一定电量的最大预算值。那么,整个社会的效用最大化过程即为在预算是式(12)下最大化效用函数式(11)。即:

max{U:s.t.{p1x1+p2x2=m}}(13)式(13)的最大化问题可以使用拉格朗日函数的方法求解一阶条件。拉格朗日函数可以写成:

L=A[ x 1+(1- x 2)]r/

+ (m-p1x1-p2x2)(14)最大化拉格朗日函数我们可以得出一阶条件为:

L

x1=A[ x

1+(1- )x

2]

r

-1 x -11- p1=0

L

x1=A[ x

1+(1- )x

2]

r

-1 (1- )x -12- p2

=0(15)联立以上的一阶条件,我们可以解得社会对风电的马歇尔需求函数x1(p1,p2,m)以及社会对传统能源发电的需求函数x2(p1,p2,m)为:

x*1=

m(p1(1- )1 -1)

(p 1 )1 -1+[p 2(1- )]1 -1

x*2=

m(p2 1 -1)

(p 1(1- ))1 -1+[p 2 ]1 -1

(16)

由上述的需求函数x1(p1,p2,m)可知,当传统能源的电价p2上升时,风电对于传统能源发电的替代效应为:

x*1 p2=m(p1(1- )1 -1)(1- )1 -1 p -12

{(p 1 )1 -1+[p 2(1- )]1 -1}2

(17)

即风电对于传统能源发电的替代弹性为:

e=

(1- )1 -1 p -12

(p 1 )1 -1+[p 2(1- )]1 -1

(18)

同理,我们可以通过考察不同的参数取值范围,来考察在CES需求函数下传统能源电力价格的上升对风电需求的拉动作用。

图7给出了不变替代弹性效用函数在 = 0 3, =0 5时的3D图像。其中x轴为社会对风电的需求量x1,y轴为社会对传统能源发电的需求量x2,z轴为由x1和x2的消费为社会带来的效用。为了涵盖不同参数下风电和传统能源发电之间的替代弹性,笔者假设参数的取值范围分别为 (0 05,0 95), (0 01,0 99),即设定风电和传统能源电力具有不同的最优边际替代率(M RS),我们得出了风电和传统电力的替代弹性如图8

所示。

图7

不变替代弹性效用函数

图8 效用函数中的参数 , 和替代弹性e的关系

72

若我们将参数 的值固定为0 95,仅仅变动参数 以分离出参数 和替代弹性的关系,我们可以得到图9中所示的参数 和替代弹性e 之间的关系。由图9可知,随着参数 的增加,替代弹性出现了先增后减的趋势。其峰值出现在 =0 3时,替代弹性约为0 4155。在此时,传统能源的价格每增加1%,风电的需求量可以增加0 42%

。

图9 参数 替代弹性e 的关系

若我们将参数 的值固定为0 03,仅仅变动参数 以分离出参数 和替代弹性的关系,我们可以得到图10中所示的参数 和替代弹性e 之间的关系。由图10可知,随着参数 的增加,替代弹性出现了逐渐递增的趋势。其峰值出现在 =0 99时,替代弹性约为0 4155。在此时,传统能源的价格每增加1%,风电的需求量就在原来的基础上增加0 42%

。

图10 参数 替代弹性e 的关系

综上所述,对两种效用函数进行情景分析的计算结果表明,在不同的效用函数下,风电的需求均可以通过提高传统能源的价格来进行拉升。传统能源的价格每提高1%,风电的需求量最大的拉升幅度约为0 42%。即传统能源每提高1分钱,社会对风电的需求增量为其该年度上网电量的0 42%。以2009年的风电产业为例。2009年我国风电上网电量为258亿千瓦时。若2009年初传统能源的价格提高0 01元,那么根据传统能源发电与风电的替代效应,2009年我国净增的风电需求量最多可以达到1 03亿千瓦时。

三、结论

本文通过对社会电力需求函数的情景分析,从一个新的角度提出了现阶段适合我国国情的新的政策方向,即利用风电和传统能源电力之间的替代效

应,从内部化传统能源电力的负外部性的角度入手,刺激社会对风电的需求,以吸引更多的企业投资风电场或吸引现有的风电场追加投资,扩大风电的生产规模。

本文的理论模型从假设整体社会对于风电的效用函数入手,压缩了风电产业链中的各个垂直环节,直接假定风电场面对的产品购买者为整个社会中的消费者群体。这一假设使我们可以直观地分析政策的效果,并使我们在数据不充分的条件下,尽可能地用最少的未知参数模拟该政策的效果,即在一定的参数取值范围内,传统能源发电的价格每提高一个百分点,所带来的风电的需求量的增加量。本文的不足主要体现在针对理论模型的假设上。第一,本文分别假设消费者的需求函数为二次效用函数和不变替代效应函数。由于无法获取详细的数据,本文无法采用非参数计量的方法求得消费者的效用函数以及函数中所涉及的参数值。如果数据充足,那么我们就可以主要使用非参数估计这一计量方法从最终的需求函数(简化式,reduced form)倒推出效用函数(结构式,structural form),从而得出更符合我国现实情况的结论。

本文的研究为今后具体的政策工具的研究提供了理论依据。然而,这些政策工具的研究和实施的

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难点在于传统能源发电对环境产生的损坏或者风能对保护环境所做的贡献很难从经济上进行评估。由于很多参数是难以观测到的,所以我们很难推断出传统能源发电的污染物排放量应该控制在何种最优的水平上,从而也就无法推断出政府惩罚传统能源发电所应有的力度,也就无法评估该政策最终的效果。

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(责任编辑:王碧峰) POLICY AND DEVELOPMENT IN CHINA S WIND POWER INDUSTRY

A Study based on Substitution Effect betw een T raditional

Pow er Electricity and Wind Pow er Electricity

DI Yuan1 LIU Xiao ou2

(1.Schoo l o f Public Policy and M anag em ent,T singhua University,Beijing100084,China;

2.Scho ol o f Agriculture Econo mics and Rural Development,Renmin University of China,

Beijing100872,China)

Abstract:This paper analy zed the dem and elasticity of substitution of w ind pow er electricity to tradi tional pow er electricity,by constructing the social electr icity dem and function.T o inter nalize the neg ative ex ter nalities that the traditional pow er electricity bring s to the society,the go vernm ent could raise the price of tr aditional electricity through certain policy instrum ents.The social demand for w ind po w er w o uld therefo re sig nificantly increase thro ug h the substitution effect.Driven by increasing demand,the w ind pow er industr y w ould achieve rapid g row th.Our com putation results show ed that,taken the y ear of2009 as an ex am ple,by increased0 01yuan in the pr ice of traditio nal pow er electricity,the dem and of w ind pow er electricity in the w hole could be raised by103million kilow atts at mo st.T herefo re,the go vernm ent could try to use policy instrum ents such as carbo n tax o r po llution quo tas to incr ease the price of traditional pow er electricity,incr ease the society s total demand for w ind pow er,pro mote w ind pow er industr ial pro g ress,and optimize the social w elfare.

Key words:industrial policy;w ind pow er demand;ex ternalities;energ y prices

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