推动碳捕获与储存技术的应用：根据排放企业的需求量身定制补贴措施

《Energy Economics》：Kickstarting Carbon Capture and Storage adoption: Tailoring subsidies to emitters’ needs

　　阿德里安·尼科尔|大卫·洛温|迭戈·塞布雷罗斯
佛罗伦萨监管学院，罗伯特·舒曼高级研究中心，欧洲大学研究所，G. 博卡乔街121号，50133，佛罗伦萨，意大利

**摘要**
尽管碳捕获与储存（CCS）技术在工业脱碳场景中至关重要，但其在大规模应用方面仍面临诸多挑战。实际上，排放者面临协调问题，这阻碍了他们形成运输运营商所需的关键规模，从而无法实现规模经济。为应对这一问题，许多公共机构增加了融资机制以支持CCS的采用。然而，现有的补贴机制忽视了网络基础设施，并未考虑到排放者的多样性。同样，现有文献中也没有研究在考虑运输网络的情况下，如何向多样化的排放者分配补贴。因此，本文提出了一种基于捕获成本和网络成本贡献来分配补贴给工业排放者的方法，并考虑了预算限制。首先，我们通过Shapley值评估每个排放者对网络成本的贡献；其次，结合捕获成本确定每个排放者的补贴申请；最后，根据比例破产解决方案进行补贴分配。我们基于希望验证的属性（公理）来证明这一解决方案的合理性。我们方法的一个关键特点是其灵活性——每个步骤都可以根据政策制定者希望采用的规范框架进行调整。我们将该方法应用于法国的CCS部署，并将结果与不考虑网络的保守情况进行了比较。案例研究表明，我们的方法能够更公平地分配补贴给上游排放者，并减少他们之间的遗憾差异。

**引言**
碳捕获与储存（CCS）正获得强劲的发展势头，过去一年中宣布了200多个项目（国际能源署，2024年）。然而，与预期相比，实际进展缓慢——只有不到四分之一的宣布项目投入运营（王等人，2021年）。即使所有项目都按计划进行，累计捕获能力也仅能达到每年4亿吨二氧化碳（MtCO2/y），远低于国际能源署（IEA，2021年）预测的2030年16亿吨二氧化碳或仅工业部门到2050年的30亿吨二氧化碳（IPCC，2018年）。

要实现这些目标，需要建设昂贵的CCS网络基础设施，将排放者与储存设施连接起来。与其他网络类似，CCS管道运输具有显著规模经济，从长远来看是最具成本效益的运输方式（Oeuvray等人，2024年）。因此，有必要创建工业集群，使排放者共享运输和储存（T&S）基础设施（Brownsort等人，2016年）。然而，形成CCS集群具有挑战性：工业排放者可能等待T&S基础设施的建设才进行碳捕获投资；反之，T&S运营商只有在有足够数量的排放者愿意连接时才会建设网络。因此，CCS部署面临“先有鸡还是先有蛋”的困境（Herzog，2011年；欧盟委员会等人，2023年）。目前的项目主要作为垂直整合系统运作（Fattouh等人，2024年），从而忽略了共享T&S基础设施的潜在规模经济。

我们确定了CCS“先有鸡还是先有蛋”困境的两个根本问题。首先是T&S关税缺乏明确的监管框架。由于未来法规设计不当可能导致T&S运营商无法收回成本，他们可能不愿投资T&S网络；同样，排放者可能面临垄断性关税，使其捕获成本高于直接排放二氧化碳的成本。因此，在没有明确监管框架的情况下，双方都不会投入CCS。从这个角度来看，CCS界认为缺乏明确的监管框架是实现商业规模应用的主要障碍（Davies等人，2013年）。十年后，T&S关税的监管仍然模糊不清（Nicolle等人，2023年）。不过，Massol等人（2015年、2018年）的研究考虑了受监管的T&S关税对工业排放者采用CCS的影响。

第二个问题是多样化排放者之间的协调问题，以形成关键规模。由于不同的工业过程（Leeson等人，2017年；Roussanaly等人，2021年）和流体纯度（Naims，2016年），排放者的捕获成本各不相同。此外，某些行业缺乏减排替代方案，而其他行业则有多种选择（Gerres等人，2019年）。因此，在相同的经济激励下（如欧盟排放交易体系配额价格），排放者加入CCS基础设施的意愿不同。正如Sákovics和Steiner（2012年）所描述的，排放者面临协调问题。根据作者的观点，通过适当分配的补贴进行公共干预可以克服协调问题并避免额外成本。在CCS案例中，适当的补贴可以鼓励足够多的排放者同时投资碳捕获，从而形成T&S运营商投资网络所需的关键规模。

**文献综述**
关于通过补贴协调多样化排放者的研究尚未受到足够重视。Comello和Reichelstein（2014年）的研究确定了天然气发电厂采用碳捕获并满足排放标准所需的补贴路径，但他们假设代理人是同质的，并忽略了补贴分配中的T&S网络。另一类基于合作博弈论（Massol等人，2018年；Massol等人，2015年）和混合互补性问题（Mendelevitch，2014年）的研究探讨了多样化工业排放者的投资和运营决策，这些研究将T&S因素纳入排放者的投资决策中。然而，这两项研究都通过统一的二氧化碳价格来激励CCS，忽略了专门用于解决协调问题的补贴。相比之下，最近的一些研究通过考虑补贴来详细分析单个排放者的投资决策（参见Agaton（2021年）的文献综述）。但这些研究采用项目逐一的方法，忽略了项目之间的潜在协同效应。

**实际操作**
近年来，公共机构增加了多种融资机制以支持CCS投资，但这些机制似乎存在与文献相同的缺陷：补贴通常按项目提供，未揭示补贴分配的合理性，也未考虑工业排放者的多样性（参见Fattouh等人，2024年；GCCSI，2023年对当前融资机制的描述）。此外，大多数补贴机制仅针对CCS基础设施的某个阶段。因此，一个CCS项目要获得补贴并具有可行性，排放者必须向一个补贴基金申请，而T&S运营商则需向另一个基金申请。在最坏的情况下，如果某个参与者未能获得预期补贴，CCS项目可能会被放弃。

总体而言，现有文献尚未解决CCS“先有鸡还是先有蛋”困境背后的排放者协调问题，也未提供向工业排放者分配补贴的通用框架。因此，我们的研究问题是：如何分配CCS补贴以促进其采用？

为解决这一问题，我们开发了一种两步法。第一步基于排放者的捕获成本和T&S网络计划，评估每个排放者的资金需求（以下简称“排放者的申请”）。由于一般情况下T&S关税不明确，我们将排放者的申请定义为其年度捕获成本和网络成本贡献之和——即不包括T&S运营商收取的关税。由于第一步主要是将网络成本分配给排放者，因此该方法依赖于博弈论元素，如Shapley值（Shapley，1953年）。在第二步之前，我们假设所有申请的总和超过了负责推动CCS的公共机构的预算。因此，我们定义了一个简单的申请问题（O’Neill，1982年）。这篇开创性论文引发了后续研究，提出了解决申请问题的分配规则（Thomson，2003年；Thomson，2015年）。破产解决方案的一个优点是它们可以分解为公理（参见Thomson（2015年）对流行破产解决方案的公理化描述）。在此背景下，选择一种破产解决方案意味着选择用户希望遵守的公理。因此，在方法的第二步中，我们首先选择与CCS相关的公理。这些公理定义了比例解决方案，即按排放者的申请比例分配补贴。这种解决方案通常被视为公平性的体现（Thomson，2003年）。在附录中，我们提出了其他相关的理想公理——以及相应的破产解决方案。

我们将该方法应用于法国案例，该国政府希望在未来十年内通过补贴支持CCS部署（法国工业部，2023年）。我们将结果与仅基于捕获成本定义排放者申请的保守情况进行了比较（参见欧盟委员会，2023年；丹麦能源署，2023年；荷兰经济事务和气候政策部，2023年）。尽管T&S网络在CCS成本中所占比例较小（在我们的案例中不到15%），但将其纳入排放者的申请中会扰乱补贴分配，因此政策制定者在设计补贴分配时应予以考虑。特别是，我们发现，通过大量网络的排放者获得的补贴比仅基于捕获成本的排放者多40%。这些上游排放者降低了其他排放者的运输成本。

**本文的贡献**
本文有两个主要贡献。首先，我们强调了排放者的协调问题以及通过专门补贴进行公共干预的必要性，这一点尚未得到政策制定者和CCS文献的关注。从政策制定的角度来看，我们提供了一种考虑排放者多样性、避免策略性行为并涵盖CCS基础设施所有组成部分的补贴分配方法。其次，我们提出了一种规范CCS补贴机制设计的方法。我们的方法提供了一个灵活的框架，未来研究可以调整每个步骤的方法：第一步中，未来研究可以用现行的T&S关税替代Shapley值；第二步中，由于破产解决方案的公理化描述，未来研究可以选择不同于本研究中的公理，从而得到新的分配规则。因此，我们的方法是一个可灵活调整的规范框架。

本文结构如下：第2节介绍了合作博弈和破产方法；第3节通过法国CCS部署案例说明了我们的方法；第4节讨论了结果；第5节总结了全文。

**方法论**
第2节介绍了我们在工业二氧化碳排放者之间分配补贴的方法。2.1节通过介绍所有输入和问题范围来明确我们的研究问题，并简要概述了方法的两步。2.2节和2.3节进一步详细解释了方法论。

**案例研究**
第3节将我们的方法应用于法国的CCS部署案例。3.1节描述了法国的CCS背景，展示了数据，并展示了连接工业排放者与液化终端（即储存设施）的最低成本管道网络。3.2节应用了我们的方法，并讨论了结果及值得注意的观察结果。

**讨论**
本节分为三个部分。首先，我们讨论了该方法的优势及其对现有补贴机制的改进。其次，我们探讨了该方法第一步和第二步的替代方案。最后，在第三部分中，我们提出了未来研究的方向，以探讨不同的机制设计，从而实施我们的方法论。

**结论**
总之，本文介绍了一种灵活的方法论，用于分配补贴以促进碳捕获与封存（CCS）技术的采用。通过运用合作博弈论和破产理论，我们的方法能够在预算限制内高效地分配补贴。与现有文献相比，这种方法论有两个主要优势。一方面，我们的方法论的创新之处在于同时考虑了排放者的不同捕获成本及其网络位置。

**CRediT作者贡献声明**
Adrien Nicolle：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、形式分析、数据整理、概念化。
David Lowing：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、方法论研究、形式分析、数据整理、概念化。
Diego Cebreros：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、方法论研究、形式分析、数据整理、概念化。

**致谢**
我们感谢Emma Jagu Schippers、Clemence Leveque、Olivier Massol和Yannick Perez提供的宝贵意见。同时，我们也感谢第33届YEEES研讨会和第33届EURO会议的参与者们的宝贵建议。我们还要感谢匿名审稿人和编辑的意见，这些意见极大地提升了研究的质量。Adrien Nicolle感谢Climate Economics Chair提供的财务支持；Diego Cebreros感谢Stellantis提供的财务支持。