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经济论文：碳捕获与封存机制下跨界污染控制博弈研究
来源：985论文网 添加时间：2020-01-02 21:04
第 1 章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 研究背景
环境问题始终是人类社会关注的焦点。自然环境不仅为人类提供生存与活动场所，而且为人类生产与消费提供必要的自然资源。然而，环境资源不是取之不尽，用之不竭的。随着资源的无节制开采和对环境的破坏，一系列全球和区域环境问题也逐渐显现出来。温室气体大规模排放不仅会导致全球气温的增加，而且还会产生气候异常变化的现象，如：气候变暖，海平面上升、降雨量的变化以及极端天气发生频率的增加。这些环境问题已经日益威胁到人类的生存与发展，成为国际社会关注的核心问题。
作为世界上发展最为迅速且最具潜力的国家，中国在工业化发展道路上也遭受了环境的污染与治理之苦。二氧化碳等跨界污染问题损害国民社会福利的同时，也影响了各国之间的贸易关系。根据国际能源署（International EnergyAgency, IEA）在 2010 年公布的能源技术展望（Prospect of Energy Technology,ETP 2010），在没有新能源的政策或供应约束下，与能源相关的二氧化碳排放量在 2050 年将是 2007 年的两倍,这主要原因是经济的飞速发展增加了化石燃料的需求。因此，各国政府和世界各国环境组织机构都在寻求最快、最有效的方法来减少大气中二氧化碳的浓度。在《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》确立的“共同但有区别的责任”的原则基础上，各国达成了《巴厘路线图》以及《哥本哈根协议》，使得“节能减排”成为全球关注的最重要的话题。
1.2 国内外研究现状
一般来说，跨界污染相关决策问题中，各利益主体会根据自身利益最大化选择最优的策略。博弈论是分析相互博弈的多方决策问题的有效工具。当前，国内外很多学者把博弈论方法应用到跨界污染问题的分析中。
1.2.1 博弈论在跨界污染控制中的研究现状
跨界污染治理是一个包含多个独立利益相关方的博弈决策问题。Maler（1989）首次运用博弈论研究了酸雨的跨界污染治理问题，从而打开了博弈论在跨界污染治理问题中的大门，Maler 分别模拟了在合作与非合作竞争模式下的帕累托最优，研究结果表明，非合作的帕累托最优略小于合作的帕累托最优[2]。
跨界污染可以分为单向跨界污染和全球跨界污染问题，前者主要指一个企业、地区或国家排放污染物损害了一个或多个邻近企业、地区、国家的环境，如上游排污损害下游，一个国家工业发展产生的酸雨破坏邻国土壤等。全球跨界污染问题是指许多或所有国家都产生某种污染物，并且每个国家都受到该污染物的损害，如温室气体排放。国外跨界污染博弈的研究主要集中在三个方面：合作和非合作博弈的设计与比较、国际环境协议（IEA）、跨界污染动态博弈的实证研究[3]。
在合作与非合作博弈的设计与比较方面，Ploeg 和 Zeeuw（1992）较早地对跨界污染中决策者的策略进行了研究，分析了合作与非合作两种策略下的最优解，研究表明，与非合作策略相比，合作策略下的生产与排污水平较低[4]。Dockner,Engelbert J. 和 Van Long, Ngo (1993)研究了两个相邻国家的跨界污染控制动态博弈模型，比较了合作与非合作博弈竞争模式下有代表性消费者的净利润折现值，得出：当政策制定者选用线性马尔科夫策略模式时，非合作博弈时两国将产生较多的损失以及整体的治污效率低下，相反，如果两个国家选用非线性马尔科夫策略模式并且在较低的折现率条件下，动态子博弈完美纳什均衡下的污染物库存量是稳态的，并且是帕累托有效的[5]。
第 2 章 相关理论基础
2.1 外部性理论
进入 18 世纪，人类步入了工业化时代，社会生产力得到空前的发展，现有的自然资源和生态环境已无力承担人类日益增长的物质需求，这极大地限制了企业大规模生产，也使得企业在追求利润最大化的同时，总是希望公司在污染治理方 面 的成 本 间 接 的 转 移 到 其 它 公 司 或 社 会 身 上， 从 而 促 使 外 部 性 理 论（Externality）的诞生与发展。
2.1.1 外部性定义
1890 年，马歇尔（Marshall）在《经济学原理》中首次提到了外部性概念；随后庇古（Pigou）研究了社会资源的最优配置问题，从而正式提出了外部性的概念；19 世纪中期，科斯演艺部研究的外部性理论，提出：只要财产权是明确的，并且交易成本为零或者很小，那么，无论在开始时将财产权赋予谁，市场均衡的最终结果都是有效率的，实现资源配置的帕累托最优。
..............................
2.2 CCS 技术理论
CCS（碳捕获与封存）技术并不是一个全新的技术概念，起初并未用于温室气体的减排，其雏形是 20 世纪 70 年代在美国兴起的驱油以提高石油采收率的技术。直到 1989 年，麻省理工学院才正式发起碳捕获与封存技术项目，该项目第一次提出将存储二氧化碳以减少温室气体排放作为一项环保工程来处理。
2.2.1 CCS 技术介绍
CCS 技术由碳捕获和碳封存技术两个部分组成。目前，碳捕获技术又可分为三种：燃烧前捕获、燃烧后捕获和富氧燃烧捕获。碳封存技术是指将捕获收集到的二氧化碳通过特殊的形式储存在地下或海洋当中，以隔绝与大气的直接接触。接下来，我们简单介绍碳捕获技术和碳封存技术。
（1）碳捕获技术
3.1 问题描述.................................... 21
3.2 基本模型......................................... 21
3.3 均衡分析............................ 23
第 4 章 碳捕获技术内生的跨界污染控制博弈研究.............................37
4.1 问题描述.................................... 37
4.2 基本模型........................................ 37
4.3 均衡分析........................... 38
第 5 章 碳封存技术内生的跨界污染控制博弈研究.............................57
5.1 问题描述................................ 57
5.2 基本模型................................ 57
5.3 均衡分析............................... 60
第 5 章 碳封存技术内生的跨界污染控制博弈研究
5.1 问题描述
若要有效地降低大气中二氧化碳的含量，改善空气质量，除了从源头上控制生产和生活中二氧化碳的排放外，还需要进行污染治理投资。污染治理投资主要有两种方式：一种方式是在排污企业内安装污染处理设备，使企业生产活动产生的污染物在排放到大气中之前就得到削减；另一种方式是建立碳封存基地，企业通过相应的程序捕获生产中产生的二氧化碳，然后通过专门的管道排向碳封存基地，从而阻止二氧化碳直接排放到大气中。
第 3 章的微分博弈模型仅仅考虑了对捕获与封存二氧化碳数量的控制，而没有涉及碳捕获与封存中基础设施的投资。但在实际情况下，各国家还需要对 CCS技术基础设施投资进行决策。本章是对第 3 章内容的扩展，在模型中加入了碳封存技术投资这个因素。一方面，碳封存技术投资能减少二氧化碳的直接排放，从而降低污染造成的环境损害成本；另一方面，碳封存技术基础设施投资会消耗一定的成本。同时，在基础设施投资问题上，也存在“搭便车”的问题，两个国家在连续时间内的污染治理与治污投资也构成一个微分博弈关系。
本章在第 3 章模型的基础上考虑了碳封存技术投资这个控制变量，分析方法与第 3 章基本类似，分别考察开环战略与马尔科夫战略下的最优的 CCS 技术投资水平、CCS 技术资本存量、知识积累量和 CCS 数量，并对两种战略模式下的均衡结果进行比较。
..............................
第 6 章 全文结论及展望
6.1 全文总结
我国的空气污染问题非常严重，已经成为阻碍我国可持续发展战略的严峻问题。空气的流动性使得大气污染有一个显著的特点——流动性。近年来，跨界污染纠纷呈增长趋势，由此引发的诸多问题直接影响到社会的稳定和社会的可持续发展，解决大气污染问题刻不容缓。跨界污染是一个包含多个独立利益相关方的问题，国内外已经有很多学者应用博弈论方法研究跨界污染问题。近年来，国外逐步采用动态博弈的方法来研究跨界污染的问题，但国内的研究还比较滞后，采用微分博弈方法研究跨界污染更是少之又少。基于此，本文以微分博弈为数学工具，构建了不同情况下的两国家关于二氧化碳治理的动态博弈模型，应用最优化理论求解出均衡解，并对结果进行了比较分析。
本文主要做了一下几方面的工作：
（1）一方面系统的介绍了 CCS 技术在跨界污染控制中的基本理论，对国内外的研究现状进行了回顾，围绕若干个本方向研究的热点问题进行了总结，并对国内外 CCS 技术在跨界污染控制中的实践情况做了简单介绍。另一方面，概述了外部性理论和微分博弈理论，分别总结了这两个理论在跨界污染治理中的研究现状。外部性理论是各国家间参与博弈的前提，微分博弈理论是本研究的数学工具。
（2）本文第 3 章建立了 CCS 机制下跨界污染控制微分博弈模型，运用动态最优化理论求解出开环战略、马尔科夫战略和合作战略三种模式下的稳态最优策略。研究结果表明：第一，知识积累对国家跨界污染治理行为产生重要影响，随着知识积累的增加，碳捕获与封存的成本下降，此外，知识积累效率的提高促使博弈参与国进行更多的碳捕获和封存投资，因而有更好的生态环境。
1.1 研究背景与意义
1.1.1 研究背景
环境问题始终是人类社会关注的焦点。自然环境不仅为人类提供生存与活动场所，而且为人类生产与消费提供必要的自然资源。然而，环境资源不是取之不尽，用之不竭的。随着资源的无节制开采和对环境的破坏，一系列全球和区域环境问题也逐渐显现出来。温室气体大规模排放不仅会导致全球气温的增加，而且还会产生气候异常变化的现象，如：气候变暖，海平面上升、降雨量的变化以及极端天气发生频率的增加。这些环境问题已经日益威胁到人类的生存与发展，成为国际社会关注的核心问题。
作为世界上发展最为迅速且最具潜力的国家，中国在工业化发展道路上也遭受了环境的污染与治理之苦。二氧化碳等跨界污染问题损害国民社会福利的同时，也影响了各国之间的贸易关系。根据国际能源署（International EnergyAgency, IEA）在 2010 年公布的能源技术展望（Prospect of Energy Technology,ETP 2010），在没有新能源的政策或供应约束下，与能源相关的二氧化碳排放量在 2050 年将是 2007 年的两倍,这主要原因是经济的飞速发展增加了化石燃料的需求。因此，各国政府和世界各国环境组织机构都在寻求最快、最有效的方法来减少大气中二氧化碳的浓度。在《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》确立的“共同但有区别的责任”的原则基础上，各国达成了《巴厘路线图》以及《哥本哈根协议》，使得“节能减排”成为全球关注的最重要的话题。
1.2 国内外研究现状
一般来说，跨界污染相关决策问题中，各利益主体会根据自身利益最大化选择最优的策略。博弈论是分析相互博弈的多方决策问题的有效工具。当前，国内外很多学者把博弈论方法应用到跨界污染问题的分析中。
1.2.1 博弈论在跨界污染控制中的研究现状
跨界污染治理是一个包含多个独立利益相关方的博弈决策问题。Maler（1989）首次运用博弈论研究了酸雨的跨界污染治理问题，从而打开了博弈论在跨界污染治理问题中的大门，Maler 分别模拟了在合作与非合作竞争模式下的帕累托最优，研究结果表明，非合作的帕累托最优略小于合作的帕累托最优[2]。
跨界污染可以分为单向跨界污染和全球跨界污染问题，前者主要指一个企业、地区或国家排放污染物损害了一个或多个邻近企业、地区、国家的环境，如上游排污损害下游，一个国家工业发展产生的酸雨破坏邻国土壤等。全球跨界污染问题是指许多或所有国家都产生某种污染物，并且每个国家都受到该污染物的损害，如温室气体排放。国外跨界污染博弈的研究主要集中在三个方面：合作和非合作博弈的设计与比较、国际环境协议（IEA）、跨界污染动态博弈的实证研究[3]。
在合作与非合作博弈的设计与比较方面，Ploeg 和 Zeeuw（1992）较早地对跨界污染中决策者的策略进行了研究，分析了合作与非合作两种策略下的最优解，研究表明，与非合作策略相比，合作策略下的生产与排污水平较低[4]。Dockner,Engelbert J. 和 Van Long, Ngo (1993)研究了两个相邻国家的跨界污染控制动态博弈模型，比较了合作与非合作博弈竞争模式下有代表性消费者的净利润折现值，得出：当政策制定者选用线性马尔科夫策略模式时，非合作博弈时两国将产生较多的损失以及整体的治污效率低下，相反，如果两个国家选用非线性马尔科夫策略模式并且在较低的折现率条件下，动态子博弈完美纳什均衡下的污染物库存量是稳态的，并且是帕累托有效的[5]。
第 2 章 相关理论基础
2.1 外部性理论
进入 18 世纪，人类步入了工业化时代，社会生产力得到空前的发展，现有的自然资源和生态环境已无力承担人类日益增长的物质需求，这极大地限制了企业大规模生产，也使得企业在追求利润最大化的同时，总是希望公司在污染治理方 面 的成 本 间 接 的 转 移 到 其 它 公 司 或 社 会 身 上， 从 而 促 使 外 部 性 理 论（Externality）的诞生与发展。
2.1.1 外部性定义
1890 年，马歇尔（Marshall）在《经济学原理》中首次提到了外部性概念；随后庇古（Pigou）研究了社会资源的最优配置问题，从而正式提出了外部性的概念；19 世纪中期，科斯演艺部研究的外部性理论，提出：只要财产权是明确的，并且交易成本为零或者很小，那么，无论在开始时将财产权赋予谁，市场均衡的最终结果都是有效率的，实现资源配置的帕累托最优。
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2.2 CCS 技术理论
CCS（碳捕获与封存）技术并不是一个全新的技术概念，起初并未用于温室气体的减排，其雏形是 20 世纪 70 年代在美国兴起的驱油以提高石油采收率的技术。直到 1989 年，麻省理工学院才正式发起碳捕获与封存技术项目，该项目第一次提出将存储二氧化碳以减少温室气体排放作为一项环保工程来处理。
2.2.1 CCS 技术介绍
CCS 技术由碳捕获和碳封存技术两个部分组成。目前，碳捕获技术又可分为三种：燃烧前捕获、燃烧后捕获和富氧燃烧捕获。碳封存技术是指将捕获收集到的二氧化碳通过特殊的形式储存在地下或海洋当中，以隔绝与大气的直接接触。接下来，我们简单介绍碳捕获技术和碳封存技术。
（1）碳捕获技术
第一种方法，燃烧前捕获二氧化碳。该捕获过程又可分为两道反应程序：第一，在高温下将化石燃料通过水蒸气产生化学反应，生成物主要以一氧化碳和氢气混合气体为主，待混合气体冷却下来，在此将混合气体在高温下通过水蒸气，则会将一氧化碳转化为二氧化碳，而产生更多的氢气。最后，将二氧化碳从混合气体中分离出来，氢气则被燃烧用来提供能量。
第二种方法，燃烧后捕获二氧化碳。该捕获过程主要是将企业排放气体中二氧化碳与其他气体（主要为氮气）分离，然后使用化学吸收法、物理吸附法等方法捕获分离出的二氧化碳。其中，化学吸收法是最有效的捕获方法，发展前景最为广阔，但是需要高昂的设备建设和运营成本，该捕获方法在国内仍处于起步阶段。
第三种方法，富氧燃烧捕获法。富氧燃烧主要是以高于空气含氧量的气体作为燃烧介质，燃烧产物的主要成分为二氧化碳与水蒸气，其二氧化碳的含量将达到 90%左右，然后经过相应的物理处理方法便可进入管道进行封存。
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第 3 章 碳捕获与封存机制下跨界污染控制博弈研究.........................21第三种方法，富氧燃烧捕获法。富氧燃烧主要是以高于空气含氧量的气体作为燃烧介质，燃烧产物的主要成分为二氧化碳与水蒸气，其二氧化碳的含量将达到 90%左右，然后经过相应的物理处理方法便可进入管道进行封存。
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3.1 问题描述.................................... 21
3.2 基本模型......................................... 21
3.3 均衡分析............................ 23
第 4 章 碳捕获技术内生的跨界污染控制博弈研究.............................37
4.1 问题描述.................................... 37
4.2 基本模型........................................ 37
4.3 均衡分析........................... 38
第 5 章 碳封存技术内生的跨界污染控制博弈研究.............................57
5.1 问题描述................................ 57
5.2 基本模型................................ 57
5.3 均衡分析............................... 60
第 5 章 碳封存技术内生的跨界污染控制博弈研究
5.1 问题描述
若要有效地降低大气中二氧化碳的含量，改善空气质量，除了从源头上控制生产和生活中二氧化碳的排放外，还需要进行污染治理投资。污染治理投资主要有两种方式：一种方式是在排污企业内安装污染处理设备，使企业生产活动产生的污染物在排放到大气中之前就得到削减；另一种方式是建立碳封存基地，企业通过相应的程序捕获生产中产生的二氧化碳，然后通过专门的管道排向碳封存基地，从而阻止二氧化碳直接排放到大气中。
第 3 章的微分博弈模型仅仅考虑了对捕获与封存二氧化碳数量的控制，而没有涉及碳捕获与封存中基础设施的投资。但在实际情况下，各国家还需要对 CCS技术基础设施投资进行决策。本章是对第 3 章内容的扩展，在模型中加入了碳封存技术投资这个因素。一方面，碳封存技术投资能减少二氧化碳的直接排放，从而降低污染造成的环境损害成本；另一方面，碳封存技术基础设施投资会消耗一定的成本。同时，在基础设施投资问题上，也存在“搭便车”的问题，两个国家在连续时间内的污染治理与治污投资也构成一个微分博弈关系。
本章在第 3 章模型的基础上考虑了碳封存技术投资这个控制变量，分析方法与第 3 章基本类似，分别考察开环战略与马尔科夫战略下的最优的 CCS 技术投资水平、CCS 技术资本存量、知识积累量和 CCS 数量，并对两种战略模式下的均衡结果进行比较。
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第 6 章 全文结论及展望
6.1 全文总结
我国的空气污染问题非常严重，已经成为阻碍我国可持续发展战略的严峻问题。空气的流动性使得大气污染有一个显著的特点——流动性。近年来，跨界污染纠纷呈增长趋势，由此引发的诸多问题直接影响到社会的稳定和社会的可持续发展，解决大气污染问题刻不容缓。跨界污染是一个包含多个独立利益相关方的问题，国内外已经有很多学者应用博弈论方法研究跨界污染问题。近年来，国外逐步采用动态博弈的方法来研究跨界污染的问题，但国内的研究还比较滞后，采用微分博弈方法研究跨界污染更是少之又少。基于此，本文以微分博弈为数学工具，构建了不同情况下的两国家关于二氧化碳治理的动态博弈模型，应用最优化理论求解出均衡解，并对结果进行了比较分析。
本文主要做了一下几方面的工作：
（1）一方面系统的介绍了 CCS 技术在跨界污染控制中的基本理论，对国内外的研究现状进行了回顾，围绕若干个本方向研究的热点问题进行了总结，并对国内外 CCS 技术在跨界污染控制中的实践情况做了简单介绍。另一方面，概述了外部性理论和微分博弈理论，分别总结了这两个理论在跨界污染治理中的研究现状。外部性理论是各国家间参与博弈的前提，微分博弈理论是本研究的数学工具。
（2）本文第 3 章建立了 CCS 机制下跨界污染控制微分博弈模型，运用动态最优化理论求解出开环战略、马尔科夫战略和合作战略三种模式下的稳态最优策略。研究结果表明：第一，知识积累对国家跨界污染治理行为产生重要影响，随着知识积累的增加，碳捕获与封存的成本下降，此外，知识积累效率的提高促使博弈参与国进行更多的碳捕获和封存投资，因而有更好的生态环境。
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