日興リサーチレビュー

Short Review

EU ETS を参考にした排出量取引市場の多期間分析

2021 年 10 月

投資工学研究所後藤誠也

川﨑正勝

1. はじめに
世界的にカーボンニュートラルを目指す動きが活発化している。国内においても、2020 年 10 月に2050 年カーボンニュートラルの実現を宣言して以来、温室効果ガス排出削減のための技術や制度への関心が高まっている。なかでも、削減に対して経済的インセンティブを与える手法は注目度が高く、例
えば、経済産業省は 2022 年から新たな排出量取引の実証開始を目指している1。
排出量取引制度とは、排出許可証を意味する「排出枠」や排出削減認定証のような「クレジット」を取引することによって、排出削減を促す制度である。制度対象者全体の排出量を制限することが可能であるが、需給によって変動する炭素価格の安定化が課題になる。例えば、価格の低下は、排出削減に関する技術開発への投資を阻害する恐れがある。排出量取引で先行する欧州では、2005 年の制度開始以来、幾多の改正をおこない価格の安定化に努めてきた。欧州委員会が 2021 年 7 月にまとめた制度改正案（欧州委員会[2021b]）においても、付属資料で需給のショックが価格に及ぼす影響を分析している。
したがって、排出枠やクレジットの需給が変化した時に、炭素価格がどのような影響を受けるのかを理解することは、制度設計者や取引参加者にとって重要である。本稿では、欧州委員会[2021b]と同様に、Quemin and Trotignon[2021]の多期間の総費用最小化モデルを参考にして、需給のショックの炭素価格への影響を調査する。価格変動の方向性や規模が分かれば、制度設計者は価格安定化策の必要性を検討することができ、取引参加者は価格変動リスクを低減することが可能となる。
本稿の構成は以下のとおりである。2 章では、欧州排出量取引制度で採用されているキャップ＆トレードの仕組みと排出枠の需給について説明を行う。3 章では、欧州委員会が用いたモデルを参考に、問題設定を行う。4 章では、モデルを用いてシミュレーションを行い、需給のショックが価格に与える影響を分析する。最後に、5 章でまとめと今後の課題を述べる。

2. 欧州排出量取引制度の概観2
欧州排出量取引制度（European Union Emissions Trading System、以下 EU ETS）は 2005 年に開始された代表的な排出量取引制度である。2030 年までに欧州連合の温室効果ガスの排出量を 1990
1

経済産業省は 2021 年 2 月から「世界全体でのカーボンニュートラル実現のための経済的手法等のあり方に関する研究会」を実

2

本章は、上野・水野[2019]、EU ETS ハンドブック（欧州委員会[2015]）、制度改正案（欧州委員会[2021b]）、欧州委員会 HP施している。https://www.meti.go.jp/shingikai/energy_environment/carbon_neutral_jitsugen/index.htmlの EU ETS の説明（https://ec.europa.eu/clima/eu-action/eu-emissions-trading-system-eu-ets_en）を参考にした。
本資料は、信頼性の高いデータから作成されておりますが、当社はその正確性・確実性に関し、いかなる保証をするものではございません。本資料は、情報提供を目的としており、投資勧誘を目的としたものではございません。証券投資に関する最終判断は、投資家ご自身の判断でなさるようにお願いいたします。本資料の著作権は当社に帰属し、本資料の転用および販売は固く禁じられております。

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年対比で 55％削減するという目標達成に向けた政策の中心として機能している。EU ETS において市場で取引されているものは、排出許可証を意味する排出枠である。EU ETS における排出枠は EUA（European Union Allowance）と呼ばれ、二酸化炭素換算で 1 トンの温室効果ガス（1 tCO2-eq）を排出する権利である。EUA は毎年発行量にキャップと呼ばれる上限が決まっており、無償割当またはオークションによって配分される。制度に含まれる事業者は、各年に排出する温室効果ガスに相当するEUA を、翌年の 4 月 30 日までに償却しなければならない。排出量に対する過不足を調整するために、EUA を売買取引（トレード）することも可能である。このような仕組みをキャップ＆トレードという。
図表 1 はキャップ＆トレードに基づいた排出量取引のイメージ図である。

図表 1

キャップ＆トレードに基づいた排出量取引

排出枠
金銭
不足
排出枠

余剰オークション

A

無償割当

B

事業者A

排出量事業者B金銭
オークション（出所）EU ETS ハンドブック（欧州委員会[2015]）より日興リサーチセンター作成

図表 2
利点
量に関する確実性

費用対効果
財源の獲得

キャップ＆トレードの利点
内容

温室効果ガス排出量の上限（キャップ）を設定し、事業者全体の排出量を直接制限することが可能。
排出量取引を通じた合理的な価格決定や企業間の排出削減量の柔軟化により、目標達成のための費用最小化が期待される。
排出枠のオークションが政府の収入源となる。
（出所）EU ETS ハンドブック（欧州委員会[2015]）より日興リサーチセンター作成

図表 2 は欧州委員会がキャップ＆トレード型排出量取引制度を採用した背景にある利点である。一つ目の利点として、キャップ＆トレードでは、キャップを設けることで排出量を直接制限できることが挙げられる。カーボンプライシングにおける他の代表的な制度である炭素税では、削減目標が達成される
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ことを保証することができない。二つ目に、理想的な市場では、排出枠を取引することで、合理的な価格の決定と企業間の排出削減量の調整ができ、最小の費用で目標を達成することが期待される。炭素税
では、排出削減目標を達成するために適切な税率を決定することは困難であり、すべての加盟国が税率に合意することも難題である。また、排出削減を各企業に義務づける政策では、企業間で最適な排出削減量の分担ができず、費用最小化は難しい。最後に、加盟国政府は、排出枠をオークションで売り出すことで収入を得ることができ、排出削減技術へ投資することもできる。
図表 3 はフェーズ 2（2008 年から 2012 年）とフェーズ 3（2013 年から 2020 年）の固定施設3における排出枠の供給量と需要量である。フェーズ 2 では、供給の大部分が無償割当だったが、フェーズ３からはオークションによる割当が増加し、約半分を占めるようになった。国際クレジットは、過去には京都議定書で規定されたクレジットである ERU と CER に対しては EUA への変換が認められており、2012 年にピークを迎えた。その後、段階的に使用範囲が制限されて減少し、現在のフェーズ 4 では国際クレジットの変換は認められていない。需要は、温室効果ガスの検証排出量によって償却された量を表している。参加国の変化などから単純比較はできないが、排出量に減少傾向があることが確認できる。

図表 3

欧州排出量取引制度の固定施設における排出枠（EUA）の供給量と需要量

45（出所）European Environment Agency 、EU HP より日興リサーチセンター作成

3

EU ETS は発電所や産業施設などの固定施設と航空を対象としている。改正案では、海運、道路輸送、建物なども対象となる。

4

European Union Emissions Trading System (EU ETS) Data from EUTL

5

2013～2020 年の国際クレジット変換量は翌年 4 月 30 日までの値を EU の HP から取得した。
「Updated information on

https://www.eea.europa.eu/data-and-maps/data/european-union-emissions-trading-scheme-16
exchange and international credits’ use in the EU ETS」というタイトルで報道されている。
https://ec.europa.eu/clima/news-your-voice/news/updated-information-exchange-and-international-credits-use-e
u-ets-2021-05-25_en
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図表 4 は排出枠の先物価格と流通量の推移である。流通量は以下の式で計算される。

𝑡 年の流通量=𝑡 − 1 年の流通量+(𝑡 年の供給量−𝑡 年の需要量)(式 1)

つまり、流通量は供給量から需要量を差し引いた値の累積値である。フェーズ 1 からフェーズ 2 への排出枠のバンキング（持越し）は認められなかったので、フェーズ 1 の終了年である 2007 年の値を 0として計算する。流通量は欧州委員会からも公表されており、2020 年の値は約 1,579 百万 EUA である（欧州委員会[2021a]）。過去を振り返ると、2013 年頃にかけて流通量が増加し、先物価格は下落した。これは、リーマンショック後の経済環境の悪化による需要減や積極的な国際クレジットの変換による供給増で、排出枠が余剰となったためと考えられる。この状況を踏まえ、欧州委員会は 2014 年から2016 年にオークションにかけられる排出枠を合計で 900 百万 EUA だけ先延ばしすることを決定し、供給量の調整を図った。その結果、流通量は減少し、価格も安定した。2019 年には、排出枠の流通量の調整を行う市場安定化リザーブ（MSR：Market Stability Reserve）が開始され、先延ばしされた排出枠が留保され、価格の上昇に影響した。直近では価格が 60 ユーロを超え、急激に上昇している。これは、欧州連合の排出削減目標の引き上げに対する反応であり、排出枠の価格には需給の見通しが関係していることが窺える。

図表 4

排出枠の先物価格と流通量

注：2021 年は 9 月末時点、その他は 12 月末時点の値。
（出所）流通量は European Environment Agency、先物価格は FactSet より日興リサーチセンター作成

3. 排出量取引の多期間最適化モデル
欧州委員会[2021b]は、Quemin and Trotignon[2021]によるモデルを用いて、市場安定化リザーブ

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4日興リサーチレビューによる調整が入る流通量の閾値等を比較し、EU ETS 改正案の影響を分析した。本稿では、より簡便に市場安定化リザーブが存在しない標準的な排出量取引市場を想定し、モデルの設定を行う。このモデルを用いた分析を行うことによって、炭素価格の安定化のためには、制度などによる需給の調整が重要であることを示す。
現在を時点 0 とし、𝑡年後を時点𝑡とする。排出量取引市場には、温室効果ガスを排出する代表的な事業者を表す主体が 1 つだけ存在するものとする。排出量取引市場がなく、排出削減の努力を全くしない場合に排出される温室効果ガスの量をベンチマークと呼び、時点𝑡の値を𝑢𝑡 で表す。また、時点𝑡における排出枠の供給量を𝑠𝑡 とする。以降では、ベンチマークと供給量の初期値を𝑢0 = 𝑠0 = 1とおいて基準化し、時点 0 に対する相対的な値として議論を行う。

図表 5モデルのイメージ図① 時点tのベンチマークと供給量を観測② 時点t+hまでのベンチマークと供給量を推定

ベンチマーク

供給量・・・

排出量
バンキング

t-2 t-1t

時点

t-2 t-1

tt+1 t+2t+h 時点tを1つ進める④ 時点tの排出量とバンキングを実行③ 時点t+hまでの排出量とバンキングを計画
計画排出削減量

・・・

t-2 t-1t

時点

t-2 t-1t

t+1 t+2t+h 時点（出所）日興リサーチセンター作成

図表 5 はモデルのイメージ図である。事業者は各時点𝑡 ≥ 0において、ベンチマーク𝑢𝑡 と供給量𝑠𝑡 を観測する（図表 5 ①）。将来の値は推定を行うものとし、時点𝑡におけるベンチマークと供給量の推定値は、(𝑡)(𝑡)̂ 𝜏+1̂ 𝜏+1減少量をそれぞれ𝑅𝑈、𝑅𝑆として以下のように定める（図表 5 ②）。

(𝑡)

(𝑡)

(𝑡)

̂ 𝜏+1 ,
𝑢̂𝜏+1 = 𝑢̂𝜏 − 𝑅𝑈(𝑡)

(𝑡)

(𝑡)

̂ 𝜏+1 ,
𝑠̂𝜏+1 = 𝑠̂𝜏 − 𝑅𝑆

𝜏 = 𝑡, 𝑡 + 1, … , 𝑡 + ℎ − 1

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5日興リサーチレビュー

(𝑡)

(𝑡)

ここで、𝑡 年には実際の値を知ることができるので、𝑢̂𝑡 = 𝑢𝑡 、 𝑠̂𝑡= 𝑠𝑡 である。以降も同様に、推定値を表す変数にはハットをつけ、右上の括弧に推定時点を記述して実績値と区別する。
事業者は、将来の排出削減費用を最小化するように、多期間における排出量と翌年以降に排出枠を持(𝑡)ち越すバンキングの配分を計画するものとする（図表 5 ③）。時点𝑡年に見積もる𝜏年の計画排出量を𝑒̂𝜏(𝑡)(𝑡)とすると、ベンチマークに対する計画排出削減量は(𝑢̂𝜏 − 𝑒̂𝜏 )と表せる。単純化のため、排出削減費用は排出削減量の 2 乗に比例するものとし、費用関数を𝐶(𝑥) = 𝑐𝑥 2 /2とする。ここで、𝑐は定数である。
欧州委員会[2021b]と同様にℎ=10 年後までを考慮に入れ、割引率を𝑟 = 8%とする。
以上の設定の下で、次の費用最小化問題を考える。
𝑡+ℎ

目的関数：

∑𝜏=𝑡

制約条件：

(𝑡)

(𝑡)

𝐶(𝑢̂𝜏 − 𝑒̂𝜏 )(1 + 𝑟)𝜏−𝑡(𝑡)

最小化

⟶(𝑡)

𝜏 = 𝑡, 𝑡 + 1, … , 𝑡 + ℎ(𝑡)(𝑡)(𝑡)(𝑡)𝑏̂𝜏 = 𝑏̂𝜏−1 + 𝑠̂𝜏 − 𝑒̂𝜏 ≥ 0,

𝜏 = 𝑡, 𝑡 + 1, … , 𝑡 + ℎ0 ≤ 𝑒̂𝜏≤ 𝑢̂𝜏 ,(𝑡)𝑏̂𝑡−1 = 𝑏𝑡−1(𝑡)制約条件の 2 つ目の式の𝑏̂𝜏 はバンキングを表しており、排出枠の翌年以降への持越しは可能であるが、前借りはできないように 0 以上という制約を加えている。バンキングは(式 1)の流通量に対応する。排出量取引市場が開始以前にはバンキングはゼロなので、𝑏−1 = 0とする。
この最小化問題で得られた𝜏 = 𝑡, … , 𝑡 + ℎ年の排出量とバンキングのうち、計画時点の𝑡年のみを実行に移す（図表 5 ④）。したがって、以下のように、最適値から実績値を定める。

(𝑡)⋆𝑒𝑡 = 𝑒̂𝑡,(𝑡)⋆𝑏𝑡 = 𝑏̂𝑡

翌年の排出量とバンキングは、新たに𝑢𝑡+1 と𝑠𝑡+1 を観測してから決定するものとする。ベンチマークと供給量の減少量を𝑅𝑈𝑡+1 、𝑅𝑆𝑡+1 として以下のように計算し、同様の観測と決定を繰り返す。
𝑢𝑡+1 = 𝑢𝑡 − 𝑅𝑈𝑡+1 ,𝑠𝑡+1 = 𝑠𝑡 − 𝑅𝑆𝑡+1

完全競争市場の下では価格は限界削減費用に一致する。したがって、価格は次式で計算される。

𝑝𝑡 = 𝐶 ′ (𝑢𝑡 − 𝑒𝑡 ) = 𝑐(𝑢𝑡 − 𝑒𝑡 )定数𝑐により価格水準が定められ、ここでは、初期価格が 1 となるように𝑐 = (𝑢0 − 𝑒0 )−1 とする。

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4. シミュレーション分析
3 章で設定したモデルを使用して、排出量取引市場の環境が変化したときの炭素価格やバンキングへの影響を分析する。
シミュレーションの設定を図表 6 に示す。はじめに、（a）標準的な設定として、約 30 年後である 2050年にカーボンニュートラルが達成できるように、排出枠の供給量を一定の下げ幅で減少させる場合を考える。また、Quemin and Trotignon[2021]を参考に、ベンチマークは約 80 年後である 2100 年にかけて一定に減少させる。次に、標準的な設定に対し、（b）供給量の増加、（c）供給減少量の拡大、（d）ベンチマーク減少量の拡大という 3 つの環境の変化がそれぞれ突発的に発生する場合について考える。
これらのケースは実際に起こりうるものであり、例えば、EU ETS で 2012 年頃に発生した積極的な国際クレジットの変換による供給量の増加は（b）に、直近の EU ETS の目標の引き上げは（c）に該当している。
図表 7（a）は標準的な設定の下でのシミュレーション結果である。時間が経過するほど大きな排出削減が必要となるため、炭素価格には上昇傾向があるという自然な結果が得られている。バンキングは、はじめは将来に備えて増加するが、一定期間後は供給量を上回る排出に使用されて減少する。
図表 7（b）（c）（d）は環境の変化が発生した場合のシミュレーション結果をまとめたものである。
環境の変化は時点 11 に発生することを想定しているため、時点 10 までは図表 7（a）の結果と同じである。炭素価格への影響は、排出枠の需給が環境の変化後にどのように変化したかが重要であると考えられる。超過供給が発生する（b）（d）では、炭素価格に負の影響を与える。一方、超過需要が発生する（c）では、炭素価格に正の影響を与える。
次に、バンキングへの影響について考察する。バンキングは現在と将来における排出枠の平均化であるため、将来に対する現在の相対的な需給が関係していると考えられる。
（b）（c）では、現在の供給量の増加や将来の供給量の減少によって、バンキングは増加する。一方、（d）では、将来の需要の減少を通じて、バンキングは減少する。排出枠の需給環境の変化による炭素価格とバンキングへの影響は、常に同方向や反対方向という単純なものにはなっていない。

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日興リサーチレビュー

図表 6

シミュレーションの設定と結果の抜粋

ケース

パラメータの想定する環境◼

設定

2050 年カーボンニュートラルの達成に向けて、排出枠の供給量が 30=130̂ 𝜏(𝑡) =𝑅𝑆

130

𝑅𝑈𝑡=180̂ 𝜏(𝑡) =𝑅𝑈

180

𝑅𝑆𝑡

年後にゼロとなるように減少（a）標準的な設定◼

ベンチマークは 2100 年頃に排出量ゼロ
環境の変化

◼

変更点他市場の排出枠やクレジットの使用許可

𝑅𝑆11 =（b）供給量の増加◼

1− 0.2 < 030

供給量の不透明性による推定との乖
離◼

野心的な排出削減目標の設定による制度改正（c）供給減少量の拡大
◼

𝑅𝑆𝑡 =

1×230

̂ 𝜏(𝑡) =𝑅𝑆

1×230

炭素価格の引き上げを目的とした政𝑡 ≥ 11府介入◼
（d）ベンチマーク減少量

技術革新の進展による排出削減費用の減少の拡大◼

長期的な経済停滞による需要の減少

𝑅𝑈𝑡 =

1×280

̂ 𝜏(𝑡) =𝑅𝑈

1×280
𝑡 ≥ 11（出所）日興リサーチセンター作成

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図表 7（a）

標準的な設定（b）

供給量の増加（c）（d）

シミュレーション結果

供給減少量の拡大

ベンチマーク減少量の拡大（出所）日興リサーチセンター作成

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5. まとめカーボンニュートラルを達成するための制度の一つである排出量取引市場における価格変動の分析を行った。炭素価格は取引によって決まるため、価格の安定性が問題となる。本稿では、排出量取引で先行する欧州を例にキャップ＆トレードや排出枠について説明し、排出量取引市場の多期間モデルを提示した。さらに、モデルを用いて排出枠の需給に対して様々な環境の変化が生じたときに、炭素価格がどのように変化するかを調べるためにシミュレーションを行った。その結果、排出枠の需給の変化による炭素価格の変動の方向性を確認した。そして、排出枠の翌年度への持越しを意味するバンキングは炭素価格を予測するためのシグナルとはならないことを示した。
今後の課題として、様々な環境の変化が発生した場合にどのような対策が有効なのかといった分析がある。欧州排出量取引制度には 2019 年に開始された市場安定化リザーブという仕組みがあり、需給の安定化を図っている。また、本稿のシミュレーションに用いたモデルには投資という概念がなく、支払った排出削減費用が将来の費用関数に影響を与えない。さらに現実に近いシミュレーションを行うために、投資による将来の削減費用への影響を考慮することも今後の課題としたい。

参考文献
上野訓弘, 水野勇史[2019],「欧州連合域内排出量取引制度の解説」, 公益財団法人 地球環境戦略研
究機関（IGES）Working Paper

欧州委員会[2015], EU ETS Handbook
https://ec.europa.eu/clima/system/files/2017-03/ets_handbook_en.pdf欧州委員会[2021a], COMMUNICATION FROM THE COMMISSION, C(2021) 3266 final
https://ec.europa.eu/clima/system/files/2021-05/c_2021_3266_en.pdf

欧州委員会[2021b], Proposal for a DIRECTIVE OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE
COUNCIL, COM(2021) 551 final, 2021/0211 (COD)
https://ec.europa.eu/info/sites/default/files/revision-eu-ets_with-annex_en_0.pdf

Quemin, S., and R. Trotignon[2021], ”Emissions Trading with Rolling Horizons”, Journal of
Economic Dynamics and Control, 125, 104099（END）

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