Economics and the Refinery's CO₂ Emissions Allocation Problem

Allocation des émissions de CO₂ d'une raffinerie : solutions suggérées par la théorie économique

Institut français du pétrole, IFP School, 228-232 avenue Napoléon Bonaparte, 92852 Rueil-Malmaison Cedex - France

Corresponding author: axel.pierru@ifp.fr

Abstract

The establishment of a market for CO₂ emission rights in Europe leads oil-refining companies to add a cost associated with carbon emissions to the objective function of linear programming models used to manage refineries. These models may be used to compute the marginal contribution of each finished product to the CO₂ emissions of the refinery. Babusiaux (Oil. Gas Sci. Technol., 58, 2003, 685-692) has shown that, under some conditions, this marginal contribution is a relevant means of allocating the carbon emissions of the refinery. Thus, it can be used in a well-to-wheel Life Cycle Assessment. In fact, this result holds if the demand equations are the only binding constraints with a non-zero right-hand side coefficient. This is not the case for short-run models with fixed capacity. Then, allocating CO₂ emissions on a marginal basis tends to overvalue (or undervalue) the total volume of emissions. In order to extend the existing methodology, we discuss two distinct solutions to this problem, inspired by economic theory: adapting either the Aumann-Shapley cost sharing method (Values of non-atomic games, 1974, Princeton University Press) or the Ramsey pricing formula (Econ. J., 37, 1927, 47-61; J. Econ. Theory, 3, 1971, 219-240). We compare these two solutions, with a strong argument in favour of Ramsey prices, based on the determination of the optimal environmental tax rate to which imported finished products should be subject.

Résumé

L'établissement d'un marché européen de permis d'émissions de CO₂ a conduit les compagnies pétrolières à prendre en compte le coût de ces émissions dans les modèles de programmation linéaire utilisés pour gérer leurs raffineries. Ces modèles permettent de déterminer la contribution marginale de chaque produit fini aux émissions de CO₂ de la raffinerie. Babusiaux (Oil. Gas Sci. Technol., 58, 2003, 685-692) a montré que, sous certaines hypothèses, cette contribution marginale constitue une clé de répartition des émissions de la raffinerie particulièrement pertinente, pouvant alors être utilisée dans le cadre d'analyses en cycle de vie “ du puits à la roue ”. Il faut pour cela que les contraintes de demande en produits finis soient, à l'optimum, les seules contraintes saturées à second membre non nul. Cette hypothèse n'est certainement pas vérifiée lorsqu'est employé un modèle de court terme, dans lequel les capacités sont fixées. Allouer les émissions de carbone sur une base marginale surévalue (ou sous-évalue) alors le volume total des émissions. La théorie économique suggère deux solutions possibles à ce problème : adapter la formule d'Aumann-Shapley (Values of non-atomic games, 1974, Princeton University Press) ou celle de Ramsey-Boîteux (Econ. J., 37, 1927, 47-61 ; J. Econ. Theory, 3, 1971, 219-240). Celles-ci sont comparées. Un argument, basé sur la détermination d'une taxe environnementale à laquelle des produits importés devraient être assujettis, joue en faveur d'un système de prix de type Ramsey-Boîteux.