規(guī)模養(yǎng)豬場沼氣工程清潔發(fā)展機制的溫室氣體減排效益

陳廷貴，趙梓程

（上海海洋大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，上海 201306）

0 引 言

中國已經(jīng)成為世界上最大的能源消耗國，同時也是世界上溫室氣體排放最多的國家[1-3]?！吨袊鴳?yīng)對氣候變化的政策與行動2015年度報告》明確了中國二氧化碳排放2030年左右達(dá)到峰值并力爭盡早達(dá)峰等一系列目標(biāo)，并提出了確保實現(xiàn)目標(biāo)的政策措施。養(yǎng)殖場沼氣工程能夠生產(chǎn)可再生能源，減少溫室氣體排放，具有顯著的外部經(jīng)濟效應(yīng)。然而，由于其建設(shè)成本和維護成本超過收益，很多養(yǎng)殖場不愿選擇建設(shè)沼氣工程，一部分已經(jīng)建設(shè)的沼氣工程也被閑置[4-8]。溫室氣體減排政策可能給沼氣工程帶來新的盈利機會，其碳減排量有望進入中國新成立的碳交易市場，外部經(jīng)濟內(nèi)部化，從而改善沼氣工程的盈利能力，實現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)營。

國內(nèi)相關(guān)研究都以某單個養(yǎng)殖場為研究對象[9-11]。國外的研究中，除了以某單個養(yǎng)殖場為研究對象的文獻外[12-14]，有的研究者采用國家或者地區(qū)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析[7,15-16]。測算溫室氣體減排量時，根據(jù)案例經(jīng)營規(guī)模的不同，國內(nèi)的研究主要運用CDM的ACM0010和ASM III.D計算具體案例的減排量[4,9-10]。國外文獻則傾向于采用芝加哥氣候交易所（Chicago Climate Exchange，CCX）或者政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panelon Climate Change，IPCC）提供的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)計算減排量[7,14-15]。分析沼氣工程的經(jīng)濟收益時，都采用成本收益分析方法，計算項目的現(xiàn)金流凈現(xiàn)值。但是計算項目的現(xiàn)金流凈現(xiàn)值時，除了Bishop and Shumway和Key and Sneeringer都沒有考慮政府的補貼[17-21]。總體來說，國內(nèi)研究大多從沼氣工程項目可行性的角度分析，研究對象單一，沒有分析碳交易市場對沼氣工程盈利性的影響，缺乏經(jīng)濟學(xué)方面的研究。

為了分析碳交易市場對養(yǎng)殖場沼氣工程贏利性的影響，本文選取位于太湖流域江蘇省的 3個厭氧消化裝置總體容積500 m3以上的養(yǎng)豬企業(yè)為研究對象，通過CDM方法首先計算其沼氣工程減少溫室氣體排放的效果，然后運用成本收益方法，引入碳減排交易收入，測算不同情境下項目的盈利能力，分析影響沼氣工程項目可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟因素。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本文選取的 3個養(yǎng)豬場分別位于江蘇省金壇市和宜興市，所用數(shù)據(jù)來自2016年8月實地調(diào)查所得（表1）。3家養(yǎng)豬場的厭氧消化反應(yīng)器都為全混式厭氧反應(yīng)器（continuous stirred tank reactor，CSTR），但是儲氣方式不同。A和C是低壓濕式貯氣，而B是發(fā)酵貯氣一體化。盡管A、B兩家的沼氣發(fā)酵罐容積和發(fā)電機組功率都差不多，但是主要由于生豬存欄和出欄數(shù)的差異，導(dǎo)致二者生產(chǎn)的沼氣量存在明顯差異。

1.2 溫室氣體減排測算方法

“小規(guī)模 CDM 項目方法學(xué)—動物糞便管理系統(tǒng)中的甲烷回收”（AMS.Ⅲ.D.ver.19）是CDM執(zhí)行理事會批準(zhǔn)的適用于小型項目的方法學(xué)[22-23]。李玉娥等[4]對第 14版的適用條件作了具體介紹。在此基礎(chǔ)上，第19版新加了一條：糞便從動物宿舍到沼氣發(fā)酵池的時間不能超過45 d。如果從動物宿舍運出的糞便中，干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過20%，則不受此條限制。3家養(yǎng)豬企業(yè)的沼氣工程滿足 AMS.Ⅲ.D.ver.19的適用條件，因此本文采用該方法來計算溫室氣體減排效果。通過計算項目實施以前的基準(zhǔn)線排放量以及項目實施后的排放量，二者之差即為項目的減排量。項目實施前3家養(yǎng)豬企業(yè)采用開放式蓄糞池儲存家畜糞尿，項目實施后糞尿用于沼氣發(fā)酵，沼液作為液肥得到有效利用。公式（1）～（3）表示2種情況的排放量。

式中ERy為第y年的CO2減排量，t/a；BEy為第y年基準(zhǔn)線下的排放量，t/a；PEy為第y年沼氣工程的排放量，t/a。

ERy的具體計算公式如式（2），后文表2的變量和式（2）的變量相對應(yīng)，并且列出了變量的系數(shù)和采用依據(jù)。

GWPCH4是甲烷轉(zhuǎn)換成 CO2的氣候變暖系數(shù)，根據(jù)IPCC guideline，取值為21。DCH4指1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和室溫20 ℃時的甲烷密度，根據(jù)IPCC guideline取值為0.000 67 t/m3。UFb指模型修正系數(shù)，根據(jù)IPCC guideline取值為0.94。MCFj指基準(zhǔn)線的動物糞便管理系統(tǒng)下的甲烷轉(zhuǎn)換系數(shù)，根據(jù)所在地的平均氣溫和IPCC guideline，取值為 0.74。B0指揮發(fā)性固體最大的甲烷生產(chǎn)潛力，參照亞洲地區(qū)的 IPCC guideline取值為0.29。Nbreed,y指y年母豬存欄數(shù)，Nmarket,y指y年肉豬存欄數(shù)。VSbreed,y指1頭母豬在 y年排泄的揮發(fā)性固體，根據(jù) IPCC (2006 年)取值293.3。VSmarket,y指1頭肉豬在y年排泄的揮發(fā)性固體，根據(jù)IPCC (2006年)，取值136.87。MSBl,j指基準(zhǔn)線的動物糞便管理系統(tǒng)下的糞便處理比例，假設(shè)在基準(zhǔn)線下100%的處理。把上述系數(shù)和表 1中的存欄頭數(shù)以及母豬頭數(shù)帶到式（2）中，求出基準(zhǔn)線情況，也就是沼氣發(fā)酵裝置設(shè)立以前的CO2的排放量。

表1 3家養(yǎng)豬場概況Table 1 Operational capacity of three pig farms

如式（3）所示，PEy具體包括5個部分的內(nèi)容。

式中參數(shù)含義見表2。

1.3 沼氣工程成本收益分析的模型

在美國農(nóng)業(yè)部經(jīng)濟研究所（Economic Research Service）提出的成本收益模型[7]的基礎(chǔ)上，本文根據(jù)所用案例的實際情況對該模型進行修改，計算養(yǎng)豬場沼氣發(fā)酵項目的成本收益。運用凈現(xiàn)金流或凈現(xiàn)值（net present value，NPV）來測算沼氣工程的盈利性。NPV是換算成當(dāng)前價值的所有將來盈利總和，比如電力收入或者碳交易市場收入減去固定成本和變動成本之后的盈利。

根據(jù)沼氣工程建設(shè)情況，本文設(shè)定沼氣發(fā)酵裝置的使用壽命為15 a。參照Nigel Key等[7]，本文假設(shè)在這15 a期間，電力價格和碳交易市場價格是已知的，且保持不變；沼氣產(chǎn)生量和發(fā)電量在15 a期間保持不變。根據(jù)近年貸款利率和通貨膨脹率，本文設(shè)定貼現(xiàn)率為5%。

如前所述，沼氣工程的可能收入來源包含較多。為便于比較，僅考慮發(fā)電收入、碳交易收入和由于沼氣工程建設(shè)而避免繳納排污費帶來的收入。

式中 N PVD表示沼氣發(fā)電收益凈現(xiàn)值； N PVM表示碳交易收益凈現(xiàn)值；N PVS表示由于沼氣工程建設(shè)而避免繳納排污費帶來的收益凈現(xiàn)值，單位都是萬元。

式中R是發(fā)電收入；C是沼氣工程成本，包括固定成本和變動成本；單位都是萬元。t是時間，a；T是沼氣工程的使用年限，a；d是貼現(xiàn)率。

式中是養(yǎng)豬企業(yè)所在地的電力零售價格，元；E是養(yǎng)豬企業(yè)沼氣工程一年總的發(fā)電量，kW·h。由于 3家養(yǎng)豬場沼氣工程的發(fā)電量都小于自身生產(chǎn)所需電量，故不存在外賣電力的情況。

由于電力價格很可能受到氣候變化立法的影響，本文認(rèn)為電力零售價格將取決于國家能源的碳排放強度和碳價格。因此，電力零售價格等于當(dāng)前零售價格 PsE加上碳價格 PM與電廠平均CO2排放率?的乘積。0.000 1是把萬 kW·h換算成 kW·h。根據(jù)國家發(fā)展與改革委員會2016年公布的數(shù)據(jù)，華東地區(qū)電網(wǎng)的基準(zhǔn)線排放率?為0.67845 t/MWh（OM電量邊際排放因子和BM容量邊際排放因子的平均值）。當(dāng)前的零售價格設(shè)定 2種情況：當(dāng)前的實際價格0.42元/kW·h；可再生能源發(fā)電上網(wǎng)價格0.67元/kW。

式中FK 是沼氣工程的固定資產(chǎn)投資總額；SK 是政府對沼氣工程的補貼；V是沼氣工程的運營維護成本，單位都是元。t為沼氣工程使用年限，a。

式中 N PVM是碳交易盈利的凈現(xiàn)值； PM是碳交易價格，元/t；d為折現(xiàn)率。同國際碳交易價格一樣，北京、上海、天津、重慶、廣東、深圳和湖北 7個碳排放權(quán)交易試點的價格參差不齊，變化很大[24]。深圳市場在 2013年 10月14日達(dá)到最高價格99.8元/t，上海市場在2016年5月16日跌到最低價格4.21元/t。鑒于此，本文假設(shè)3種情況：即5、50、100元/t。M是各養(yǎng)豬場能夠在碳交易市場上銷售的減排量，由上一節(jié)測算得出。Zt是在碳交易市場上發(fā)生的交易費用。

式中是進入碳交易市場所發(fā)生的一次性的固定啟動費用，是每年發(fā)生的監(jiān)測和驗證費用，這2項費用參照Nigel Key等[7]的假設(shè)數(shù)據(jù)。由于3家養(yǎng)殖企業(yè)的沼氣工程都屬于小型項目，本文假設(shè)其碳交易市場的交易費用相同。

地方政府對建設(shè)沼氣發(fā)酵項目之前的養(yǎng)豬企業(yè)收取排污費，具體為每頭每月0.9元[25]。沼氣工程建成投產(chǎn)后，停止收取排污費?；跈C會成本的概念，本文把該停止繳納的排污費算作沼氣工程的收入SNPV，段茂盛和王革華也有類似的處理[26]。

式中N表示豬的頭數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫室氣體減排測算結(jié)果與分析

項目運行之后，豬舍的糞尿被輸送到沼氣發(fā)酵設(shè)施，在設(shè)施內(nèi)產(chǎn)生甲烷（CH4）。發(fā)酵之后的沼液首先進入沼液池儲存，然后根據(jù)需要用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。A養(yǎng)豬場的沼液主要免費提供給周邊農(nóng)戶，用于水稻、小麥和花卉等農(nóng)作物的生產(chǎn)。B養(yǎng)豬場的沼液主要用于自身的蔬菜和花卉生產(chǎn)，C養(yǎng)豬場的沼液則主要用于自身的養(yǎng)魚池塘。所產(chǎn)生的沼氣通過發(fā)電裝置變成電力，然后用于豬舍照明等生豬生產(chǎn)。

結(jié)果表明，這 3家養(yǎng)豬企業(yè)在基準(zhǔn)線情況下的排放量分別為9 434.37、7 075.77和2 358.59 t，沼氣工程實施后的排放量分別為4 197.42、3 058.82和1 024.66 t。減排量分別為5 236.95、4 016.95和1 333.93 t，減排比率超過55%（表2）。減排量主要受養(yǎng)殖場存欄頭數(shù)、沼氣工程工藝類型和所在地氣溫的影響。由于 3家養(yǎng)豬場的地理位置相同，面臨的氣候一致，并且沼氣工程工藝類型相似，因此減排量與存欄頭數(shù)存在明顯的正相關(guān)關(guān)系。

2.2 沼氣工程成本收益分析

沼氣工程成本收益計算變量如表3所示。在2種不同電價情況下，沼氣工程發(fā)電盈利的凈現(xiàn)值DNPV 如表4中的 A1B1C1，發(fā)電盈利DNPV 加上免交排污費帶來的盈利的凈現(xiàn)值SNPV 如表4中A2B2C2。

表2 沼氣工程的碳排放測算模型變量以及減排結(jié)果Table 2 Baseline variables for carbon emission calculations t·a-1

表3 沼氣工程碳減排成本收益計算模型變量Table 3 Cost benefit calculation models of carbon emissions reduction in biogas digester

測算結(jié)果表明，即使獲得政府補貼，且電價為國家可再生能源發(fā)電上網(wǎng)價格的情況下，3家養(yǎng)豬場的沼氣工程項目的電力盈利的凈現(xiàn)值都為負(fù)，工程規(guī)模越大，虧損越嚴(yán)重。電力盈利加上免交的排污費收入后，僅有 A養(yǎng)豬場的沼氣工程在獲得政府補貼，且電價為國家可再生能源發(fā)電上網(wǎng)價格的情況下，實現(xiàn)盈利。由于排污費是按照存欄頭數(shù)征收的，規(guī)模越大的養(yǎng)豬場免交的排污費越多。因此，電力盈利加上免交的排污費的收入后，3家養(yǎng)豬場的沼氣工程的盈利差距有所縮小。

表4 沼氣工程的電力盈利凈現(xiàn)值和免交排污費盈利凈現(xiàn)值Table 4 Net present value of electricity generation (NPVD) and sewage charges savings (NPVS) for biogas engineering

表5 不同碳價格下碳交易盈利凈現(xiàn)值Table 5 Net present value of carbon offset with different prices of carbon 萬元

測算結(jié)果表明，在碳價格為5元/t的情況下，規(guī)模最小的C養(yǎng)豬場的碳交易凈現(xiàn)值為負(fù)。A和B兩家養(yǎng)豬場的凈現(xiàn)值雖然為正，但是盈利空間很小。碳價格超過50元/t后，3家養(yǎng)豬場的碳交易都有較大的盈利空間。3家養(yǎng)豬場的碳交易費用相同。由于減排量和存欄頭數(shù)正相關(guān)，碳交易收入呈明顯的規(guī)模效應(yīng)，碳交易盈利性也就具有明顯的規(guī)模效應(yīng)。

在分別計算3家養(yǎng)豬場沼氣工程的電力盈利凈現(xiàn)值、碳交易盈利凈現(xiàn)值和免交排污費盈利的凈現(xiàn)值后，模擬測算了16種情況下沼氣工程的盈利可能性（表6）。

測算結(jié)果表明，在沒有政府補貼的情況下，無論是一般電價還是可再生能源電價，不參加碳市場以及碳價格為5元/t兩種情景模式下，3家養(yǎng)豬場的沼氣工程都虧損。當(dāng)碳價格為50元/t時，只有A養(yǎng)豬場的沼氣工程盈利。當(dāng)碳價格為100元/t，電價為0.42元/kWh時A和B養(yǎng)豬場的沼氣工程盈利。當(dāng)碳價格為 100元/t，電價為0.67元/kWh時，3家養(yǎng)豬場的沼氣工程都能盈利。說明電價對養(yǎng)豬場沼氣工程的盈利水平影響較小，而碳交易價格極大地影響到養(yǎng)豬場沼氣工程的盈利水平。

在獲得政府補貼和一般電價的情況下，不參加碳市場以及碳價格為5元/t時，3家養(yǎng)豬場的沼氣工程都虧損。在獲得政府補貼和可再生能源電價的情況下，不參加碳市場以及碳價格為5元/t時，都只有A養(yǎng)豬場的沼氣工程盈利。當(dāng)碳價格為50元/t時，3家養(yǎng)豬場的沼氣工程都能盈利，碳價格為100元/t時，沼氣工程的盈利水平更高。說明政府補貼對養(yǎng)豬場沼氣工程的盈利水平有重要影響，但是碳交易價格的影響更大。

表6 不同情景下沼氣項目盈利的凈現(xiàn)值Table 6 NPV of methane digester system of three pig farms in different scenarios 萬元

3 討 論

沼氣工程的盈利性存在明顯的規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)，規(guī)模越大的養(yǎng)豬場盈利的可能性越大。小規(guī)模的養(yǎng)殖場可以考慮多家聯(lián)合實施沼氣工程。本文所選取的3個案例中，規(guī)模較小的B和C兩家養(yǎng)豬場的沼液主要用于自身的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，一定程度上改善了沼氣工程的盈利狀況。但是正如《全國畜禽養(yǎng)殖污染防治“十二五”規(guī)劃》指出的一樣，如果沼渣沼液長期用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，還有很多技術(shù)難題需要解決。

發(fā)電上網(wǎng)是養(yǎng)殖場沼氣工程項目收入的重要組成部分，但是受養(yǎng)殖場規(guī)模的限制，沼氣工程項目發(fā)電規(guī)模不大，很難實現(xiàn)上網(wǎng)，也就無法享受國家關(guān)于可再生能源發(fā)電上網(wǎng)電價補貼。所發(fā)電力冬天尚能用于照明和取暖，在農(nóng)場內(nèi)部消化，夏天就可能無法自身消化，從而導(dǎo)致放空現(xiàn)象，無法取得項目預(yù)期的環(huán)境保護目標(biāo)。建議政府除了給予固定資產(chǎn)初期建設(shè)補貼外，還應(yīng)對其后期運行給予一定的補貼，以改善其盈利水平。此外，可鼓勵養(yǎng)殖場沼氣工程為周邊農(nóng)戶供氣供電，并給予一定財政支持。

碳交易能夠明顯提高沼氣工程的盈利能力，促進其可持續(xù)發(fā)展。但是無論是國際還是國內(nèi)的交易市場都對碳減排規(guī)模有較大的要求，核證減排成本較高。降低準(zhǔn)入門檻，明確配額，擴大碳交易體系的覆蓋范圍，將有助于養(yǎng)殖場沼氣工程碳減排順利進入碳交易市場，改善盈利水平。

由于太湖環(huán)境污染治理的需要，在政府的強力推動下，周邊很多的畜禽養(yǎng)殖企業(yè)的沼氣工程成為一種非市場行為。如果沼氣工程的盈利性不能得到根本改善，將很難杜絕一些企業(yè)的偷排等環(huán)境違法行為。

4 結(jié) 論

本文選取位于太湖流域江蘇省 3個不同規(guī)模的養(yǎng)豬企業(yè)為研究對象，通過CDM方法首先計算其沼氣工程減排效果，然后運用成本收益方法測算不同情境下項目的盈利能力。結(jié)果表明：規(guī)?；B(yǎng)豬場沼氣工程減排效果明顯，換算成CO2后，A、B、C這3家養(yǎng)豬企業(yè)在基準(zhǔn)線情況下的排放量分別為9 434.37、7 075.77和2 358.59 t，沼氣工程實施后的排放量分別為4 197.42、3 058.82和1 024.66 t。減排量分別為 5 236.95、4 016.95 和 1 333.93 t，減排比率超過 55%。減排量與存欄頭數(shù)存在明顯的正相關(guān)關(guān)系。但在現(xiàn)有條件下，3家企業(yè)的沼氣工程都處于虧損狀態(tài)。在政府補貼、可再生能源發(fā)電收入和停交排污費的情況下，只有規(guī)模最大的A企業(yè)的沼氣工程可以盈利。如果能夠進入碳交易市場，且價格達(dá)到50元/t以上，3家企業(yè)的沼氣工程都能實現(xiàn)盈利。

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