規模養豬場沼氣工程清潔發展機制的溫室氣體減排效益

陳廷貴，趙梓程

（上海海洋大學經濟管理學院，上海 201306）

0 引 言

中國已經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]?！吨袊鴳獙夂蜃兓恼吲c行動2015年度報告》明確了中國二氧化碳排放2030年左右達到峰值并力爭盡早達峰等一系列目標，并提出了確保實現目標的政策措施。養殖場沼氣工程能夠生產可再生能源，減少溫室氣體排放，具有顯著的外部經濟效應。然而，由于其建設成本和維護成本超過收益，很多養殖場不愿選擇建設沼氣工程，一部分已經建設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，外部經濟內部化，從而改善沼氣工程的盈利能力，實現可持續經營。

國內相關研究都以某單個養殖場為研究對象[9-11]。國外的研究中，除了以某單個養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的統計數據進行分析[7,15-16]。測算溫室氣體減排量時，根據案例經營規模的不同，國內的研究主要運用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）提供的標準參數計算減排量[7,14-15]。分析沼氣工程的經濟收益時，都采用成本收益分析方法，計算項目的現金流凈現值。但是計算項目的現金流凈現值時，除了Bishop and Shumway和Key and Sneeringer都沒有考慮政府的補貼[17-21]?？傮w來說，國內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，缺乏經濟學方面的研究。

為了分析碳交易市場對養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以上的養豬企業為研究對象，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發展的經濟因素。

1 研究方法

1.1 研究區概況

本文選取的 3個養豬場分別位于江蘇省金壇市和宜興市，所用數據來自2016年8月實地調查所得（表1）。3家養豬場的厭氧消化反應器都為全混式厭氧反應器（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是發酵貯氣一體化。盡管A、B兩家的沼氣發酵罐容積和發電機組功率都差不多，但是主要由于生豬存欄和出欄數的差異，導致二者生產的沼氣量存在明顯差異。

1.2 溫室氣體減排測算方法

“小規模 CDM 項目方法學—動物糞便管理系統中的甲烷回收”（AMS.Ⅲ.D.ver.19）是CDM執行理事會批準的適用于小型項目的方法學[22-23]。李玉娥等[4]對第 14版的適用條件作了具體介紹。在此基礎上，第19版新加了一條：糞便從動物宿舍到沼氣發酵池的時間不能超過45 d。如果從動物宿舍運出的糞便中，干物質質量分數超過20%，則不受此條限制。3家養豬企業的沼氣工程滿足 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家養豬企業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，并且列出了變量的系數和采用依據。

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

表1 3家養豬場概況Table 1 Operational capacity of three pig farms

如式（3）所示，PEy具體包括5個部分的內容。

式中參數含義見表2。

1.3 沼氣工程成本收益分析的模型

在美國農業部經濟研究所（Economic Research Service）提出的成本收益模型[7]的基礎上，本文根據所用案例的實際情況對該模型進行修改，計算養豬場沼氣發酵項目的成本收益。運用凈現金流或凈現值（net present value，NPV）來測算沼氣工程的盈利性。NPV是換算成當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。

根據沼氣工程建設情況，本文設定沼氣發酵裝置的使用壽命為15 a。參照Nigel Key等[7]，本文假設在這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；沼氣產生量和發電量在15 a期間保持不變。根據近年貸款利率和通貨膨脹率，本文設定貼現率為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，僅考慮發電收入、碳交易收入和由于沼氣工程建設而避免繳納排污費帶來的收入。

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

式中R是發電收入；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是貼現率。

式中是養豬企業所在地的電力零售價格，元；E是養豬企業沼氣工程一年總的發電量，kW·h。由于 3家養豬場沼氣工程的發電量都小于自身生產所需電量，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。根據國家發展與改革委員會2016年公布的數據，華東地區電網的基準線排放率?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）。當前的零售價格設定 2種情況：當前的實際價格0.42元/kW·h；可再生能源發電上網價格0.67元/kW。

式中FK 是沼氣工程的固定資產投資總額；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值； PM是碳交易價格，元/t；d為折現率。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3種情況：即5、50、100元/t。M是各養豬場能夠在碳交易市場上銷售的減排量，由上一節測算得出。Zt是在碳交易市場上發生的交易費用。

式中是進入碳交易市場所發生的一次性的固定啟動費用，是每年發生的監測和驗證費用，這2項費用參照Nigel Key等[7]的假設數據。由于3家養殖企業的沼氣工程都屬于小型項目，本文假設其碳交易市場的交易費用相同。

地方政府對建設沼氣發酵項目之前的養豬企業收取排污費，具體為每頭每月0.9元[25]。沼氣工程建成投產后，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。

2 結果與分析

2.1 溫室氣體減排測算結果與分析

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

結果表明，這 3家養豬企業在基準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）。減排量主要受養殖場存欄頭數、沼氣工程工藝類型和所在地氣溫的影響。由于 3家養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存在明顯的正相關關系。

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，沼氣工程發電盈利的凈現值DNPV 如表4中的 A1B1C1，發電盈利DNPV 加上免交排污費帶來的盈利的凈現值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

測算結果表明，即使獲得政府補貼，且電價為國家可再生能源發電上網價格的情況下，3家養豬場的沼氣工程項目的電力盈利的凈現值都為負，工程規模越大，虧損越嚴重。電力盈利加上免交的排污費收入后，僅有 A養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電上網價格的情況下，實現盈利。由于排污費是按照存欄頭數征收的，規模越大的養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值和免交排污費盈利凈現值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值Table 5 Net present value of carbon offset with different prices of carbon 萬元

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

在分別計算3家養豬場沼氣工程的電力盈利凈現值、碳交易盈利凈現值和免交排污費盈利的凈現值后，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家養豬場的沼氣工程都虧損。當碳價格為50元/t時，只有A養豬場的沼氣工程盈利。當碳價格為100元/t，電價為0.42元/kWh時A和B養豬場的沼氣工程盈利。當碳價格為 100元/t，電價為0.67元/kWh時，3家養豬場的沼氣工程都能盈利。說明電價對養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養豬場的沼氣工程盈利。當碳價格為50元/t時，3家養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模經濟效應，規模越大的養豬場盈利的可能性越大。小規模的養殖場可以考慮多家聯合實施沼氣工程。本文所選取的3個案例中，規模較小的B和C兩家養豬場的沼液主要用于自身的農業生產，一定程度上改善了沼氣工程的盈利狀況。但是正如《全國畜禽養殖污染防治“十二五”規劃》指出的一樣，如果沼渣沼液長期用于農業生產，還有很多技術難題需要解決。

發電上網是養殖場沼氣工程項目收入的重要組成部分，但是受養殖場規模的限制，沼氣工程項目發電規模不大，很難實現上網，也就無法享受國家關于可再生能源發電上網電價補貼。所發電力冬天尚能用于照明和取暖，在農場內部消化，夏天就可能無法自身消化，從而導致放空現象，無法取得項目預期的環境保護目標。建議政府除了給予固定資產初期建設補貼外，還應對其后期運行給予一定的補貼，以改善其盈利水平。此外，可鼓勵養殖場沼氣工程為周邊農戶供氣供電，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，促進其可持續發展。但是無論是國際還是國內的交易市場都對碳減排規模有較大的要求，核證減排成本較高。降低準入門檻，明確配額，擴大碳交易體系的覆蓋范圍，將有助于養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，周邊很多的畜禽養殖企業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的偷排等環境違法行為。

4 結 論

本文選取位于太湖流域江蘇省 3個不同規模的養豬企業為研究對象，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。結果表明：規模化養豬場沼氣工程減排效果明顯，換算成CO2后，A、B、C這3家養豬企業在基準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%。減排量與存欄頭數存在明顯的正相關關系。但在現有條件下，3家企業的沼氣工程都處于虧損狀態。在政府補貼、可再生能源發電收入和停交排污費的情況下，只有規模最大的A企業的沼氣工程可以盈利。如果能夠進入碳交易市場，且價格達到50元/t以上，3家企業的沼氣工程都能實現盈利。

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