规模养猪场沼气工程清洁发展机制的温室气体减排效益

陈廷贵，赵梓程

（上海海洋大学经济管理学院，上海 201306）

0 引 言

中国已经成为世界上最大的能源消耗国，同时也是世界上温室气体排放最多的国家[1-3]。《中国应对气候变化的政策与行动2015年度报告》明确了中国二氧化碳排放2030年左右达到峰值并力争尽早达峰等一系列目标，并提出了确保实现目标的政策措施。养殖场沼气工程能够生产可再生能源，减少温室气体排放，具有显著的外部经济效应。然而，由于其建设成本和维护成本超过收益，很多养殖场不愿选择建设沼气工程，一部分已经建设的沼气工程也被闲置[4-8]。温室气体减排政策可能给沼气工程带来新的盈利机会，其碳减排量有望进入中国新成立的碳交易市场，外部经济内部化，从而改善沼气工程的盈利能力，实现可持续经营。

国内相关研究都以某单个养殖场为研究对象[9-11]。国外的研究中，除了以某单个养殖场为研究对象的文献外[12-14]，有的研究者采用国家或者地区的统计数据进行分析[7,15-16]。测算温室气体减排量时，根据案例经营规模的不同，国内的研究主要运用CDM的ACM0010和ASM III.D计算具体案例的减排量[4,9-10]。国外文献则倾向于采用芝加哥气候交易所（Chicago Climate Exchange，CCX）或者政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panelon Climate Change，IPCC）提供的标准参数计算减排量[7,14-15]。分析沼气工程的经济收益时，都采用成本收益分析方法，计算项目的现金流净现值。但是计算项目的现金流净现值时，除了Bishop and Shumway和Key and Sneeringer都没有考虑政府的补贴[17-21]。总体来说，国内研究大多从沼气工程项目可行性的角度分析，研究对象单一，没有分析碳交易市场对沼气工程盈利性的影响，缺乏经济学方面的研究。

为了分析碳交易市场对养殖场沼气工程赢利性的影响，本文选取位于太湖流域江苏省的 3个厌氧消化装置总体容积500 m3以上的养猪企业为研究对象，通过CDM方法首先计算其沼气工程减少温室气体排放的效果，然后运用成本收益方法，引入碳减排交易收入，测算不同情境下项目的盈利能力，分析影响沼气工程项目可持续发展的经济因素。

1 研究方法

1.1 研究区概况

本文选取的 3个养猪场分别位于江苏省金坛市和宜兴市，所用数据来自2016年8月实地调查所得（表1）。3家养猪场的厌氧消化反应器都为全混式厌氧反应器（continuous stirred tank reactor，CSTR），但是储气方式不同。A和C是低压湿式贮气，而B是发酵贮气一体化。尽管A、B两家的沼气发酵罐容积和发电机组功率都差不多，但是主要由于生猪存栏和出栏数的差异，导致二者生产的沼气量存在明显差异。

1.2 温室气体减排测算方法

“小规模 CDM 项目方法学—动物粪便管理系统中的甲烷回收”（AMS.Ⅲ.D.ver.19）是CDM执行理事会批准的适用于小型项目的方法学[22-23]。李玉娥等[4]对第 14版的适用条件作了具体介绍。在此基础上，第19版新加了一条：粪便从动物宿舍到沼气发酵池的时间不能超过45 d。如果从动物宿舍运出的粪便中，干物质质量分数超过20%，则不受此条限制。3家养猪企业的沼气工程满足 AMS.Ⅲ.D.ver.19的适用条件，因此本文采用该方法来计算温室气体减排效果。通过计算项目实施以前的基准线排放量以及项目实施后的排放量，二者之差即为项目的减排量。项目实施前3家养猪企业采用开放式蓄粪池储存家畜粪尿，项目实施后粪尿用于沼气发酵，沼液作为液肥得到有效利用。公式（1）～（3）表示2种情况的排放量。

式中ERy为第y年的CO2减排量，t/a；BEy为第y年基准线下的排放量，t/a；PEy为第y年沼气工程的排放量，t/a。

ERy的具体计算公式如式（2），后文表2的变量和式（2）的变量相对应，并且列出了变量的系数和采用依据。

GWPCH4是甲烷转换成 CO2的气候变暖系数，根据IPCC guideline，取值为21。DCH4指1个标准大气压和室温20 ℃时的甲烷密度，根据IPCC guideline取值为0.000 67 t/m3。UFb指模型修正系数，根据IPCC guideline取值为0.94。MCFj指基准线的动物粪便管理系统下的甲烷转换系数，根据所在地的平均气温和IPCC guideline，取值为 0.74。B0指挥发性固体最大的甲烷生产潜力，参照亚洲地区的 IPCC guideline取值为0.29。Nbreed,y指y年母猪存栏数，Nmarket,y指y年肉猪存栏数。VSbreed,y指1头母猪在 y年排泄的挥发性固体，根据 IPCC (2006 年)取值293.3。VSmarket,y指1头肉猪在y年排泄的挥发性固体，根据IPCC (2006年)，取值136.87。MSBl,j指基准线的动物粪便管理系统下的粪便处理比例，假设在基准线下100%的处理。把上述系数和表 1中的存栏头数以及母猪头数带到式（2）中，求出基准线情况，也就是沼气发酵装置设立以前的CO2的排放量。

表1 3家养猪场概况Table 1 Operational capacity of three pig farms

如式（3）所示，PEy具体包括5个部分的内容。

式中参数含义见表2。

1.3 沼气工程成本收益分析的模型

在美国农业部经济研究所（Economic Research Service）提出的成本收益模型[7]的基础上，本文根据所用案例的实际情况对该模型进行修改，计算养猪场沼气发酵项目的成本收益。运用净现金流或净现值（net present value，NPV）来测算沼气工程的盈利性。NPV是换算成当前价值的所有将来盈利总和，比如电力收入或者碳交易市场收入减去固定成本和变动成本之后的盈利。

根据沼气工程建设情况，本文设定沼气发酵装置的使用寿命为15 a。参照Nigel Key等[7]，本文假设在这15 a期间，电力价格和碳交易市场价格是已知的，且保持不变；沼气产生量和发电量在15 a期间保持不变。根据近年贷款利率和通货膨胀率，本文设定贴现率为5%。

如前所述，沼气工程的可能收入来源包含较多。为便于比较，仅考虑发电收入、碳交易收入和由于沼气工程建设而避免缴纳排污费带来的收入。

式中 N PVD表示沼气发电收益净现值； N PVM表示碳交易收益净现值；N PVS表示由于沼气工程建设而避免缴纳排污费带来的收益净现值，单位都是万元。

式中R是发电收入；C是沼气工程成本，包括固定成本和变动成本；单位都是万元。t是时间，a；T是沼气工程的使用年限，a；d是贴现率。

式中是养猪企业所在地的电力零售价格，元；E是养猪企业沼气工程一年总的发电量，kW·h。由于 3家养猪场沼气工程的发电量都小于自身生产所需电量，故不存在外卖电力的情况。

由于电力价格很可能受到气候变化立法的影响，本文认为电力零售价格将取决于国家能源的碳排放强度和碳价格。因此，电力零售价格等于当前零售价格 PsE加上碳价格 PM与电厂平均CO2排放率∅的乘积。0.000 1是把万 kW·h换算成 kW·h。根据国家发展与改革委员会2016年公布的数据，华东地区电网的基准线排放率∅为0.67845 t/MWh（OM电量边际排放因子和BM容量边际排放因子的平均值）。当前的零售价格设定 2种情况：当前的实际价格0.42元/kW·h；可再生能源发电上网价格0.67元/kW。

式中FK 是沼气工程的固定资产投资总额；SK 是政府对沼气工程的补贴；V是沼气工程的运营维护成本，单位都是元。t为沼气工程使用年限，a。

式中 N PVM是碳交易盈利的净现值； PM是碳交易价格，元/t；d为折现率。同国际碳交易价格一样，北京、上海、天津、重庆、广东、深圳和湖北 7个碳排放权交易试点的价格参差不齐，变化很大[24]。深圳市场在 2013年 10月14日达到最高价格99.8元/t，上海市场在2016年5月16日跌到最低价格4.21元/t。鉴于此，本文假设3种情况：即5、50、100元/t。M是各养猪场能够在碳交易市场上销售的减排量，由上一节测算得出。Zt是在碳交易市场上发生的交易费用。

式中是进入碳交易市场所发生的一次性的固定启动费用，是每年发生的监测和验证费用，这2项费用参照Nigel Key等[7]的假设数据。由于3家养殖企业的沼气工程都属于小型项目，本文假设其碳交易市场的交易费用相同。

地方政府对建设沼气发酵项目之前的养猪企业收取排污费，具体为每头每月0.9元[25]。沼气工程建成投产后，停止收取排污费。基于机会成本的概念，本文把该停止缴纳的排污费算作沼气工程的收入SNPV，段茂盛和王革华也有类似的处理[26]。

式中N表示猪的头数。

2 结果与分析

2.1 温室气体减排测算结果与分析

项目运行之后，猪舍的粪尿被输送到沼气发酵设施，在设施内产生甲烷（CH4）。发酵之后的沼液首先进入沼液池储存，然后根据需要用于农业生产。A养猪场的沼液主要免费提供给周边农户，用于水稻、小麦和花卉等农作物的生产。B养猪场的沼液主要用于自身的蔬菜和花卉生产，C养猪场的沼液则主要用于自身的养鱼池塘。所产生的沼气通过发电装置变成电力，然后用于猪舍照明等生猪生产。

结果表明，这 3家养猪企业在基准线情况下的排放量分别为9 434.37、7 075.77和2 358.59 t，沼气工程实施后的排放量分别为4 197.42、3 058.82和1 024.66 t。减排量分别为5 236.95、4 016.95和1 333.93 t，减排比率超过55%（表2）。减排量主要受养殖场存栏头数、沼气工程工艺类型和所在地气温的影响。由于 3家养猪场的地理位置相同，面临的气候一致，并且沼气工程工艺类型相似，因此减排量与存栏头数存在明显的正相关关系。

2.2 沼气工程成本收益分析

沼气工程成本收益计算变量如表3所示。在2种不同电价情况下，沼气工程发电盈利的净现值DNPV 如表4中的 A1B1C1，发电盈利DNPV 加上免交排污费带来的盈利的净现值SNPV 如表4中A2B2C2。

表2 沼气工程的碳排放测算模型变量以及减排结果Table 2 Baseline variables for carbon emission calculations t·a-1

表3 沼气工程碳减排成本收益计算模型变量Table 3 Cost benefit calculation models of carbon emissions reduction in biogas digester

测算结果表明，即使获得政府补贴，且电价为国家可再生能源发电上网价格的情况下，3家养猪场的沼气工程项目的电力盈利的净现值都为负，工程规模越大，亏损越严重。电力盈利加上免交的排污费收入后，仅有 A养猪场的沼气工程在获得政府补贴，且电价为国家可再生能源发电上网价格的情况下，实现盈利。由于排污费是按照存栏头数征收的，规模越大的养猪场免交的排污费越多。因此，电力盈利加上免交的排污费的收入后，3家养猪场的沼气工程的盈利差距有所缩小。

表4 沼气工程的电力盈利净现值和免交排污费盈利净现值Table 4 Net present value of electricity generation (NPVD) and sewage charges savings (NPVS) for biogas engineering

表5 不同碳价格下碳交易盈利净现值Table 5 Net present value of carbon offset with different prices of carbon 万元

测算结果表明，在碳价格为5元/t的情况下，规模最小的C养猪场的碳交易净现值为负。A和B两家养猪场的净现值虽然为正，但是盈利空间很小。碳价格超过50元/t后，3家养猪场的碳交易都有较大的盈利空间。3家养猪场的碳交易费用相同。由于减排量和存栏头数正相关，碳交易收入呈明显的规模效应，碳交易盈利性也就具有明显的规模效应。

在分别计算3家养猪场沼气工程的电力盈利净现值、碳交易盈利净现值和免交排污费盈利的净现值后，模拟测算了16种情况下沼气工程的盈利可能性（表6）。

测算结果表明，在没有政府补贴的情况下，无论是一般电价还是可再生能源电价，不参加碳市场以及碳价格为5元/t两种情景模式下，3家养猪场的沼气工程都亏损。当碳价格为50元/t时，只有A养猪场的沼气工程盈利。当碳价格为100元/t，电价为0.42元/kWh时A和B养猪场的沼气工程盈利。当碳价格为 100元/t，电价为0.67元/kWh时，3家养猪场的沼气工程都能盈利。说明电价对养猪场沼气工程的盈利水平影响较小，而碳交易价格极大地影响到养猪场沼气工程的盈利水平。

在获得政府补贴和一般电价的情况下，不参加碳市场以及碳价格为5元/t时，3家养猪场的沼气工程都亏损。在获得政府补贴和可再生能源电价的情况下，不参加碳市场以及碳价格为5元/t时，都只有A养猪场的沼气工程盈利。当碳价格为50元/t时，3家养猪场的沼气工程都能盈利，碳价格为100元/t时，沼气工程的盈利水平更高。说明政府补贴对养猪场沼气工程的盈利水平有重要影响，但是碳交易价格的影响更大。

表6 不同情景下沼气项目盈利的净现值Table 6 NPV of methane digester system of three pig farms in different scenarios 万元

3 讨 论

沼气工程的盈利性存在明显的规模经济效应，规模越大的养猪场盈利的可能性越大。小规模的养殖场可以考虑多家联合实施沼气工程。本文所选取的3个案例中，规模较小的B和C两家养猪场的沼液主要用于自身的农业生产，一定程度上改善了沼气工程的盈利状况。但是正如《全国畜禽养殖污染防治“十二五”规划》指出的一样，如果沼渣沼液长期用于农业生产，还有很多技术难题需要解决。

发电上网是养殖场沼气工程项目收入的重要组成部分，但是受养殖场规模的限制，沼气工程项目发电规模不大，很难实现上网，也就无法享受国家关于可再生能源发电上网电价补贴。所发电力冬天尚能用于照明和取暖，在农场内部消化，夏天就可能无法自身消化，从而导致放空现象，无法取得项目预期的环境保护目标。建议政府除了给予固定资产初期建设补贴外，还应对其后期运行给予一定的补贴，以改善其盈利水平。此外，可鼓励养殖场沼气工程为周边农户供气供电，并给予一定财政支持。

碳交易能够明显提高沼气工程的盈利能力，促进其可持续发展。但是无论是国际还是国内的交易市场都对碳减排规模有较大的要求，核证减排成本较高。降低准入门槛，明确配额，扩大碳交易体系的覆盖范围，将有助于养殖场沼气工程碳减排顺利进入碳交易市场，改善盈利水平。

由于太湖环境污染治理的需要，在政府的强力推动下，周边很多的畜禽养殖企业的沼气工程成为一种非市场行为。如果沼气工程的盈利性不能得到根本改善，将很难杜绝一些企业的偷排等环境违法行为。

4 结 论

本文选取位于太湖流域江苏省 3个不同规模的养猪企业为研究对象，通过CDM方法首先计算其沼气工程减排效果，然后运用成本收益方法测算不同情境下项目的盈利能力。结果表明：规模化养猪场沼气工程减排效果明显，换算成CO2后，A、B、C这3家养猪企业在基准线情况下的排放量分别为9 434.37、7 075.77和2 358.59 t，沼气工程实施后的排放量分别为4 197.42、3 058.82和1 024.66 t。减排量分别为 5 236.95、4 016.95 和 1 333.93 t，减排比率超过 55%。减排量与存栏头数存在明显的正相关关系。但在现有条件下，3家企业的沼气工程都处于亏损状态。在政府补贴、可再生能源发电收入和停交排污费的情况下，只有规模最大的A企业的沼气工程可以盈利。如果能够进入碳交易市场，且价格达到50元/t以上，3家企业的沼气工程都能实现盈利。

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