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农村废弃物零排放与生物燃气开发的循环经济实例分析 Analysis of circular economy of rural waste zero emissions and bio gas development

甲烷(CH4),作为仅次于二氧化碳(CO2)的第二大最重要人为温室气体(GHG),是三分之一以上人为气候变化的贡献者。另外,它还是第二大最丰富的温室气体(GHG),占全球温室气体(GHG)总排放量的 14%。甲烷被认为是“短期气候的驱动力”,其在大气中热捕捉能力却比 CO2 强 21 倍。

农业甲烷的产生和排放源自牲畜粪便和农业产业化废水有机成分的分解。这些废物通常在废物管理系中贮存和处理,这易促进厌氧条件(如发酵池、池塘、罐或坑中的液体或泥浆)的形成并产生沼气。沼气是一种约含 60% 甲烷、40%二氧化碳和不到 1% 硫化氢的混合物,如果加以科学合理利用,是一种可再生清洁能源。

根据全球甲烷行动组织(Global Methane Initiative, GMI)资料,从全球角度看,粪便管理构成 2010 年约 237 百万公吨 CO2 当量的甲烷排放,约占人为(人类诱发)甲烷排放总量的 4%。图1表示源自选定全球甲烷行动(GMI)合作伙伴国家粪便管理的甲烷排放量。

2003年,中国温室气体排放量的20%来自农业生产,农业废弃物是最大的来源 。近几年华北和华东日益严重的雾霾天气,曾令各级政府严禁农户焚烧秸秆;2013年上海黄埔江漂死猪仔事件等曾令华东人民担忧水源地受污染。秸秆、畜禽粪便和尸体等,都是农业生产中必然要产生的废弃物。如果没有科学合理处置它们的技术和方法,其对当地环境甚至区域环境将产生严重影响。在我国农村,有超过3000万家庭使用沼气池来将农村的废弃物转化成可燃烧的燃料,沼气已经在中国整体能源使用量中占到1.2% 。以秸秆为例,2.5公斤秸秆可以生产1立方米沼气,一家农户有2亩地的玉米秸秆,理论上就可供应一家一年的沼气。作为世界上沼气发展速度最快、建设规模最大、涉及人群最多的国家,截止到2009年年底,我国已在养殖户、养殖小区、企业化养殖场,建设各种类型的沼气工程5.6万多处,形成了每年140亿立方米沼气的生产能力,为发展我国低碳经济和节能减排发挥了不可替代的作用 。

根据亚洲开发银行的报告 ,在中国如果畜禽粪便被转化成沼气加以利用,足以满足2005年全年中国农户28%的能源需求,但农户分散饲养的动物粪便只有12%被转化为能源利用。更令人遗憾的是,规模化畜禽饲养场的动物粪便只有0.5%得到利用,农作物废弃物中,仅有0.4%的秸秆生物质资源被转化为可再生能源得以利用。因此,在农村建立的废弃物厌氧消化项目不仅有望减少温室气体排放和生产清洁能源,而且可改善空气和水的质量,改进肥料管理,改善环境卫生,刺激农村经济发展,并促进环境可持续发展。

我国2006年1月1日正式生效的《可再生能源法》,被认为积极地促进了我国生物质能源的发展。国家发改委还确立了可再生能源的发展目标:到2010年,可再生能源占中国能源消费总量的10%,到2020年占15%。农业部也于2007年在《农业生物质能产业发展规划》中确立了发展目标。到2020 年,我国沼气发电要建成大型畜禽养殖场沼气工程10000 座、工业有机废水沼气工程6000 座,年产沼气约140 亿立方米,沼气发电达到300 万千瓦 。

经过5-10 年的发展,我国农村已有畜禽粪便沼气生产高值燃气工业示范和畜禽粪便与农林废弃物多原料共发酵沼气生产高值燃气工业示范,最大生物燃气处理规模达到10 万m3/天,生物燃气达到管道燃气指标,纯化压缩后达到天然气CNG 标准,比目前能耗水平下降30-50%,其经济效益在我国东部沿海和南部省份达到保本或微利水平 。由于目前国内的沼气发展主要为分散式农户经营,随着农业规模化生产的集聚效应越来越明显,以及国家能源战略越来越向可再生能源倾斜,生物燃气向产业化方向转型是农村发展可再生清洁能源、确保国家能源安全的重要路径。

2020年,中国的畜禽产量将比2000年增加167%,到那时,农村非点源污染量减少40%才能维护目前的污染水平,这对畜禽养殖者来说是个不小的挑战 。以下通过分析实例来证明在农村推广产业化生物燃气(沼气)应用的多赢效益。

笔者曾于2006-09年期间供职于世界银行集团国际金融公司的“中国能效融资项目”。该项目旨在通过向中国商业银行提供风险分担的方式,通过撬动金融机构的资金资源,为亟需资金支持的能效环保项目服务,从而达到节能减排的目标。

2007年,兴业银行北京分行在该国际项目的支持下,批准了北京德青源农业科技股份有限公司(以下简称“德青源农业”)一笔项目贷款的申请。该项目还产生了一笔碳融资交易,即通过当时的清洁发展机制(CDM)的国际碳交易平台,将项目每年碳减排指标在项目运营之前预售出去,提前获得了一部分项目所需的资金。这对实施能效项目的中小型民营企业,在融资工具利用方面是一个大胆的全新尝试。

德青源农业成立于2000年,其位于京郊的生态养殖场随着蛋鸡饲养规模的扩大,每年将产生大量鸡粪,最初采用化粪池简单处理后销售的方式处理,很容易成为潜在的巨大污染源;但在影响环境的同时,这些废物和污染源又是开发潜力巨大的生物质能源。在国际金融公司的推动下,德青源农业于2006年开始论证、设计沼气发电项目,这个变废为宝的计划得到了国际金融公司和当地政府的大力支持。

(图2:运用机械和人工方式从养鸡场内输送废物出口收集再运走,处理废物的成本高、污染大)

德青源农业养殖场蛋鸡存栏量为300万,其日产212吨鸡粪和318吨污水将作为生成沼气的原料、通过沼气综合利用工程,每年可产生700万立方米沼气,通过沼气供热电联合机组发电,年发电能力将达1400万千瓦时,以0.57元/kwh为售价,年可实现售电收入798万元。

该项目具备的节能减排和环保效益十分显著。沼气发电项目建成运行后,实现了鸡禽粪便无害化处理,除减少企业在垃圾和污水处理方面的费用,更保护了生态环境,每年减少二氧化碳排放8.3万吨。同时,沼气装置每年产生的15万吨沼液、6600吨沼渣,将作为有机肥料用于周边果树、蔬菜和玉米种植,并能降低农作物的种植成本。由于该发电机组排烟余热被利用于对沼气发酵罐保温,并向蔬菜大棚及办公楼供暖,德青源农业每年还将直接减少相当于标准煤4500多吨的供热支出约273万元。

如今,沼气发电厂已然演变成德青源农业循环经济体系的核心,开创了集规模养殖、食品加工、清洁能源、有机肥料、订单农业、有机种植为一体的全球领先的循环经济模式。它包括4座3000立方米主发酵罐,1座5000立方米二级发酵罐, 2台1063kw沼气发电机组,实现了热、电、气、肥的联供,每年还为当地500农户提供生活用燃料73万立方米。德青源农业自投资金建设了100亩有机蔬果种植示范区,为当地农户提供有机种植技术示范和技术支持。沼气发电厂发酵剩余的沼液和沼渣,则供应给当地农户,在当地建设、发展1万亩葡萄和2万亩苹果的有机水果示范基地和绿色玉米基地,企业每年可销纳当地产绿色玉米6万吨,使当地农户因此获得收入1亿元。


(图3:沼气发电工程落成)

2009年,德青源农业投资成立了一家生物燃料公司,定位于全球领先的“生物质厌氧处理系统”供应商。这家子公司集生物质能源开发与利用、技术推广与咨询服务、工程设计与设备供应为一体,为客户提供经济、高效的全方位系统解决方案,已经把德青源农业打造可持续发展的生态农业循环经济模式推广到海外。2012年,该公司成功获批“国家循环经济教育示范基地”。 德青源还在黄山种禽基地、北京新发地菜市场等地建设大型沼气工程。

十二五期间,德青源承担了科技部“利用秸秆连续干发酵和沼气提纯压缩实现新农村万户供气关键技术研究及示范”项目研究工作后,组织生物燃气联盟专家陆续攻克了多原料混合发酵、沼气脱硫、脱氧、脱碳、纯化气体高压送气等系列关键技术,开发出一种新的新农村能源解决方案。由此,德青源承担了为延庆39个村庄上万户农户供气的任务,目前已建成以秸秆、沼液、餐厨、果蔬垃圾等混合发酵生产沼气,经纯化、压缩,以CNG运输车为农户供气的“延庆万户绿色燃气供气工程”。这在原国际金融公司能效贷款的基础上,已超越为养鸡场本身用能和治污服务,而是把整个地区作为一个“社区”或“利益相关者”来服务。其技术方案以秸秆、粪便、枝叶、餐厨等混合原料进行发酵生产沼气,沼气经纯化压缩后制成高纯度燃气,用CNG槽车送至村庄中建设的沼气储罐中,再以村内管线输送至农户家中作为清洁能源使用。目前该方案的第一个示范工程项目已在延庆建成投产。工程于2011年9月经北京市发改委立项,总投资1.4亿元,以每天45吨秸秆为原料生产沼气12600m³(可制成98%的纯化甲烷气7560 m³),已一次性解决延庆县张山营镇、康庄镇39个村庄10100户三万农民的生活用气问题。

(图4:CNG运输车为农户供气的“延庆万户绿色燃气供气工程”开始运营)


经济分析—--小账与大账

以下从循环经济的角度来计算私营企业在可再生能源投资上的“小账”和计算国际合作项目投资的“大账”来对比农村生物燃气开发项目的收入产出效率。


德青源农业沼气纯化CNG供气项目(单位:万元)


1.总投资:


2.成本收益分析

由于本工程的福利性质,给农户供气部分由政府补贴建设,故折旧计算时可以不予计入,则年盈利约689.9-415.2=274.7万元。总投资理论上需要14306/274.7=52年收回投资,但因政府补贴到户安装工程费用,企业总投资理论上需要24年收回投资。


亚洲开发银行“农业废弃物综合利用项目”:

该技术援助项目总投资3310万美元,由于不以追求财务利润为目标,其效益评估更倾向于公共产品的正面外部性收益上。在2005-09年五年间,该项目使中国四个省份145个村庄的34,080个农户用上了清洁能源,年减排CO2 84,429吨,使9000个农户脱贫。该项目评估结果显示,与非受益农户相比,受益农户收入增加了86%,薪柴消耗量减少61%,煤消耗量减少30%,妇女家务时间减少40%,农户卫生和健康状况大大改善。河南省的12个养猪场还同时启动CDM试点项目。此外,该技术援助项目的环境影响分析结果计算了污染物减排的货币化收益,即在2005年,该项目的各级合作单位利用现代技术开发和利用的可再生能源量达到5000万吨标煤,产生的环境效益货币化价值超过104亿元。


政策建议

经过以上分析,特别是从经济角度看,由于利用农村废弃物进行生物燃气开发具有公共产品属性,由于初始投入大、运营成本过高,而导致市场上鲜有企业愿意进入该领域。为克服这一问题,政府就需要提供财政支持和补贴。目前生物质能技术的发展还依赖于国家的财税政策的优惠措施,对其产品具有社会普惠的“公共产品”性质,又因为生物燃气的原料成本相对很低且没有进项税,而能产品和服务的销项税也无法抵扣,在能源工程投资巨大的情况下,若向这样的生产商征收增值税是有失公平的。因此,建议政府应予以免征其所得税和增值税。

对农村废弃物向可再生能源综合利用方面转化的视角应该是“立体化”的。比如,农村养殖场屋顶可以在自然条件适宜的地区充分利用太阳能发电技术,用好国家去年刚刚出台的分布式发电补贴政策,在上生物燃气项目时充分考虑当地自然条件,综合利用地源热泵、太阳能、风能等技术,在有其他可再生能源为补充的前提下,可以将优势沼气发电技术或沼气提纯CNG作为专业产品线进行深度开发。

最后,我们在评估这类项目时应该建立一套兼顾直接和间接效益的评估机制。以德青源沼气项目为例,本文列举的都是可见的、可直接测算的经济效益。但这种具有积极环境外部性的项目,还应该运用新的环境经济学的“价值化”方法学对这类项目的影响力进行间接效益评估。比如,因开发了沼气发电和CNG项目,其减排效果对应经济和环境价值德青源农业周边的农户不再燃烧农业废弃物和木材,而减少向空气中排放PM2.5和温室气体带来的间接经济效益包括当地政府因此可减少治理当地大气污染和植树造林的投入和因空气污染治疗呼吸道疾病的公共卫生部门的开支。