生物质能源替代化石能源的成本有效性拓展模型——基于时间价值视角

(1.南京林业大学 经济管理学院,江苏 南京 210037;2.南京大学 长江三角洲经济社会发展研究中心,江苏 南京 210093; 3.国家林业局林产品经济贸易研究中心,江苏 南京 210037)

生物质能源替代化石能源的成本有效性拓展模型
——基于时间价值视角

耿爱欣1,3,杨红强1,2,3

(1.南京林业大学 经济管理学院,江苏 南京 210037;2.南京大学 长江三角洲经济社会发展研究中心,江苏 南京 210093; 3.国家林业局林产品经济贸易研究中心,江苏 南京 210037)

生物质能源替代化石能源是缓解温室效应的有效途径。基于生命周期思想梳理能源系统替代使用减排效益与成本核算的边界;根据全球变暖与时间跨度关联理论归纳并改进评估方法,将不同阶段的排放转化为与折现成本值在同一时间基础上的等效值,对传统方法赋予时间价值;对能源排放成本支出的数理结构进行逻辑梳理,结合不同情景进行拓展模型构建。拓展模型兼顾生态与经济效益在时间上的一致性与可比性,更加科学地为生物质能源替代减排成本有效性评估提供理论依据。

生物质能源;替代减排;成本有效性;时间价值;拓展模型

1 引言

森林与林产品(HWP)在缓解全球气候变暖中扮演着极其重要的角色。森林通过光合作用吸收大气中的二氧化碳,HWP作为森林资源利用的延伸,尤其是耐用HWP可视为“碳储存器”,能将森林固定的碳长期保存。废弃HWP通过填埋方式不分解或缓慢分解来减缓碳排放[1,2]。然而,木材不仅自身碳储量可直接看作对碳清除的贡献,还可进一步通过替代减排来缓解气候变化。一方面,木质生物质能源化的使用可减少化石能源消耗;另一方面,HWP能替代能源密集型材料,减少加工与使用过程中对能源的消耗而减少温室气体排放。目前木质生物质能源替代减排潜力逐渐受到关注,IPCC2007年将其作为林业部门缓解温室效应的有效途径。我国学者对人造板产业发展建立模型并推测得到2015年循环利用木材废弃物可直接替代937万t化石燃料(标准煤),减少的CO2排放量相当于辽宁省1年的森林碳量,木材对能源的替代使用对应对气候变化具有重要的现实意义[3-5]。

减缓气候变化的措施在实现限制全球气温上升的同时,需要避免由此带来的经济社会损失。选择木质生物质作为一种替代能源时,不仅要强调生态意义,还需要考虑其经济意义。森林采伐以及HWP的生产加工需要物质能源和资金设备投入,在不同的替代方式、替代对象下减排效益及其减排成本存在巨大差异,且不同地区由于木材种类、能源消费结构不同,相同的减排收益付出的经济代价也各不相同,成本有效性的研究有利于将有限的资源进行合理的分配,实现效应最大化。大量研究通过量化以每减排1t温室气体的相关成本来评估替代减排的成本效益[6,7],如Zhang等认为木质生物质能源的使用与替代燃料相比具有低成本竞争优势,但这一结论是在“碳中性”前提下得出的[8]。部分学者认为这种做法不能即刻减少二氧化碳排放,木质燃料燃烧时将碳一次性释放到大气中,若这些木质生物质不进行能源化使用,木材中储存的碳会随着时间推移自然分解而缓慢释放到大气中,替代减排效益取决于这部分碳被森林重新吸收时期的长短[6,9],时间因素成为争议产生的主要原因之一。

研究木质生物质燃料的替代减排成本可根据成本支出评判合理的减排目标和政策选取,确保减排行动不与社会经济健康发展目标相矛盾。之前的研究在评估温室气体减排策略成本效益时普遍忽视或简单化处理时间因素的影响,目前的评估方法未将时间因素考虑在内。研究基于国际间生物质能源替代减排科研进展和减排的成本有效性分析,从时间价值视角对传统评估方法进行归纳与改进,分别对生命周期过程中的生物质能源排放、化石能源排放、成本支出的数理结构进行逻辑推导并赋予逻辑表达,结合不同情景下生物质能源替代化石能源的减排成本有效性运行机理,构建基于时间价值的成本有效性核算拓展模型,以期为生物质能源替代减排的成本有效性评估提供更加科学的理论依据。

2 系统边界

2.1 生命周期与成本界定

分析生物质燃料替代化石能源的减排成本有效性,需要采用完整生命周期思想来估计不同能源系统下的减排效益与减排成本。20世纪70年代中期,生命周期分析(LCA)的思想引入木制品的生产过程,由仅关注加工过程的能源消耗逐步扩展到木质品的整个生命周期,将全过程所涉及的资源、能源消耗和环境影响问题进行定量评价[10,11]。同理,减排成本分析考察的范围也应全面,生命周期过程中每一阶段的相关输入和输出都应包含在本计算中,即生命周期成本概念。

随着生命周期评价方法日益成熟,加上经济投入—产出生命周期评价的发展,生命周期思想不仅用于定量评价产品环境影响,还可将生命周期成本因素考虑在评价指标中。生命周期成本是指与产品系统生命周期有关的所有费用的总和,它可用来比较不同投资决策下的成本效益[12,13]。从广义上讲,生命周期成本不仅包括整个生命周期的内部成本,还涵盖了外部成本，因此在对研究对象进行生命周期分析时,首先需要根据研究主体与研究目的对生命周期系统边界做出适当的界定[12,14](图1)。

研究针对木质生物质燃料对化石能源的替代使用,将不同能源系统下资源、能源消耗、环境影响和经济性进行对比分析。不同能源生产使用导致的能耗和排放取决于各自的生命周期。化石能源的整个生命周期主要包括原材料的采选、运输和使用直至废弃物处理;木质生物质燃料的生命周期始于植林、采伐、原材料收集和储运,经由木质燃料加工厂的加工生产和运输,直到木质燃料使用阶段与最终处置。化石能源与木质燃料的生命周期成本则由生命周期过程中各阶段的成本组成,包括从原材料获取到生产使用过程中消耗的各种原材料、辅助材料、燃料、动力设备、外购半成品等费用,运输设备、机器的修理费用、定期维护和设备更新等相关费用,以及人工费用、运行费用、最后处置费用在一段时间内现值的总和[15]。

2.2 成本分担

不同能源系统生命周期分析量化评估的是解决同样最终使用性能下的能耗与各种环境问题,生命周期成本考察的是能源系统使用决策的成本和收益,是生命周期中发生的所有支出的集合。但在社会层面上,生命周期成本的承担者由不同的角色组成,从决策、供应或消费的角度出发,将成本承担者分为供应者成本、使用者成本和社会成本三个层次[16]。从表1可见,社会成本是产品生产制造、运输使用到废弃处理生命周期各个阶段产生的成本之和。其中,供应者承担的成本所占较大,包括生产阶段、营销阶段所发生的相关费用;使用者承担的部分则是使用成本和废弃处理成本,这两者之间没有绝对界限,因此在界定成本边界时需要树立符合研究范围的成本观念。

表1 生命周期成本承担者角色构成

图1 LCA与LCC系统边界流程

3 PCE核算模型

3.1 PCE核心思想:成本有效性与时间价值

传统的成本有效性(CE):生物质能源对化石能源替代减排的成本有效性衡量的是木材对其他材料进行替代后单位碳减排量的成本,即每吨温室气体减排成本的一种表达[17],可在多种能源选择时作为比较依据。由于能源生命周期过程中的碳排放与成本支出发生在不同时间点上,成本有效性核算是一个极为复杂的过程,既需要估计总减排效益,又需要核算替代使用后不同能源系统下的总成本差异。不同时间点成本的核算可依据货币的时间价值进行折现加总,而总减排效益评估一直以来是研究的热点。传统的减排成本有效性评估不考虑生命周期中温室气体发生的时间点而进行简单加总,忽略时间因素对缓解气候变化的影响[6,18],核算方法可表示为:

(1)

式中,CE表示减排的成本有效性;△C表示两个不同能源系统之间的成本差异,其中Cff表示化石燃料使用的成本,Cwood表示木质燃料使用的成本;GWI表示两个不同能源系统的生命周期排放造成的温室效应差异,用一种通用单位表示(tCO2eq);GWIff、GWIwood分别表示化石燃料与木质燃料排放造成的环境影响。

分子上成本的核算方法为:

(2)

式中,C表示贴现成本;Ct为时间t发生的成本支出；p表示贴现率。分母上温室气体排放的核算较复杂,能源的开发、制造与使用过程中会产生二氧化碳、甲烷、氮氧化物等多种温室气体,不同温室气体对地球温室效应的贡献程度不同,政府间气候变化专门委员会(IPCC)采用“全球变暖潜能”(GWP)概念,反映不同温室气体的相对强度。即某一单位质量的温室气体在一定时间内相对于CO2的累积辐射强迫(从开始释放某单位温室气体起,相对于同条件下释放单位二氧化碳对应时间积分的比值)[19,20],以估测混合温室气体排放对气候系统的潜在影响。

(3)

式中,GWPi表示能源使用产生的温室气体i在一段时间内相对于二氧化碳单位质量的辐射强度;T是计算时的评估期间长度;ai、aCO2分别表示单位温室气体i与CO2的辐射效率;Ei(t)、ECO2(t)分别表示单位温室气体气体在t=0时释放到大气后随时间衰减的大气负荷。在传统核算方法下，温室气体总排放产生的温室效应可表示为:

(4)

式中,GWI为能源使用生命周期过程中不同温室气体在一段时间内产生的温室效应之和;gi表示温室气体i的清单结果。传统核算方式通常选取某一时间跨度为研究区间(如20年或100年),因此GWP衡量的是某一固定时期内温室气体的累积辐射效应,而不同温室气体的影响周期并不相同,会产生一定的误差[20,21],许多学者考虑到时间因素的影响,选择动态GWP评估不同温室气体的温室效应[22]:

(5)

式中,GWI(T)表示能源生命周期(T)过程中不同温室气体在不同排放时间对全球变暖产生的不同影响之和;当t=T时,将时间T时产生的全部排放量乘上GWP(0),加上t=T-1时将时间T-1时产生的全部排放乘上GWP(1)之值,一直加到时间0时产生的全部排放乘上GWP(T)为止。

改进的成本有效性(PCE):尽管考虑到了排放产生的时间差异并对方法进行了改进,但这里的“时间”针对的是不同温室气体随时间的动态变化,没有完全体现时间价值在减排效应中的影响。Levasseur等对不同的排放时间赋予权重，以此比较温室气体排放的总效应:

(6)

式中,GHGt表示t年温室气体排放总量；r表示贴现率(当r=0时,为通常意义上的假设,即不考虑时间因素,对所有碳排赋予同样的权重)。很多学者对这种非经济效益的时间价值核算方式提出了质疑,但并不否认时间因素的意义。Mckechnie等在前人研究的基础上提出当前等效排放的概念,即在分析时段内某温室气体在t时排放产生的温室效应相对于当前CO2排放效应的等效值,由式(7)表示：

(7)

式中,P(GWPi)t为能源使用产生的温室气体i在时间t排放相对于当前CO2单位质量的辐射强迫；其他指标含义同式(2)。

考虑时间价值的GWI为式(8):

(8)

通过对国际间生物质能源替代减排科研进展的总结,在众多学者研究的基础上,考虑到时间因素将减排有效性评估改进为:

(9)

式中,PCE表示考虑到时间因素的成本有效性;P(△GWI)表示不同能源系统之间温室气体排放差异造成环境影响等效到当前时间的量。

改进的成本有效性不但继承了传统成本有效性对替代减排经济意义的探讨,在生态效益与经济效益的双重指示作用下对能源系统的替代使用进行衡量,并且对传统核算方式存在的缺陷进行了改进,即从时间价值视角准确量化温室气体排放时间对气候变化产生的影响。与传统方法相比,PCE将减排效益推导为与成本折现值在同一时间基础上的等效值,使生态效益与经济效益具有时间上的一致性与可比性,更加科学地反映了时间因素对减排效益的影响,为成本有效性评估提供了理论依据[6,21]。

3.2 PCE模型系统

PCE模型评估不同能源系统替代使用后总的减排效益与总的成本支出,以量化每单位温室气体的减排成本。模型系统包括生物质能源排放核算子系统、化石能源排放核算子系统和成本核算子系统。其中,生物质能源排放核算子系统和化石能源排放核算子系统衡量的是生物质能源替代化石能源后整个生命周期内温室气体排放减少量对环境产生的影响,即仅考虑温室气体的减排效益。由于数理结构的差异,在评估减排效益时需要将生物质碳排放与化石能源排放进行区分。成本核算子系统衡量的则是能源系统替代后全部费用支出差额一段时间内现值的总和。

生物质能源排放核算子系统:以往的大量研究将“碳中性”作为生物质能源替代减排研究中的前提假设,忽略了长期森林碳库的变动。本研究基于时间价值的考虑,根据能源的不同来源对生物质中的碳分类进行了探讨。林木生物质能源包括以直接燃烧为主的传统林木质燃料(薪材)和其他可用的木质生物质能源(通过现代生物质技术进行的转化生产)[23]，主要分为:活立木采伐物、森林生长剩余物、林产品生产剩余物[1,24]。

核算框架由两个模块组成:一是生物质能源的燃烧使用,所含碳量会一次性释放到大气中;二是森林碳库的变化,即生物质能源收集使用后森林碳库随时间的变化[25]。森林碳库的变化分析需要预测比较生物质能源使用前后的情景(假设使用前为基准情景),若生物质能源来自于活立木的采伐,假设森林采伐后没有再造林,林木中的碳按其自然生长规律(生长、自然干扰、枯死等)变化,则森林碳库的变化为所选取的研究时间跨度内在基准情景下森林碳库增长的累积值(考虑时间因素后的“折现值”,下同)与森林采伐后碳库增长累积值的差额;若生物质能源来源于剩余物的收集(生长、生产剩余物),则森林碳库的变化无需考虑林木的生长变化(因为该情景下森林经营与采伐活动是为了林木生长或林产品生产,并没有考虑生物质能源的使用价值,不计入生物质能源的核算)[6,25],只需考虑剩余物中碳含量的变化。假设没有能源化使用的木质剩余物在森林中自然分解,则森林碳库的变化为所选取的研究时间跨度内剩余物自然分解的碳“贴现值”与所含碳量的差额。

图2 生物质碳与化石能源排放核算框架机理

化石能源排放核算子系统:生物质能源与化石能源的生命周期过程中会消耗大量的原料、能源,释放温室气体,结合不同能源系统自身的特点,根据其流程相似处归纳为几个环节:原料开采、运输、能源制造、能源使用、废弃处理全过程物质和能量的消耗(图2),则全生命周期总排放的温室效应可由式(10)表示:

P(GWITol)=P(ΣGWIj)=P(GWIextra+GWItrans+GWImanu+GWIuse+GWIdis+GWIoter)

(10)

式中,GWITol表示生命周期总排放造成的环境影响;GWIextra表示原料开采阶段总排放造成的环境影响;GWItrans表示运输阶段总排放造成的环境影响;GWImanu表示能源制造阶段总排放造成的环境影响;GWIuse表示能源使用阶段总排放造成的环境影响;GWIdis表示废弃处理阶段总排放造成的环境影响;GWIother表示其他环节排放造成的环境影响;j表示生命周期不同环节。各个阶段的排放由不同能源的消耗造成:

P(GWIj)=P(ΣGWIjk)=P(ΣGWIcoal+GWIoil+GWIgas+GWIother)

(11)

式中,GWIcoal表示煤炭使用造成的环境影响;GWIoil表示石油使用造成的环境影响;GWIgas表示汽油使用造成的环境影响;GWIother表示其他能源使用造成的环境影响;k表示不同能源的消耗。能源消耗造成的不同温室气体排放量用g表示:

gi(t)=ΣMk×λki

(12)

式中,gi(t)为生命周期过程中时间t时温室气体i的排放量;M为第k类能源的消耗量;λki为第k类能源的温室气体i的排放系数。根据不同能源系统的生命周期清单分析得到不同阶段消耗的能源与燃料,再通过不同能源的温室气体(不包括生物质碳)排放系数将能源的消耗量转换为温室气体的排放量,再结合以上对成本有效性的分析,将不同时间点上温室气体的排放造成的温室效应转换为0时的等效量(CO2eq),则生物质能源替代化石能源的环境效益可用两者的差额表示(P0-P1或P0-P2)。

成本核算子系统:与化石能源排放的核算数理结构相同,社会承担的生命周期成本由其生命周期过程中各阶段成本构成,即生命周期过程中每一阶段相关的输入和输出都包含在成本计算中:

CTol=ΣCj=Cextra+Ctrans+Cmanu+Cuse+Cdis+Cother

(13)

式中,CTol为生命周期总成本;Cextra为原料开采阶段总成本;Ctrans为运输阶段总成本;Cmanu为能源制造阶段总成本;Cuse为能源使用阶段总成本;Cdis为废弃处理阶段总成本。不同阶段成本构成为:

Cj=ΣCjs=CM+CEn+CT+CEq+Cother

(14)

式中,CM表示直接原料成本;CEn表示能源成本;CT表示运输成本(直接材料、半成品的运输);CEq表示设备成本;Cother表示其他成本(如人工成本、租用成本等);s表示不同成本组成成分。生命周期成本的不同承担者各自承担不同的份额,需要根据研究主体与研究目的对成本做出适当的界定。

3.3 模型总系统及运作机理

根据上述对生物质能源排放、化石能源排放、成本支出数理结构三个子系统的梳理与赋值,结合不同情景下生物质能源替代化石能源的减排成本有效性运行机理,整理得出基于时间价值的PCE拓展模型见图3。

PCE模型的运行为评估每单位温室气体的减排成本。核算总的减排效益与总的成本支出,首先需要评估不同能源系统在使用时各自产生的环境影响与成本支出。在生物质能源系统中,生物质能源使用造成的环境影响有:根据生命周期清单分析得到不同阶段消耗的能源与燃料;然后通过不同能源的温室气体(不包括生物质碳排放)排放系数将能源的消耗量转换为温室气体的排放量;生物质碳排放则要根据能源来源的不同分类讨论,来源于能源林的生物质在核算时与森林自然生长情景进行比较,来源于剩余物的生物质在核算时与自然分解情景进行比较;最后在PCE的思想下根据全球变暖潜能,将不同时间点上温室气体排放造成的温室效应转换为基时的等效量,得到总的环境影响。生物质能源使用过程的成本支出则由生命周期成本清单分析得到不同阶段的输入和输出费用构成,根据资金的时间价值将现金流进行折现,得到总的成本费用。化石能源系统这两部分的核算与生物质能源原理相同,假设造成的总温室效应为P0,总成本支出为C0,减排成本有效性PCE则可由生物质能源的成本支出对C0的差额与环境影响对p0的差额之比表示。

图3 PCE模型系统运行机理

4 结论与讨论

4.1 结论

本研究论证了生物质能源替代化石能源的减排成本有效性在时间价值上存在的争议,归纳了国际间替代减排和成本效益分析的科研进展,对传统的成本有效性核算方式进行改进,将减排效益推导为与成本折现值在同一时间基础上的等效值,使生态效益与经济效益具有时间上的一致性与可比性,为构建生物质能源替代化石能源的减排成本测度模型给予逻辑与方法支持。

在核算模型的环境效应评估部分,本文摒弃了传统“碳中性”前提假设,考虑了基于时间因素影响下森林与林产品之间的碳流动研究,根据能源的不同来源对生物质中的碳排放核算机理进行分类讨论。核算框架由生物质能源自身碳排放和生物质收集使用后森林变动碳库两个模块组成,能源林采伐涉及森林碳库的相关变化,即采伐前森林碳库增长的累积值与森林采伐后碳库增长累积值的差额;若生物质能源来源于剩余物的收集,则森林碳库的变化为所选取的研究时间跨度内剩余物自然分解的碳“贴现值”与所含碳量的差额。

对其他温室气体以及化石能源产生的CO2和成本支出则运用生命周期理论思想进行量化评估,减排效益的量化需要核算全生命周期过程中物质和能量消耗导致的温室气体排放量，而各阶段成本支出的集合是由不同的承担者组成,需要在研究范围内对成本边界做出适当界定。

4.2 讨论

温室气体过量排放引发的气候变化问题日益严重,越来越多的国家开始采取环境措施应对这一全球化问题,采取合适的政策手段在实现减排的同时促进我国经济健康发展是一个紧迫而值得研究的问题,以价格控制为特征的碳税政策和以数量控制为特征的碳排放交易机制凭借市场机制不断受到关注[26]。生物质能源的替代减排成本对减排目标评判和政策选取具有重要的指导意义,PCE方法不能完全准确地量化温室气体排放时间对气候变化产生的影响,但考虑到时间因素的影响能更好地为评估和预测减排成本有效性提供科学依据。

由于碳交易和碳税仍是个新生事物,是否适用于我国还需要进一步地研究。经典理论认为:当因为控制污染而导致减排成本急剧上升时,实施碳税政策能使减排主体避免不可预测的减排成本;而在环境问题恶化时,碳交易是合适的选择[26,27]。

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ConstructionofCost-effectivenessModelofGreenhouseGasMitigationbyReplacingFossilFuelswithBioenergy——FromthePerspectiveofTime-value

GENG Ai-xin1,3,YANG Hong-qiang1,2,3
(1.College of Economics and Management,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China; 2.Center for Changjiang River Delta′s Socioeconomic Development,Nanjing University,Nanjing 210093,China; 3.Research Center for Economics and Trade in Forest Products,SFA,Nanjing 210037,China)

The use of bioenergy was considered an essential alternative to fossil fuel consumption,thereby reducing greenhouse gas (GHG) emissions.This paper summarized and improved the accounting method from the perspective of time-value,establishing the cost-effectiveness model,which evaluated the cost-effectiveness of emission reductions.For this purpose,first of all,this paper combed the system boundary of greenhouse gas emissions and cost expenditures based on the life cycle assessment method.Secondly,according to the theories on the global worming potential and time-value,this paper summaried and improved the accounting model,translated the emissions occurring over time to an equivalent present emission which was similar to the time value of money,setting time value upon conventional cost-effectiveness calculations.Finally,this paper analyzed the mathematical structure of greenhouse gas emissions and cost expenditures according to the logical combing,combining operation mechanism of the cost-effectiveness in different scenarios to establish the cost-effectiveness model.Compared to conventional life cycle assessment and cost-effectiveness approaches,the assessment of ecological benefits and economic benefits had more similarities and comparability with considering the time-value,which were able to better offer more scientific theoretical support for the evaluation of cost effectiveness.

bioenergy;emission reduction; cost effectiveness;time-value;developed Model

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.05.005

TK6；X196

A

1005-8141(2017)05-0533-07

2017-03-17；

2017-04-25

国家社科基金重点项目“应对气候变化的中国林业国家碳库构建与预警机制研究”(编号:14AJY014);教育部人文社会科学研究规划基金项目“IPCC气候框架下中国林产品国际贸易的碳流动问题研究”(编号:13YJAZH114);江苏省高校“青蓝工程”中青年学术带头人项目(编号:2012-12#)。

耿爱欣(1993-),女,山东省诸城人,博士研究生，助理研究员,主要从事气候变化与林产品贸易研究。

杨红强(1971-),男,陕西省渭南人,博士,博士后研究员,教授,博士生导师,国家林业局林产品经济贸易研究中心副主任,主要研究方向为林产品贸易与环境。