農村生物質能源的綜合利用對區域生態經濟系統的影響

楊劍鋒，周芳芳

(鄭州大學 商學院，河南 鄭州 450001 )

我國擁有豐富的生物質資源，理論資源量為50億噸左右.目前，我國每年可利用的農林廢棄物源總量約為5億噸標準煤.農業廢棄物可以通過一定的技術轉換成電力，即將農業廢棄物原料進行干燥、粉碎，然后經冷態壓縮形成農業廢棄物顆粒，以這些顆粒為燃料進行發電[1].隨著國家電力體制對清潔能源發展改革的大力支持以及煤炭價格的不斷攀升，清潔能源的發展已成為未來的總趨勢.因此，在國家激勵清潔能源發展的背景下，農業廢棄物顆粒氣化發電技術極為符合國家能源結構調整的方向，所以有必要對清潔能源進行進一步的規劃和綜合利用.

系統動力學是美國麻省理工學院的Forrester[2]教授于20世紀60年代創立的. 20世紀70年代初，他與來自各國的專家在羅馬俱樂部構建了一個能夠預測未來發展的世界模型，他們在該模型中重點研究了人口、農業、資源、工業與污染等決定增長的五大因素的變化趨勢，并由模擬運算的結果編寫了著名的《增長的極限》[3]一書.世界模型的提出，為其后全球可持續發展戰略的提出奠定了基礎，也為這類復雜大系統的模擬實驗提供了一種工具.時至今日，系統動力學已經被廣泛地用于各種微觀和宏觀系統[4-5]，小的如產品開發、企業管理、經濟效益分析等，中等的如行業、城市規劃等，大的則有國家模型和全球模型.系統動力學之所以發展得如此迅速，另一個原因是它在開始發展之初就擁有自己的計算機軟件工具，如初期的DYNAMO、DYSMAPZ等[6-7].近年來，麻省理工學院又開發了在WINDOWS環境下運行的直觀方便的圖形化VENSIM軟件工具[8]，這些軟件都有助于加強研究者和決策者之間的聯系.本研究應用系統動力學知識和VENSIM軟件來分析農村生物質能源的綜合利用對區域生態經濟系統的影響，為當地政府的能源規劃提供了依據.

1 系統動力學在農村能源中的應用

1.1 因素分析

農業廢棄物顆粒燃料在工作情況下基本能夠燃盡，而煤不能燃盡，所以前者的熱效率更高.顆粒燃料的著火性比煤好，易于點火，大大縮短了火力啟動的時間.顆粒燃料運送到發電廠后可直接應用，幾乎不再需要加工，而煤炭運到發電廠后需要用球磨機對煤進行研磨以后才可以使用，這增加了使用過程中的電耗，所以利用農業廢棄物顆粒燃料氣化發電、直燃發電或者與煤混燒發電都有很好的發展前景.顆粒燃料與煤的對比見表1.

表1 煤和顆粒的對比Tab.1 The comparison between coal and particle

本研究在能源規劃上引入了顆粒發電這一變量，通過對顆粒和電煤之間關系的研究來規劃能源結構.

表2 2010年平頂山市農村生活用能Tab.2 Rural household energy in Pingdingshan in 2010

以平頂山市農村能源生態工程的建設為基礎，結合該地區社會、經濟和環境的發展，利用系統動力學的仿真模型來研究該地區能源的綜合利用和規劃，2010年該地區能源結構的初始狀態見表2.

1.2 平頂山市能源建設的系統動力學模型

1.2.1 系統因果關系圖

以河南省平頂山市的農村清潔能源為研究對象，確立了清潔能源開發利用的研究方法.首先，將清潔能源開發模擬與分析系統簡化為沼氣、太陽能、電力、秸稈利用量這些狀態變量，找出影響這些變量的主要因素，利用系統動力學原理，描繪出這些變量之間相互依存、相互作用的因果關系圖，見圖1.

圖1 SD流圖因果關系示意圖Fig.1 Sketch map of the cause and effect of SD flow graph

圖2 能源系統流圖Fig.2 The flow graph of energy

平頂山市農村的生活用能主要由太陽能、沼氣、電力、液化氣、家用煤、薪柴等構成.沼氣、太陽能、電力和液化氣作為清潔的能源，每年以某種速率增長，而薪柴和家用煤則因為清潔能源的增長而被逐漸替代.隨著煤炭資源的減少、價格的增高以及煤炭帶來的環境污染，作為電力主要原料的煤炭逐漸被清潔的顆粒能源所替代.雖然煤炭的用量每年都在增加，但是由于顆粒供應的價格優勢，煤炭逐漸被替代，見圖2.

1.2.2 模擬結果

由模擬的結果圖(見圖3)可以看出，農村生活的總供能逐年遞增，作為燃料的薪柴和家用煤逐年減少，由家用煤+薪柴+電力+液化氣的模式變為沼氣+太陽能+電力+液化氣的用能模式，用能效率得到了提高，獲得的有效能也相應增多.

圖3 模擬圖Fig.3 Simulation graph

顆粒的使用量是逐年遞增的，由2010年的35 521 t標準煤增長到2020年的186 773 t標準煤.這么大幅度的增長是因為國家在政策上鼓勵使用顆粒燃料，因為顆粒燃料的規模化發展從根本上保護了國家利益，比如保護環境、節能降耗、調整能源結構、保證國家的能源安全和生態農業的可持續發展以及減排CO2所帶來國際上的碳匯補償等，所以在未來的時間里顆粒將會被大量使用.

2010年，薪柴占農村生活用能消費總量的12%.隨著清潔能源的開發利用，清潔能源逐步替代了作為燃料使用的薪柴，薪柴的使用將逐漸減少，最終被清潔能源完全替代.從圖3中可以看出未來薪柴使用的走勢，在2010年薪柴作為燃料使用量為93 208 t標準煤，清潔能源實施后，作為燃料使用的薪柴逐步減少，到2020年減少為58 379.8 t標準煤.雖然電煤的使用是逐年增加的，但因為顆粒對煤炭有一個替代作用再加上顆粒的使用量逐年大幅增加，所以電力用煤量由2010年的263 585 t標準煤降到2020年的178 380 t標準煤.隨著越來越多的家用電器進入農村家庭，農村的電力消耗在逐年提高.2013年之后，電力增長幅度的加大是因為顆粒燃料的規模化生產發電使得電價維持在一定的水平不變，生活用能更傾向于使用電力.

2 政策模擬

政策模擬是系統動力學提高的一個重要分析工具，它通過改變系統中某些因政策變化而引起的變量的變化來分析該政策對系統輸出結果的影響.

2.1 增加顆粒生產的秸稈用量

一項針對農戶對各種能源態度的調查(見表3)顯示，農戶比較喜歡使用秸稈，但過多使用秸稈不僅會造成環境污染，而且使得秸稈用于生物能源方面的比例下降.為了改善這種情況，政府可以采取一些措施，如制定秸稈禁燒管理制度、發展專業合作經濟組織和農民經紀人隊伍、制定優惠政策鼓勵農戶多使用電力等，這些政策可以使用于顆粒和沼氣生產的秸稈比例得以提升，進而減少電力用煤量、提高電力供應量.

表3[9] 農戶對不同能源的態度Tab.3 Farmers′ attitude towards different energy sources %

目前，平頂山市只有6%的農村秸稈用于顆粒和沼氣的生產，如果政府給予政策上的支持，該比例可提升至10%[10]，產生的結果如圖4所示.

圖4 秸稈利用率改變后的模擬圖Fig.4 Simulation graph of changing the straw utilization rate

2.2 加大對顆粒生產廠家的補貼力度

通過價格補貼，增強顆粒燃料與常規能源的競爭力，減少農民的能源支出，刺激農民的能源消費，促進顆粒燃料的規模化生產.一個關于“農戶能源不夠用如何處理”的調查問卷[11]顯示，5.6%的農戶會“減少能源使用”，11.3%的農戶選擇了“自己收集更多的生物質能源”，高達39.1%和32.7%的農戶選擇了“買煤”和“買電”. 如今，煤的價格一直上升而顆粒燃料的價格和顆粒發電的價格在逐漸下降，農戶更傾向于選擇電和顆粒.據調查分析，當煤的價格上升、顆粒價格不變(320元/t)時，顆粒對煤的替代率為50%，如圖5所示.由圖5可以看出，顆粒對煤炭的替代率提高以后，電力的供應量顯著增加而電力用煤明顯減少.

圖5 改變替代率后的模擬圖Fig.5 Simulation graph of changing the substitution rate

3 結論和建議

根據平頂山市農村地區能源供應和消費的歷史及現狀，運用系統動力學的原理和方法，從清潔能源開發促進農村社會、經濟、環境和生態的協調發展出發，對該地區清潔能源的開發利用及相關問題進行了系統模擬，可得出以下結論：

(1)清潔能源的開發利用可以減少石化燃料的開發，可以替代薪柴、家用煤等非清潔能源，可以使農村生活用能的消費結構得到優化，即由2010年的家用煤+薪柴+電力+液化氣的模式變為2020年的沼氣+太陽能+電力+液化氣的模式.在生態環境方面，清潔能源替代了非清潔能源，使得環境得到了優化.

(2)在系統模擬中，用高效率的清潔能源替代了傳統的低效率能源，使農村的用能效率得到了提高，進而使農戶獲得的有效能得到了提高.

(3)政府的政策導向在清潔能源的開發中很重要，通過兩個方案的政策模擬可以看出，無論是秸稈在顆粒利用率方面的提高還是顆粒價格的降低都需要政府在政策上給予支持，政府的政策支持所帶來的效果是顯著的.

參考文獻：

[1] 河南省科學院能源研究所.農業廢棄物能源化預處理技術研究與示范[R].2009.

[2] Foruester Jay W.Industrial Dynamies[M].Boston：The MIT Press，1961.

[3] 許新宜.增長的極限[M].董全，譯.北京：科學技術文獻出版社，1984.

[4] 國務院經濟技術社會發展研究中心.中國經濟的發展與模型[M].北京：中國財政經濟出版社,1988.

[5] 王慧炯,李泊溪,李善同.中國實用宏觀經濟模型1993[M].北京：中國財政經濟出版社,1993.

[6] 王其藩.系統動力學[M].北京：清華大學出版社,1993.

[7] 王洪斌.系統動態學教程[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社,1990.

[8] Vensim.Ventana Simulation Environment[R].1995.

[9] 王效華.江蘇揚中農村生活用能分析[J].農業工程學報，1994(12)：102-107.

[10] 河南省發展和改革委員會.河南省秸稈綜合利用規劃(2009-2015年)[R].2010.

[11] 婁博杰.農戶生活能源消費選擇行為研究[D].北京：中國農業科學院,2008.