天津市纖維素乙醇替代傳統化石能源費用效益分析

□ 馮 炘 李 玲 解玉紅

一、研究背景

能源是一個城市或地區經濟發展的基礎，天津市能源消費總量呈現逐年上升的趨勢，且年增長率較大;能源消耗主要集中于高耗能、高污染的重工業和制造業。盡管天津市實施一系列措施促進新能源的開發和利用，以改善能源利用結構，但能源消費效率的提升仍舊有限。天津市能源生產結構較為單一，能源生產以石油為主，平均占到每年生產總量的95%;天然氣占5%［1］。2010年后，天津市加大新能源的開發和利用，盡管風能、太陽能等新能源的比例有所增加，但年生產量不足1%。從天津市的能源消費結構來看，天津市能源消費主要為煤炭和石油，天然氣等清潔能源使用量不足5%。因此，研究纖維素乙醇替代傳統化石能源，探索纖維素乙醇的發展開發利用具有重要意義。

二、研究方法

(一)彈性系數法。采用彈性系數法對天津市能源消費量進行預測。

(二)費用效益法。應我國可持續發展戰略的要求，我國的所有項目均應盡可能地符合可持續發展的要求，纖維素乙醇的開發利用同樣如此。纖維素乙醇的開發利用不僅僅是個環境問題，同樣也是社會和經濟問題，單純地只考慮某一方面，都不能客觀評價纖維素乙醇與傳統化石能源的優劣。為了客觀全面地分析天津市農業固體廢棄物秸稈合理的資源化開發利用形式，從而對秸稈的開發利用提出指導意見，本文以秸稈作為研究對象，通過費用效益法對秸稈的三種能源化利用途徑進行分析，對比分析后得到秸稈能源化利用的開發方向，以此提出天津市秸稈資源化的開發策略。

三、能源消費量預測

對于一個地區而言，其能源消費量和GDP之間必然存在相關性，可用一定的函數關系來描述它們。模型建立過程中采用的數據是從1986年至2009年為止的24年的生產總值和能源消費量，數據來源于《2010年天津市統計年鑒》［1］。由年鑒可以看到1986年至2009年，可比價GDP呈穩步上升的趨勢，與之相應的能源消費量也在不斷增加。通過彈性系數法模型預測后，得到的2011年～2020年的可比價GDP和能源消費量如表1所示。由表1可知，可比價GDP和能源消費量都在逐年上升，并且隨著經濟的發展，能源消費量增長率逐年增加，但GDP增加的幅度比能源消費量增加的幅度大很多，因此，能源強度逐年遞減，和天津市目前逐步加大對第三產業的投入、加大對新能源的研發力度以及即將到來的2018年從俄國引進天然氣的政策相符合。

表1 2011年～2020年的可比價GDP和能源消費量

四、纖維素乙醇替代傳統能源的費用效益分析

在對化石能源進行費用效益分析時，除了要考慮熱值和硫分外，還要綜合考慮經濟效益、環境效益和社會效益。因此選取了硫分、熱值、市場售價、開發成本、運輸成本、各環境污染物單位排放量以及各種能源相對煤炭的環境污染物削減率作為評價指標，對天津市各種能源消費及纖維素乙醇進行分析。其中，天津市煤炭主要來自于內蒙古和山西，運輸成本中距離以天津距內蒙古和山西的平均距離為準;石油的運輸距離以天津市南北最長189公里為準。根據調查可知，其中60%采用鐵路運輸，運費為120元/噸;40%采用公路運輸，運費每噸300元。計算可知，煤炭每噸運輸成本為192元，石油每噸運輸成本為80元，具體費用效益分析情況見表2。

(一)環境污染排放物方面。從環境污染排放物來看，1噸煤炭燃燒產生 SO211．5kg［2］，SO2排放因子取 81．3%［3］，石油硫分取世界加權平均硫含量，約1．2%［4］，1t石油可產生CO23．524t，石油的單位 CO 排放為 0．167kg/t［5］，單位 NOx排放為7．24kg/t［6］;而纖維素乙醇全生命周期中的 SO2主要來自秸稈運輸期間石油的使用，每生產1t秸稈大致產生0．04kg SO2，NOx 排放為 0．0825kg，CO 排放量為0．0321 kg，CO2排放量為0．6935t/t;1噸煤炭燃燒產生 CO 2．22 kg，CO2為2．532 t;天然氣的密度大致為0．68066 kg/m3，每立方米天然氣燃燒釋放的CO2約為3．46kg。

(二)環境排放物方面。從環境排放物來看，產生等量的能量時，以煤炭的排放量為基準，對SO2排放量而言，石油削減47．8%，天然氣削減99．15%，纖維素乙醇削減約99．9%;碳氫化合物石油比煤炭增加1．9%，天然氣和纖維素乙醇均削減99．9%;從氮氧化物來看，石油削減63．6%，天然氣削減88．57%，而纖維素乙醇削減99．6%;由于CO主要由不完全氧化造成，石油對CO削減率為96．2%，天然氣為89．75%，纖維素乙醇為99．4%;CO2排放量中，石油削減率為30．4%，天然氣為25．97%，而纖維素乙醇為89．3%;因此，可以從環境排放方面看出，纖維素乙醇優于天津市目前使用的煤、石油、天然氣等現有能源。

(三)社會效益方面。從社會效益方面來看，煤、石油、天然氣都屬于不可再生資源，盡管天然氣為清潔能源，但同樣面臨著資源枯竭的危機。煤炭在開發過程中還會造成地表沉降、水污染、煤矸石廢置、自燃引起的環境問題，還會有瓦斯爆炸引起人員傷亡等隱患;石油的海上開采也會因為石油散逸造成海洋環境污染，輸油管道也會對生態環境造成影響。另外，煉油過程中也會造成廢氣廢渣排放;天然氣雖然是清潔能源，但是管道輸送也會造成環境生態的影響，另外，天然氣的密度比空氣小，極易散逸到空氣中，引發安全隱患。與之相對，纖維素乙醇作為玉米、小麥等農業廢棄物加工而成的清潔能源，不僅可以增加農民收入，提高農民環保意識和積極性，從而有效減少秸稈焚燒，減少環境污染物排放，而且有利于提高農業的科學技術水平，提升在國民心目中的地位。

綜上所述，纖維素乙醇從環境和社會效益方面來看，均優于天津市現有能源，因此具有開發的必要性。

五、纖維素乙醇替代傳統能源的規模分析

對于一個工程或項目的評價，固定資產投資和投資回報期往往會成為政府或投資者考慮的重要因素，也會成為其考查項目經濟效益的重要因素。本文通過類比國內外各規模的纖維素乙醇生產工廠，以2020年為例，對比天津市各開發規模的纖維素乙醇工廠的費用效益，以指導天津市纖維素乙醇開發策略。

由天津市能源消費量預測模型和秸稈可收集量預測模型可知，天津市2020年能源消費量為9，933萬噸標準煤，秸稈量為224萬噸，根據纖維素乙醇微型工廠可知，每萬噸秸稈可產生乙醇約0．2733萬噸。由此，對纖維素乙醇不同規模工廠的費用效益進行分析。其中，各規模的固定成本投資分別參照目前同規模的纖維素乙醇規模的生產工廠，如500t參照我國中糧生化能源(肇東)有限公司，3，000t規模參照河南天冠集團，年產7．5萬噸則參照杜邦丹尼斯克纖維素乙醇公司(DDCE)進行［7］，年產20萬噸規模參照湖北宜昌遠安縣政府規劃。根據目前國家政策，每噸乙醇補貼1，000元，售價以石油價格的0．9111倍計算。其中，替代比例的計算公式如下:

其中，A——替代比例;Q，q——纖維素乙醇產量及纖維素乙醇的熱值;E——為2020年天津市能源消費量。

開發比例的計算公式如下:

其中，B——秸稈開發比例;Q——纖維素乙醇年產量;C——2020年秸稈可收集量。

投資回收期計算方法如下:

其中，N——投資回收期;T——固定資產投資;Q——纖維素乙醇年產量;p，c，m——分別為纖維素乙醇的噸銷售價、噸生產成本、噸補貼。

本文主要著重對經濟方面的研究和分析，具體情況如表3所示。

表2 天津市現有能源及纖維素乙醇經濟和環境效益分析

表3 不同規模纖維素乙醇生產工廠的費用效益分析

2020年，天津市纖維素乙醇開發規模分別達到500t、3，000t、7．5 萬 t、20 萬 t，秸稈開發比例由 0．0817% 升到 32．67%，替代傳統能源的比例由0．00092%到0．368%，從經濟角度來看，開發規模越大，由于技術更加成熟、先進，生產模式可以更大程度地得到不斷優化，成本呈不斷減小的趨勢，但是變化相對不大，由表3可以看到，盡管投資額大幅增長到15億元，但投資回收期在大幅降低，說明開發規模越大，替代規模越大時，投資回收期越短，越早實現盈利，可行性越大。

(一)環境方面。從環境方面，單位產能污染物削減率來看，隨著開發規模的增大，生產的廢水廢氣等污染物可以采用先進的技術進行處理，大型污染物處理設備可以得到充分利用，環境排放物隨著開發規模的增大有所減小。

(二)社會效益方面。從社會效益方面來看，纖維素乙醇的規模越大，秸稈開發比例越大，農業廢棄物減少，農民可以通過出售秸稈獲得效益，從側面減少了焚燒秸稈的量，減少了焚燒秸稈產生的環境污染物，改善了生活環境;另外，提高了農民的環保意識和環保習慣，提高了農民的種植積極性;纖維素乙醇工廠的建立，增加了就業崗位，提高了人們學習專業技能的機會，整體提高了工作人員的技術水平，農民有可能參與纖維素乙醇的生產過程，提高了農民當家作主的自豪感。

六、結語

本文以天津市目前能源結構和現狀為基礎，對能源消費量進行了預測，通過纖維素乙醇與天津市能源消費結構中占比較大的煤炭、石油、天然氣等不可再生能源的比較可知，纖維素乙醇除了開發成本較高，社會效益和環境效益遠遠優于其他化石能源，是一種可再生的清潔能源;而后以2020年為研究時間點，根據能源消費量和秸稈可收集量的預測，通過纖維素乙醇不同規模開發以替代不同比例的化石能源的類比分析，根據費用效益分析方法得到，纖維素乙醇的開發規模越大，對化石能源的替代比例越大，從而環境效益越好;另一方面，開發規模越大，雖然項目初期的固定投資大幅增大，但是投資回收期驟減。并且，纖維素乙醇的大規模開發，更有利于秸稈利用過程中的技術方法以及體系的完善，從經濟、社會和環境三方面來看，規模越大綜合效益越好。因此，應通過各方面努力，積極主動地開展對纖維素乙醇的研究和推廣，積極穩步推進纖維素乙醇開發的發展，逐步形成規模化生產，以應對不斷衰竭的能源和不斷增加的能源需求。

［1］天津市統計年鑒 2010［Z］．

［2］王慶一．中國煤炭工業:演變及前景(上)［J］．中國煤炭，2001，27(1):6 ～12

［3］王志軒．中國火電廠二氧化硫排放控制綜合對策建議［J］．中國電力，2002，35(1):60～63

［4］陳蕊．未來原油品質變化趨勢及其對煉油行業的影響［J］．國際石油經濟，2012，5:39 ～43

［5］Hougton JT，Meira FilhoLG，Lim B，et al．Revised 1996 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories:Reference Manual(Volume3)［M］．Bracknell:UK Meteorological Office，1997

［6］KatoN，Akimoto H．Anthropogenic．Emissions of SO2and NOx in Asia:E －mission Inventories［J］．Atmospheric Environment，1992，26:2997 ～3017

［7］http://www．projectbidding．cn/xiangmu/dongtai/20111021/1304230626．html