農村最優能源消費結構及測算方法研究
——以京津冀地區為例

張彩慶， 龔 運

(華北電力大學經濟管理系，河北保定 071000)

能源是社會發展的重要物質基礎，農村能源的合理利用對農村經濟發展和環境保護都有重要作用。但當前我國農村能源消費與可再生能源發展中存在一些問題[1-2]。如傳統能源(煤、秸稈、薪柴)直接燃燒占比過高、熱效率低、污染嚴重，農村生物質資源豐富，但利用效果差，伴隨生態農業的產業化而生的大量問題隨之產生，尤其是農作物秸稈的焚燒和閑置、畜禽糞便的大量排放等[3]；國家為鼓勵生物質資源利用，推動了農村戶用沼氣和集中化沼氣工程及發電工程的建設，但利用率很低，遠不能達到替代傳統能源的要求。在農村分布式光伏發電方面，國家和電網公司都推出了相關的政策，但從目前來看發展很慢，主要受資金、維護、入網條件等的限制，現行政策對農村可再生能源的發展起到了一定的作用，但遠遠不夠。我國農村地區能源資源十分豐富，加快農村可再生能源的發展有利于滿足農村日益增長的能源需求，優化能源結構，改善農村的能源和環境問題[4]。隨著國家對農村能源和環境問題的重視，農村可再生能源的開發和利用是必然的研究方向。

本研究首先提出基于可再生能源利用的農村最優能源消費結構的概念，通過對可再生能源利用最大化，提高可再生能源消費的占比來實現最優能源消費結構。從最優能源消費結構的角度來研究農村能源消費的問題，填補農村能源消費結構研究體系中的空白。然后根據這一概念建立農村最優能源消費結構的測算方法，可以對一個地區或一個國家的農村最優能源消費結構進行測算，為能源消費結構優化制定目標，指導農村能源發展戰略規劃。

1 農村最優能源消費結構的概念

1.1 提出農村最優能源消費結構概念的基本思路

提出農村最優能源消費結構概念的目的是為農村能源消費結構優化設置一個明確的目標，指導農村能源的發展方向，在滿足農村能源需求的同時，實現農村生態環境的良性發展。因此，確定以下思路。

(1)優先發展農村范圍內可再生能源的高效清潔利用，包括農作物秸稈、畜牧業糞便等生物質能源、太陽能資源(指分布式光伏)、地熱以及其他可再生能源，實現可再生能源的最大化利用。

(2)最大化利用電能。在可再生能源利用后，其余部分將最大化利用電能。隨著農村社會和經濟的發展，農村生活水平和電氣化水平都將大幅提高。電能作為清潔、便利的能源，其消費占能源總消費的比例將呈上升趨勢，同時由于電代煤、電代油等電能替代政策的實施，電能消費的比例將更大。

(3)最大限度減少煤炭和成品油的消費。隨著可再生能源利用和電能替代的實施，煤炭作為終端能源消費將逐步被替代，另外由于電動交通工具的發展，成品油消費的比例也將逐步減小，甚至最終也將被完全取代。因此，在農村最優能源消費結構中不考慮這部分能源消費。

1.2 農村最優能源消費結構的定義

根據上述思路，提出農村最優能源消費結構的定義，農村最優能源消費結構是在滿足農村能源需求的基礎上，按照優先充分高效清潔利用農村生物質能、太陽能、地熱等可再生能源，其余部分優先利用電能，不足部分以少量其他能源消費作為補充，所形成的各種能源消費的構成比例。其中，生物質能源利用主要是農作物秸稈、畜牧業產生的糞便等，其他生物質能源利用量較少，因此，本研究主要針對農作物秸稈和糞便的能源化利用。同時，由于沼氣工程是當前農村生物質能源利用的發展趨勢，在本研究中將生物質能利用以沼氣利用量為代表。因此，農村最優能源消費結構中將主要包括沼氣、分布式光伏、地熱、電力等。

1.3 農村最優能源消費結構的表示方法

2 農村最優能源消費結構的測算方法

2.1 農村能源需求測算

農村能源需求包括農村生活能源需求和生產能源需求。農村能源需求總量的相關變量包括農業產業發展、城鎮化建議、人均收入水平、電器擁有量、能源消費政策等變量，研究能源需求總量與這些相關變量之間的聯系，對農村能源需求進行測算。

2.2 農村可再生能源的最優化利用

根據各種可再生能源資源量和發展狀況對各種農村可再生能源供應量進行計算。主要包括對秸稈和養殖場糞便等生物質能源、分布式光伏、地熱等資源以及由此產生的能源供應量進行測算。

2.2.1 秸稈產量與能源化量測算 研究秸稈能源化的方式，依據農業產業規劃和秸稈綜合利用政策計算秸稈產量和能源化量。秸稈的產量主要受農作物產量的影響，通過農作物產量來測算秸稈的產量[5]。秸稈能源化的比例主要受政策、秸稈利用技術的改進情況、煤炭價格波動造成的替代作用等因素影響。研究農村秸稈利用以及能源化利用方式，構建農村秸稈利用方式結構比例模型。秸稈產量的計算公式為

(1)

式中：CR為農作物秸稈資源理論資源量；Qci為第i類農作物的產量；ri為第i類農作物的草谷比系數。

秸稈能源化利用量的計算公式為

(2)

式中：CRE為可能源化利用秸稈資源量；fi為第i類農作物可收集系數；ei為農作物i的可能源化利用秸稈比例，是扣除農村基本生活能源需求、秸稈直接還田、飼料化利用、工業原料以及食用菌基料等用途后所剩的占比。

2.2.2 糞便量測算 養殖場糞便是農村沼氣的重要原料。隨著人們對畜禽需求量的增加，其養殖規模也在增加，規模化養殖畜禽糞便排放量呈逐年上漲趨勢。畜禽糞便排放量的測算方法[6]如下：

(3)

式中：M為年糞便產生量；n為畜禽種類數量；Ni為飼養量；Ti為飼養周期；Ei為排泄系數；gi為第i類禽畜糞便的可收集系數。

2.2.3 沼氣產量測算 農村沼氣的產量主要通過秸稈和糞便的發酵產生，在現有技術條件下測算沼氣產量須要研究秸稈能源化量、糞便量、糞便和秸稈的配比、氣候和溫度狀況、其他替代能源的價格波動、人均收入、農戶受教育程度、相關政策等因素，選擇合適的變量加入測算模型中進行研究。理論沼氣產生量計算公式如下：

1 kg原料的理論沼氣產生量為

T=WcTc+WpTp+WaTa。

(4)

沼氣總產量為

(5)

式中：CREi為第i類秸稈能源化利用量，kg；Mj為第j類糞便排泄量，kg；Ti為1 kgi類秸稈產生沼氣量，m2；Tj為1 kgj類糞便產生沼氣量，m2；Wc為1 kg原料中碳水化合物的含量，kg；Wp為1 kg原料中蛋白質的含量，kg；Wa為1 kg原料中類脂化合物的含量，kg；Tc為1 kg原料中碳水化合物的理論沼氣轉換率，m2/kg；Tp為1 kg原料中蛋白質的理論沼氣轉換率，m2/kg；Ta為1 kg原料中類脂化合物的理論沼氣轉換率，m2/kg。Tc、Tp、Ta分別取值為0.75、0.98、1.44 m2/kg。

2.2.4 農村太陽能資源儲量測算 農村太陽能儲量可以通對農村可用居民屋頂面積進行估算，進而得到分布式光伏的開發潛力。根據國家統計局公布農村人口數據，按照當年農村人口和人均住房建筑面積，得到農村屋頂總面積，從而得到可利用屋頂面積。按照每平方米可安裝光伏的裝機容量，可以推算出分布式光伏總裝機容量，再根據各省(市、區)太陽輻照強度推算出滿負荷利用小時數，最后得到各地區分布式光伏潛在發電量。隨著農村種植、養殖規模化、現代化的發展，屋頂、舍頂、棚頂資源將大幅增加，太陽能利用量會逐步上升。

光伏發電量測算公式如下：

E2=GHαPh。

(6)

式中：G為某地區農村人口總量，人；H為該地區農村人均住宅面積，m2/人；α為住房總面積得到可安裝光伏板面積的比例系數(包括住房面積與屋頂面積的系數和屋頂面積與可安裝光伏板面積的系數)，%；P為單位面積裝機容量，W/m2；h為滿負荷利用小時數，h。

2.2.5 地熱能源消費測算 地熱能是由地殼抽取的天然熱能，是一種來自地球內部的熔巖，并以熱能形式存在的能源。隨著石油、天然氣、煤炭資源可采儲量的減少及價格的上漲，應該加強地熱這一綠色可再生能源的利用。根據研究按地熱資源的類型分別進行測算[7]。

2.2.5.1 水熱型地熱資源的測算方法：

E3=Qr+Qw；

(7)

Qr=AdρrCr(1-φ)(tr-t0)；

(8)

Qw=QLCwρw(tr-t0)。

(9)

式中：E3為熱儲熱量，J；Qr為巖石熱量，J；Qw為水熱量，J；A為熱儲面積，m2；Cr、Cw分別為巖石、水的比熱容，J/(kg·℃)；d為熱儲層砂巖厚度，m；ρr、ρw分別為巖石、水的密度，kg/m2；tr為熱儲層平均溫度，℃；t0為當地平均氣溫，℃；QL為熱儲存中儲存的水量，m2；φ為巖石孔隙率。

2.2.5.2 干熱巖地熱資源的測算方法：

E3=ρrCrV(Tr-T0)。

(10)

式中：Cr為巖石比熱，J/(m2·℃)；Tr為特定深度上的巖石溫度，℃；T0為地表平均溫度或特定參考溫度，℃；V為巖石體體積，m2。

2.2.6 電力消費測算 電力消費是農村能源消費中的增長點。除常規電力需求外，電代煤、電代油等能源替代也會帶來新的電力需求。因此，電力消費測算還須考慮電力替代的潛力，農村電力消費量為常規的電力消費測算值加上電力替代產生的增加值。

電力在農村終端能源中替代潛力的測算方法[8]如下：

假定耗電設備的效率都是100%，電能在農村終端能源的替代可以根據下式得出：

(11)

3 京津冀農村最優能源消費結構

京津冀農村最優能源消費結構是指在滿足京津冀農村地區能源需求時，首先考慮京津冀地區各種可再生能源的充分有效利用，可再生能源包括生物質能、太陽能(指分布式光伏)、地熱等，其次考慮電能消費形成的京津冀農村能源消費結構，電能消費包括常規電能消費和電能替代潛力。

3.1 京津冀農村能源需求測算

京津冀農村能源需求就是農村生活用能和生產用能之和。根據《全國農村可再生能源統計匯總表》中數據得到京津冀農村用能，由表1可知，京津冀農村能源總需求量約為 9 800.90萬t標準煤。

表1 京津冀農村用能

3.2 京津冀農村可再生能源的最優化利用

根據京津冀農村各種可再生能源資源量和發展狀況對各種農村可再生能源供應量進行計算。主要包括對秸稈、養殖場糞便等生物質能源、分布式光伏、地熱等資源以及由此產生的能源供應量進行計算。

3.2.1 秸稈產量與能源化量測算 通過京津冀農作物產量和秸稈可能源化的比例來測算京津冀秸稈的產量和可能源化利用秸稈資源量。根據《中國農村統計年鑒》[9]中的數據得到京津冀主要農作物產量(表2)。由農作物產量(表2)、農作物系數(表3)和公式(1)、公式(2)可以算出京津冀地區可能源化利用秸稈資源量為3 572.30萬t。

3.2.2 糞便量測算 京津冀地區養殖場糞便是農村沼氣的重要原料。《中國農村統計年鑒》[9]中的數據只統計了家禽的出欄量，而未區分雞鴨鵝種類，本研究將家禽數量計算為蛋雞數量，以此作為家禽總數量，得到京津冀畜禽出欄量(表4)。由表4、表5和公式(3)以及相關系數，測算出京津冀地區畜禽糞便排放量為11 563.80 t。

表2 京津冀農作物產量

表3 農作物系數

表4 京津冀畜禽出欄量

表5 京津冀畜禽糞排泄系數和飼養周期

3.2.3 沼氣產量測算 農村沼氣的產量主要通過秸稈和糞便的發酵產生，在現有技術條件下沼氣產量是通過秸稈能源化量、糞便量來測算的。由各種秸稈可能源化量、糞便量、相關系數及公式(4)、公式(5)可以算出沼氣產量約為 5 082.90萬t標準煤，即E1為5 082.90萬t標準煤。

3.2.4 農村太陽能資源儲量測算 農村太陽能儲量與農村屋頂面積之間存在聯系，通對京津冀農村可用居民屋頂面積進行估算，進而得到分布式光伏的開發潛力。人均住宅建筑面積數據取自《中國統計年鑒》[10]，從人均住宅面積得到可安裝光伏板面積時，考慮到京津冀農村住房可能有二三層小樓。本研究作簡化處理，假設農村50%的住宅面積為屋頂面積，從而估算出京津冀農村居民建筑分布式光伏發電潛力。根據表5、公式(6)測算出京津冀地區分布式光伏發電量約為291.00億kW·h，折算為標準煤后約為1 788.20萬t標準煤，即E2為1 788.20萬t標準煤。

3.2.5 地熱能源消費測算 京津冀地區地熱資源比較豐富。其中，河北懷來后郝窯、熊縣牛駝鎮，北京昌平小湯山、東南城區，天津王蘭莊、濱海等地區都有大中型地熱田。根據地質礦產部《中國礦產資源報告》[11]中的數據可以得到京津冀探明地熱資源量。由表6可知，京津冀地區地熱能年可開采量為75.06萬t標準煤，即E3為75.06萬t標準煤。

表5 京津冀農村居民建筑分布式光伏發電潛力估算結果

表6 京津冀探明地熱資源量

3.2.6 電力消費測算 電力消費是農村能源消費中的增長點。除常規電力需求外，電代煤、電代油等能源替代也會帶來新的電力需求。因此，京津冀電力消費測算還須考慮電力替代的潛力，農村電力消費量為常規的電力消費測算值加上電力替代產生的增加值。京津冀常規電力消費總額為766.90萬t標準煤，電力替代的增加值包括電代煤和電代油，由于現在消費結構中煤炭需求很大，因此電代煤后電能就可以滿足剩余能源的需求，在京津冀農村最優能源消費結構中，電能總消費量為農村能源消費需求總量減去沼氣、分布式光伏、地熱能剩余的部分，則京津冀農村電能總消費量約為 2 854.80萬t 標準煤，即E4為2 854.80萬t標準煤。

3.3 京津冀農村最優能源消費結構

通過對京津冀農村不同能源最優消費量的測算，由表7可知，沼氣、分布式光伏、地熱、電力能源占能源消費總量的比例分別為51.9%、18.2%、0.8%、29.1%，即京津冀農村最優能源消費結構W=(51.9%，18.2%，0.8%，29.1%)。京津冀農村最優能源消費結構中沼氣能源的消費量最高，電力能源的比例也較大，這些能源都是可再生的清潔能源，因此京津冀農村最優能源消費結構是一個合理、綠色的消費結構。而目前京津冀農村能源消費結構中沼氣消費量極低，大部分秸稈資源直接燃燒甚至廢棄成為污染物，只有少部分秸稈能源化為沼氣，而且煤炭這類污染大、不可再生的能源比例過大，因此現在京津冀農村能源消費結構與最優能源消費結構存在很大的差距，須要通過相關政策引導，改善各種可再生能源資源利用的方式以及從農業產業規劃等方面來實現最優能源消費結構的途徑。

表7 京津冀農村最優能源消費結構

4 結論

本研究探明了農村能源消費結構，通過農村可再生能源最優化利用，得到農村最優能源消費結構。農村最優能源消費結構是在滿足農村能源需求的基礎上，按照優先充分高效清潔利用農村生物質能、太陽能、地熱等可再生能源，其余部分優先利用電能，不足部分以少量其他能源消費作為補充，所形成的各種能源消費的構成比例。然后根據這一概念建立了農村最優能源消費結構的測算方法，可以對一個地區或一個國家的農村最優能源消費結構進行測算，為能源消費結構優化制定目標，指導農村能源發展戰略規劃。最后測算了京津冀農村最優能源消費結構，該結構中可再生能源消費比例超過70%，說明當前的能源消費結構還有很大的優化空間。

本研究初步提出了基于可再生能源的農村最優能源消費結構的概念及測算方法，還須要進行更加深入的研究，須要考慮新農村建設、現代生態農業、城鎮化建設、農村人文因素、可再生能源供應與利用中的技術、政策等眾多因素，還須要針對現行農村能源消費結構和最優能源消費結構的差距，研究各種可再生能源資源生產與利用的方式、措施以及農業產業規劃等實現最優能源消費結構的途徑和相關政策。