農(nóng)村生物質(zhì)能源的綜合利用對區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)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(zhì)資源，理論資源量為50億噸左右.目前，我國每年可利用的農(nóng)林廢棄物源總量約為5億噸標準煤.農(nóng)業(yè)廢棄物可以通過一定的技術轉(zhuǎn)換成電力，即將農(nóng)業(yè)廢棄物原料進行干燥、粉碎，然后經(jīng)冷態(tài)壓縮形成農(nóng)業(yè)廢棄物顆粒，以這些顆粒為燃料進行發(fā)電[1].隨著國家電力體制對清潔能源發(fā)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(fā)展已成為未來的總趨勢.因此，在國家激勵清潔能源發(fā)展的背景下，農(nóng)業(yè)廢棄物顆粒氣化發(fā)電技術極為符合國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的方向，所以有必要對清潔能源進行進一步的規(guī)劃和綜合利用.

系統(tǒng)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(chuàng)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(gòu)建了一個能夠預測未來發(fā)展的世界模型，他們在該模型中重點研究了人口、農(nóng)業(yè)、資源、工業(yè)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(jié)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(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出奠定了基礎，也為這類復雜大系統(tǒng)的模擬實驗提供了一種工具.時至今日，系統(tǒng)動力學已經(jīng)被廣泛地用于各種微觀和宏觀系統(tǒng)[4-5]，小的如產(chǎn)品開發(fā)、企業(yè)管理、經(jīng)濟效益分析等，中等的如行業(yè)、城市規(guī)劃等，大的則有國家模型和全球模型.系統(tǒng)動力學之所以發(fā)展得如此迅速，另一個原因是它在開始發(fā)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(fā)了在WINDOWS環(huán)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(lián)系.本研究應用系統(tǒng)動力學知識和VENSIM軟件來分析農(nóng)村生物質(zhì)能源的綜合利用對區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的影響，為當?shù)卣哪茉匆?guī)劃提供了依據(jù).

1 系統(tǒng)動力學在農(nóng)村能源中的應用

1.1 因素分析

農(nóng)業(yè)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(fā)電廠后可直接應用，幾乎不再需要加工，而煤炭運到發(fā)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(nóng)業(yè)廢棄物顆粒燃料氣化發(fā)電、直燃發(fā)電或者與煤混燒發(fā)電都有很好的發(fā)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(guī)劃上引入了顆粒發(fā)電這一變量，通過對顆粒和電煤之間關系的研究來規(guī)劃能源結(jié)構(gòu).

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

以平頂山市農(nóng)村能源生態(tài)工程的建設為基礎，結(jié)合該地區(qū)社會、經(jīng)濟和環(huán)境的發(fā)展，利用系統(tǒng)動力學的仿真模型來研究該地區(qū)能源的綜合利用和規(guī)劃，2010年該地區(qū)能源結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)見表2.

1.2 平頂山市能源建設的系統(tǒng)動力學模型

1.2.1 系統(tǒng)因果關系圖

以河南省平頂山市的農(nóng)村清潔能源為研究對象，確立了清潔能源開發(fā)利用的研究方法.首先，將清潔能源開發(fā)模擬與分析系統(tǒng)簡化為沼氣、太陽能、電力、秸稈利用量這些狀態(tài)變量，找出影響這些變量的主要因素，利用系統(tǒng)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(tǒng)流圖Fig.2 The flow graph of energy

平頂山市農(nóng)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(gòu)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(huán)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(yōu)勢，煤炭逐漸被替代，見圖2.

1.2.2 模擬結(jié)果

由模擬的結(jié)果圖(見圖3)可以看出，農(nóng)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?yōu)檎託?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(guī)模化發(fā)展從根本上保護了國家利益，比如保護環(huán)境、節(jié)能降耗、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、保證國家的能源安全和生態(tài)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展以及減排CO2所帶來國際上的碳匯補償?shù)龋栽谖磥淼臅r間里顆粒將會被大量使用.

2010年，薪柴占農(nóng)村生活用能消費總量的12%.隨著清潔能源的開發(fā)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(nóng)村家庭，農(nóng)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(guī)模化生產(chǎn)發(fā)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(tǒng)動力學提高的一個重要分析工具，它通過改變系統(tǒng)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(tǒng)輸出結(jié)果的影響.

2.1 增加顆粒生產(chǎn)的秸稈用量

一項針對農(nóng)戶對各種能源態(tài)度的調(diào)查(見表3)顯示，農(nóng)戶比較喜歡使用秸稈，但過多使用秸稈不僅會造成環(huán)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(fā)展專業(yè)合作經(jīng)濟組織和農(nóng)民經(jīng)紀人隊伍、制定優(yōu)惠政策鼓勵農(nóng)戶多使用電力等，這些政策可以使用于顆粒和沼氣生產(chǎn)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(nóng)戶對不同能源的態(tài)度Tab.3 Farmers′ attitude towards different energy sources %

目前，平頂山市只有6%的農(nóng)村秸稈用于顆粒和沼氣的生產(chǎn)，如果政府給予政策上的支持，該比例可提升至10%[10]，產(chǎn)生的結(jié)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(chǎn)廠家的補貼力度

通過價格補貼，增強顆粒燃料與常規(guī)能源的競爭力，減少農(nóng)民的能源支出，刺激農(nóng)民的能源消費，促進顆粒燃料的規(guī)模化生產(chǎn).一個關于“農(nóng)戶能源不夠用如何處理”的調(diào)查問卷[11]顯示，5.6%的農(nóng)戶會“減少能源使用”，11.3%的農(nóng)戶選擇了“自己收集更多的生物質(zhì)能源”，高達39.1%和32.7%的農(nóng)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(fā)電的價格在逐漸下降，農(nóng)戶更傾向于選擇電和顆粒.據(jù)調(diào)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(jié)論和建議

根據(jù)平頂山市農(nóng)村地區(qū)能源供應和消費的歷史及現(xiàn)狀，運用系統(tǒng)動力學的原理和方法，從清潔能源開發(fā)促進農(nóng)村社會、經(jīng)濟、環(huán)境和生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展出發(fā)，對該地區(qū)清潔能源的開發(fā)利用及相關問題進行了系統(tǒng)模擬，可得出以下結(jié)論：

(1)清潔能源的開發(fā)利用可以減少石化燃料的開發(fā)，可以替代薪柴、家用煤等非清潔能源，可以使農(nóng)村生活用能的消費結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，即由2010年的家用煤+薪柴+電力+液化氣的模式變?yōu)?020年的沼氣+太陽能+電力+液化氣的模式.在生態(tài)環(huán)境方面，清潔能源替代了非清潔能源，使得環(huán)境得到了優(yōu)化.

(2)在系統(tǒng)模擬中，用高效率的清潔能源替代了傳統(tǒng)的低效率能源，使農(nóng)村的用能效率得到了提高，進而使農(nóng)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(fā)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.

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