中國省域生物質發電潛力評價及規劃目標配額分析

宋開慧，周景月，張培棟，闞士亮

(青島科技大學環境與安全工程學院，山東　青島　266042)

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中國省域生物質發電潛力評價及規劃目標配額分析

宋開慧，周景月，張培棟，闞士亮

(青島科技大學環境與安全工程學院，山東青島266042)

摘要：利用2012年宏觀數據，探究中國生物質資源的省域分布及發電潛力閾值，構建生物質發電潛力指數(BPGI)指標體系，評價各省(區、市)生物質發電的發展水平及潛力，并結合省級電網碳排放強度對各省規劃裝機目標配額進行優化。結果表明：2012年中國生物質發電潛力閾值為1.612×105MW/年；河南、黑龍江、山東位列前三，可承擔中國“十三五”期間24.10%的生物質發電目標裝機量；上海、北京、浙江等地可通過資金輸出間接承擔。為促進中國生物質發電產業的布局優化、合理開發提供參考。

關鍵詞：生物質發電潛力指數；目標配額；財稅；上網電價

2014年，全社會電力生產量達55233億kWh，其中火力發電占67.32%[1]。電力構成以煤電為主，排放大量CO2，環境壓力巨大。中國生物質資源豐富，開發利用生物質能具有良好的資源環境效益，但其市場驅動不足，需要保護性的政策措施調控市場、規劃布局。根據發電方式不同，生物質發電效率介于15%～60%之間，其環境效益主要體現在資源可再生和碳減排方面，其CO2排放系數分布均值為18g CO2eq/kWh[2-3]。根據中國《可再生能源中長期發展規劃》，截至“十二五”和“十三五”時期末,中國生物質發電裝機容量將分別達到1300萬kW和3000萬kW。

明晰生物質資源發電的開發潛力及分布特征，是其戰略決策與最優發展路徑甄選的重要基礎。明確各省(區、市)(下文對省級單位簡稱省，未包括臺灣、香港、澳門)可承擔的生物質發電規劃裝機目標額度，是把握整體布局、制定區域性政策與規劃、完善國家規劃目標的重要參考和保障。2007年中國農作物秸稈資源、薪柴資源、禽畜糞便可利用量分別為7.5億噸、1億噸、9億噸，作為能源利用前景較好[4]；2011年中國9種主要農作物秸稈及其加工廢棄物的最大發電潛力為68332.31MW[5]。目前生物質利用潛力的研究多側重于對量的核算，尚缺乏生物質相對發展水平及潛力的評價。本文通過探究中國農業秸稈、林木薪柴和人畜糞便等生物質資源的省域分布，估算其在各省的發電潛力閾值；通過構建生物質發電潛力指數(BPGI)指標體系，評價各省生物質發電的發展水平及潛力；利用BPGI將國家生物質發電的規劃裝機目標分配至各省，并結合省級電網碳排放強度對規劃目標配額進行優化；為中國生物質發電產業的布局規劃及政策措施完善，提供理論參考。

1研究方法與數據來源

生物質資源主要包括農業秸稈、林木薪柴、人畜糞便、能源作物、生活污水和工業有機廢水。其中生活污水、工業有機廢水多作為污水進行處理，基因工程生產能源作物尚未得到廣泛應用，故不予計量。2010年全國秸稈平均可收集資源量約為理論資源量的83.33%，秸稈作為燃料使用量(含農戶傳統炊事取暖、秸稈新型能源化利用)約為可收集資源量的17.43%；農作物秸稈綜合利用的重點方向是肥料、飼料、基料、燃料，目前經濟技術條件下用作燃料的綜合效益較次[6]。考慮到中國嚴峻的能源形勢，取生物質資源的可收集資源量估算其發電潛力閾值。為便于估算，農作物秸稈、林木薪柴、人畜糞便的整體能量轉換效率皆取為20%。

選取生物質發電潛力閾值(下文簡稱潛力閾值，BPPMax(i))、生物質發電潛力閾值密度(下文簡稱潛力密度，NPPAMax(i))、生物質剩余發電潛力(下文簡稱剩余潛力，NPPT(i))作為生物質發電潛力指數的二級指標，如公式(1)~(7)。利用BPGI將國家生物質發電規劃裝機目標分配到省，如公式(8)。

選取稻谷、小麥、玉米、棉花、豆類、花生、油菜籽、薯類、甘蔗9種主要農作物進行農業秸稈資源發電潛力的估算。

(1)

ABPPMax(i)：i省主要農業秸稈資源的最大年發電量；

C(j)：j種農作物秸稈的低位發熱量[5]，MJ/t；

P(i,j)：j種農作物在第i省的年產量，萬t；

R(j)：j種農作物的草谷比[5]；

F(j)：j種農作物的可收集利用率[5]；

T：年度持續運行時間，s(5844[7]×3600)。

選取薪炭林、用材林、防護林及四旁樹，采用產柴率和取柴系數[8-9]來計算主要林木薪柴資源的發電潛力，并考慮每年森林撫育間伐量。

(2)

FBPPMax(i)：第i省林木薪柴生物質資源的最大年發電量，MW；

Fi：該年i省n種林地的造林面積，萬公頃；

xi：i種林地的產柴率，kg/hm2；

Qi：i種林地取柴系數；

Xi：i省四旁樹植樹株樹，萬株；

yi：i省內四旁樹產柴率，kg/株；

qi：i省四旁樹取柴系數；

Ti：森林撫育面積，hm2；

ri：i省森林撫育的產柴率；

mi：i省森林撫育的折重系數；

0.344：木材加工剩余物的比例[8]；

W：地域范圍內年木材產量；

ηi：薪柴低位發熱量，16726kJ/kg[10]；

T：年度持續運行時間，s(5844×3600)。

糞便來源為人以及牛、羊、豬、馬。人畜糞便資源發電潛力根據各地區人數、禽畜存欄數和人畜的年平均排泄量來進行估算[4]。

(3)

EBPPMax(i)：第i省人畜糞便資源的最大年發電量，MW；

P(i,j)：第i省j類人畜的數量；

A(i,j)：第i省j類人畜糞便排泄量中干物質量[10]；

μj：j類糞便低位發熱量[11]，kJ/kg；

T：年度持續運行時間，s(5844×3600)。

BPPMax(i)=ABPPMax(i)+FBPPMax(i)+

EBPPMax(i)

(4)

BPPMax(i)：i省的生物質發電潛力閾值，MW/年；

(5)

NPPAMax(i)：i省生物質發電潛力閾值的密度，MW/萬km2；

Area(i)：i省的面積，萬km2；

(6)

NPPT(i)：i省的生物質剩余發電潛力，%；

BPPNow(i)：i省的現有生物質發電裝機量，MW/年；

(7)

BPGI(i)：i省的生物質發電潛力指數；

kMax(i)：i省k類二級指標，k=BPP,NPPA,NPPT(下同)，MW/年、MW/萬km2、%；

kMax(iMax)：各省k類二級指標的最大值，MW/年、MW/萬km2、%；

kMax(iMin)：各省k類二級指標的最小值，MW/年、MW/萬km2、%。

(8)

BPPIc(i)n：i省第n年的生物質發電規劃裝機目標配額，MW；

BPGI(i)n-1：i省第n-1年的生物質發電潛力指數，BPGI(i)n-1≥0.4；

BPPIc,n：中國第n年的生物質發電規劃裝機量目標，MW。

考慮歷年生物質資源量總體變化不大及數據可獲得性，農業秸稈和人畜糞便生物質能源估算的原始數據來源于《中國統計年鑒2013》[12]；林木薪柴生物質資源估算數據來源于《中國林業統計年鑒2011》[13]。生物質發電裝機數據來源于可再生能源信息網[14]，裝機量包括截止到2015年3月各省已建、在建及核準的生物質發電裝機量，將該數據作為2015年底的生物質發電裝機量。

2結果分析

2.1　省域生物質發電潛力評價

各省(區、市)生物質發電潛力情況如表1所示。根據估算結果可知，中國生物質資源發電潛力巨大，年理論裝機量閾值為1.612×105MW。其中農業秸稈、林木薪柴和人畜糞便分別為1.062×105MW、1.852×104MW、3.642×104MW，分別占比65.91%、11.49%、22.60%。生物質資源的分布契合中國農產品“七區二十三帶”的戰略布局。

2015年生物質發電潛力指數大于0.6的省區包括河南、黑龍江、山東、安徽、河北、江蘇、湖南、吉林、新疆；生物質發電潛力指數在0.2~0.4之間的省市包括上海、北京、浙江、海南、福建、青海、西藏、寧夏。

2015年各省(區、市)中，河南的生物質發電潛力最大，其BPGI為0.9762；河南是農業大省，生物質資源密度和發電潛力閾值皆居于首位，后者達13949.08 MW/年，且河南現有生物質發電裝機規模僅為其可開發潛力的4.55%，剩余開發潛力較大。黑龍江的生物質發電潛力居于各省第二位，現有生物質發電裝機規模為其可開發潛力的6.55%，剩余開發潛力較大。山東的BPGI為0.6707，居于各省市的第三位，其發電潛力閾值位列第三，資源密度位列第二，現有生物質發電裝機規模為其可開發潛力的47.95%，剩余開發潛力相對較小。安徽、河北、江蘇、湖南、吉林等地BPGI均在0.6~0.7之間，其生物質發電潛力閾值分布于6300~8300之間，潛力密度分布于350~630之間，剩余發電潛力分布于85%~95%之間，三項指標在全國各省市中皆屬于中等水平。新疆的生物質發電潛力密度僅為65.2 MW/萬km2，剩余發電潛力達99.45%，潛力閾值為10855.70 MW/年；其BPGI為0.6094，發電潛力較大卻難以開發。

表1　各省區生物質資源發電潛力

生物質發電潛力指數在0.2~0.4之間的省(區、市)包括上海、北京、浙江、海南、福建、青海、西藏、寧夏。這8個省(區市)的發電潛力閾值皆在2100 MW/年以下，其中海南、北京、上海依次為664.11 MW/年、422.31 MW/年、373.50 MW/年，位列全國最小發電潛力閾值的前三位。潛力密度方面，上海為589.12 MW/萬km2，北京為251.25 MW/萬km2，其余6省(區市)潛力密度普遍低于205 MW/萬km2；青藏兩地則低于20 MW/萬km2，是全國潛力密度最小的兩個地域。剩余發電潛力方面，上海為36.30%，剩余發電潛力最小；北京、浙江、海南、福建等經濟技術條件較好的地域，生物質剩余發電潛力皆在83%以下；寧夏的生物質剩余發電潛力為89.85%，屬于生物質發電發展中等水平的地域；青藏，受資源條件約束，其生物質剩余發電潛力分別為99.85%、100.00%，屬于生物質發電利用困難的地域。

2.2　生物質發電規劃目標配額分析

2015年，中國生物質裝機總容量為17628 MW，為完成到“十三五”末生物質發電裝機容量30000 MW的目標，“十三五”期間需要新增12372 MW的生物質發電裝機。按國家整體年增長量不變進行規劃預測，即2016—2020年每年增加生物質發電裝機2474.4 MW。按公式(8)將國家規劃目標逐年分配至各省，得出“十三五”期間各省生物質發電可新增裝機的基礎值及“十三五”末各省的生物質發電潛力指數基礎值。

將生物質發電潛力密度小于100MW /萬km2的省區在規劃預測中承擔的非零新增裝機量配額，根據省級電網碳排放強度進行全額第二次分配。省級電網碳排放強度在1000g CO2e/kW·h以上的省(區、市)包括內蒙古、黑龍江、河北、山西、遼寧、寧夏、山東、吉林、陜西、天津、河南[15]。將1450.44 MW裝機量按省級電網碳排放強度的比例，進行第二次分配。修正后的“十三五”期間各省可新增生物質發電裝機情況，以及“十三五”末各省生物質發電潛力指數如表2所示。

“十三五”規劃配額的預測結果表明，河南、黑龍江、山東是可承擔裝機目標最多的3個省，分別可承擔1206.14 MW(9.75%)、908.56 MW(7.34%)、867.08 MW(7.01%)，與前文河南、黑龍江、山東3省生物質發電潛力最大的分析相吻合。上海、北京、浙江、海南、福建、青海、西藏等地不直接承擔“十三五”生物質發電裝機目標配額；上述7個省域BPGI在0.2~0.4之間，發電潛力偏小。2015年寧夏的生物質發電潛力指數為0.3789，在“十三五”生物質發電規劃目標第一次分配過程中亦不直接承擔裝機目標配額，因其省級電網碳排放強度較大，經修正調整，可考慮寧夏承擔117.57 MW的裝機配額(0.95%)。

表2　基于BPGI的生物質發電“十三五”規劃目標省域配額

河北、吉林、遼寧、安徽、江蘇可承擔的生物質發電裝機目標皆在700～900MW之間，湖南、湖北、四川可承擔的生物質發電裝機目標皆在600～700 MW之間；生物質發電潛力從大到小分別是安徽、河北、江蘇、湖南、吉林，由于河北、遼寧、吉林省級電網的碳排放強度偏高，經過裝機目標的修正調整，上述省區的發展潛力與裝機目標的對應關系發生了一定變化。2015年新疆的生物質發電潛力指數為0.6094，發電潛力較高，潛力密度僅為65.2 MW/萬km2，剩余發電潛力達99.45%，說明其資源條件限制了生物質的開發利用，在目前經濟技術條件下尚難以充分利用其生物質資源，故對其裝機目標進行全額修正，調整后新疆可承擔生物質發電裝機目標配額為92.68 MW(0.75%)。

就“十三五”24個省完成生物質發電規劃配額需保持的年均增長率來看，共有17個省高于全國平均年增長率11.22%，遼寧、廣西、重慶、云南、陜西、河南、天津、湖南、江西、新疆、河北高達20%以上，其中遼寧最大(46.78%)。上海、北京、浙江、福建等不直接承擔“十三五”生物質發電裝機目標配額，因其生物質資源條件有限且開發程度較大；上述省市的經濟條件較為優越，可在生物質發電規劃布局中作為資金輸出單位，在全國范圍內根據生物質發電的布局和區域經濟條件進行資金調配。青藏等地生物質資源過于分散，解決秸稈等生物質資源的難收集問題，是保障生物質發電燃料供應、促進其發展的重要基礎。秸稈資源收集系統的建設完善需要緊密結合農業生產模式，創新其收集作業鏈。

3結論與建議

生物質發電規劃配額不是簡單的額度分配，是合理布局全國生物質發電建設中對各省所能承擔的建設規模的一種合理性評定；該規劃目標配額的完成，不能行政強制，需要綱領性的規劃引導，由市場推動實現。促進生物質發電的發展，需要國家能源部門與農業部門加強合作，制定與農業發展模式高度契合的生物質能源政策，積極促進農業增值，農業發展規劃及政策措施努力配合生物質資源的開發利用。著力引導生物質利用科研投入的增加，突破核心技術，提高發電工藝的效率，實現生物質資源高效化利用。繼續推進生物質熱電聯產系統，發展綠色循環經濟產業鏈。通過合理布局、資金調配、完善政策促進中國生物質發電的持續發展。

國家在制定生物質發電的支持政策時，需要考慮各區域的資源富集程度差異、發電技術差異、開發閾值等，完善財稅支持體系。國家調整對生物質發電建設及運營的財稅補貼措施，可采用額度內財稅支持政策。根據規劃目標，對各省配額內的生物質發電新增裝機施行梯度財稅補貼及獎勵制度，對完成規劃的目標裝機，減額財稅進行補貼；對超出目標的新增裝機，施行全額補貼及獎勵。生物質新增裝機的電價補貼制度，可按效率施行梯度上網電價，單位裝機低效率內的發電量按國家既定標準進行補貼，單位裝機高效率范圍內的發電量按高于標準的價格補貼。

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(責任編輯沈蓉)

Assessment of Biomass Power Potential on Provincial Scale and Analysis on Plan Target Quota

Song Kaihui，Zhou Jingyue,Zhang Peidong，Kan Shiliang

(College of Environment and Safety Engineering，Qingdao University of Science and Technology， Qingdao 266042，China)

Abstract：This paper explores the biomass resource distribution on provincial scale and its threshold for power generation in China,based on the macroscopic data of 2012.Biomass power development and potential are assessed on provincial scale by means of establishing Biomass Power Generation Index(BPGI)system，meanwhile the quota of national planned biomass power capacity target is adjusted and optimized，with consideration of provincial GHG emission factor for grid electricity.The results show that biomass has a huge potential for power capacity of 1.612×105MW annually in China，of which Henan，Heilongjiang and Shandong rank in top three.Furthermore，they are capable of sharing the planned quota for 24.10% during the 13thFive-year Plan period.Shanghai，Beijing and Zhejiang can play roles of capital export units and share the quota indirectly.Suggestions are put forward to provide reference for optimal layout and rational exploration in biomass power industry development.

Key words:Biomass Power Generation Index(BPGI)；Target quota；Finance and taxation；On-grid price

中圖分類號:F426

文獻標識碼:A

作者簡介：宋開慧(1993-)，女，山東濟寧人，本科生；研究方向：能源政策與規劃分析。

收稿日期：2015-07-06

基金項目：國家社會科學基金項目“促進新能源發展的運營模式和政策創新研究”(14BJY064)。