我國秸稈發(fā)電區(qū)域適宜度評價

我國秸稈發(fā)電區(qū)域適宜度評價

生物能源在解決前世界經(jīng)濟(jì)面臨的能源短缺和環(huán)境危機(jī)中發(fā)揮著重要作用。2006年全球可再生能源利用總量的一半以上為生物質(zhì)能,占一次能源總量的14%,我國在可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃中也提出了可再生能源占總能源消費量在2010年達(dá)到10%,2020年達(dá)到15%左右的目標(biāo),其中生物質(zhì)能發(fā)電在2020年要達(dá)到3000萬kW。秸稈作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品,產(chǎn)量大、分布廣,含碳量達(dá)45%,是一種重要的生物質(zhì)資源,每2t秸稈的熱值就相當(dāng)于1t標(biāo)準(zhǔn)煤,同時秸稈也具有CO2零排放的特征,市場前景非常廣闊。我國是一個農(nóng)業(yè)大國,秸稈生物質(zhì)資源十分豐富,其有效地開發(fā)利用直接影響到我國可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。由于秸稈生物質(zhì)發(fā)電在我國未來能源體系中的重要地位,其研究倍受關(guān)注。綜合來看,當(dāng)前國內(nèi)相關(guān)研究多集中在秸稈總量計算和分布特征論述,以及秸稈發(fā)電技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性分析與相關(guān)政策法規(guī)等方面[8,9,10,11,12,13,14],而較少考慮到產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中必然存在的區(qū)域適宜性問題。因此,在綜合分析秸稈生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響因素的基礎(chǔ)上,構(gòu)建評價模型對其進(jìn)行區(qū)域適宜度分異評價,必將對科學(xué)制定我國秸稈生物質(zhì)發(fā)電的區(qū)域空間布局和宏觀產(chǎn)業(yè)政策,保障農(nóng)作物秸稈資源合理利用具有重大的科學(xué)參考價值。1影響因素的評價區(qū)域適宜度評價是為了衡量某項自然或人為活動在特定區(qū)域條件下發(fā)生發(fā)展的適宜程度而做出的結(jié)論性評價,首先要對評價對象的影響因素做出科學(xué)的判定和分析。目前國內(nèi)相關(guān)研究開展較少,本研究認(rèn)為秸稈發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響因素主要集中在耕地資源潛力、秸稈原料供應(yīng)、市場需求狀況、產(chǎn)業(yè)發(fā)展成本、制度和技術(shù)保障等幾個方面,其中制度和技術(shù)保障因素對全國來說是均質(zhì)的,在此不予考慮。1.1耕地資源分布區(qū)域耕地是農(nóng)作物生長和秸稈產(chǎn)生的最先決條件,耕地的數(shù)量和質(zhì)量直接影響到區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平,進(jìn)而決定了秸稈資源的產(chǎn)量。受氣候、生物、土壤、地形和水文等因素的影響,我國耕地資源分布區(qū)域差異較大,大致可分為東南部濕潤區(qū)、半濕潤季風(fēng)區(qū)、西北部干旱區(qū)、干旱內(nèi)陸區(qū)和青藏高原區(qū),而各個區(qū)域之間耕地資源的生產(chǎn)力水平也存在較大差異,其中中東部地區(qū)耕地資源條件較好,西北干旱區(qū)和黃土高原等地生產(chǎn)條件較差。但是隨著人口的不斷增長、社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的迅速提高,中東部地區(qū)有限耕地資源的減少和建設(shè)用地擴(kuò)展之間的矛盾日益尖銳,尤其在沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),耕地面積的迅速減少直接影響到區(qū)域的糧食生產(chǎn),進(jìn)而對區(qū)域農(nóng)作物秸稈資源的可利用性產(chǎn)生影響。1.2農(nóng)作物秸稈供給作為發(fā)電原料,秸稈資源供應(yīng)不足或者不穩(wěn)定均會對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生一定的風(fēng)險,進(jìn)而影響到產(chǎn)業(yè)發(fā)展的區(qū)域適宜程度。秸稈是農(nóng)業(yè)活動的副產(chǎn)品,我國主要的農(nóng)作物種類有稻谷、小麥、玉米、豆類、薯類、油料、棉花和甘蔗等,不同作物生產(chǎn)秸稈的能力差異很大,各省區(qū)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)也差異顯著,河南、山東、黑龍江、吉林和四川等農(nóng)業(yè)大省秸稈資源充足,東部沿海等鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)和西北農(nóng)牧區(qū)由于缺少充足的原料,秸稈發(fā)電就會受到一定的原料供應(yīng)限制。另外,秸稈資源的供應(yīng)也必將受到由自然氣候條件變化和人類社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展所造成的糧食產(chǎn)量波動的影響,比如自然災(zāi)害造成的糧食減產(chǎn),以及部分地區(qū)城市化速度加快和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整帶來的農(nóng)作物種植面積的減小等,最終造成各省區(qū)之間秸稈資源的產(chǎn)出、供給和利用之間的顯著差異,長遠(yuǎn)來看必將對區(qū)域秸稈資源的規(guī)模化利用造成一定的原料供應(yīng)風(fēng)險。1.3生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)在國內(nèi)發(fā)展中的市場空間市場需求狀況決定了產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要性和緊迫程度。近年來,隨著社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展,我國大部分地區(qū)都出現(xiàn)了電力供應(yīng)緊張的現(xiàn)象,尤其是東部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū),這就給秸稈發(fā)電產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了極大的市場空間。另外,隨著煤炭等石化能源的逐漸枯竭,生物質(zhì)發(fā)電等可再生能源必然成為今后的能源發(fā)展方向,截至2007年底,國家和各省發(fā)改委已經(jīng)核準(zhǔn)生物質(zhì)發(fā)電項目87個,總裝機(jī)容量220萬kW,全國已建成投產(chǎn)項目15個,在建項目30多個,發(fā)展市場前景廣闊。然而我國各省區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平差異較大,對電力供應(yīng)的要求也不盡相同,因此可以用電力消耗總量和電力消耗增長率兩個指標(biāo)來衡量區(qū)域秸稈發(fā)電的市場需求,電力消耗總量越大,增長率越大,說明區(qū)域電力資源需求程度越高,越有利于秸稈發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。1.4資源密度的確定有利于區(qū)域秸稈利用的發(fā)展雖然國家對秸稈發(fā)電實行優(yōu)惠電價政策,上網(wǎng)電價高出燃煤發(fā)電0.25元/(kW·h),并且還可以享受稅收減免等一系列政策,但是已投產(chǎn)運營的秸稈發(fā)電企業(yè)仍然面臨較高的成本風(fēng)險。由于秸稈資源空間分布上的分散性和時間分布上的集中性,其收集、運輸和儲存普遍存在較大難度,收集半徑越大,收集運輸成本也就越大。因此,引入資源密度的概念,用單位國土面積秸稈產(chǎn)量來表示,資源密度越大,收集和運輸成本就越小,越有利于區(qū)域秸稈資源的規(guī)?；谩Ａ硗?企業(yè)的運營管理成本也是影響產(chǎn)業(yè)發(fā)展適宜度的成本因素之一,主要表現(xiàn)為區(qū)域勞動力價格水平,可用區(qū)域人均GDP來表示,人均GDP越高,表明區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r越好,勞動力成本相應(yīng)的也就越大。2我國農(nóng)村供電地區(qū)的適應(yīng)性評價2.1秸稈發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指標(biāo)體系秸稈發(fā)電區(qū)域適宜度影響因素來源多樣,其評價模型和指標(biāo)體系的好壞直接關(guān)系到評價結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。在綜合考慮上述各個影響因素的基礎(chǔ)上,遵循顯著性、主導(dǎo)性、易獲取性和可操作性等原則構(gòu)建了中國秸稈發(fā)電區(qū)域適宜度評價指標(biāo)體系(圖1),具體指標(biāo)解釋如下。(1)耕地資源潛力因素,選擇了區(qū)域耕地資源總量和耕地資源波動水平兩個指標(biāo),其中總量取近3a的平均值,波動水平取近10a的平均值。耕地資源總量越大、耕地資源減少趨勢越小,越有利于區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,間接對秸稈發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到較好的推動作用。(2)秸稈原料供應(yīng)因素,選擇了秸稈資源總量和秸稈產(chǎn)量波動水平兩個指標(biāo),分別反映區(qū)域當(dāng)前的原料供應(yīng)能力和原料供應(yīng)對秸稈發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的長期效應(yīng),其中秸稈總量取近3a的平均值,波動水平取近10a的平均值。秸稈資源總量和秸稈產(chǎn)量增長率越大越有利于區(qū)域秸稈發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。由于秸稈產(chǎn)量未列入國家有關(guān)部門的統(tǒng)計范圍,通常依據(jù)主要農(nóng)作物的產(chǎn)量來計算。計算公式如下:T=∑i=1nQciri(1)Τ=∑i=1nQciri(1)式中,T為農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量;Qci為第i類農(nóng)作物的產(chǎn)量;ri為第i類農(nóng)作物的草谷比系數(shù)(residuetoproductratio,RPR),RPR也叫產(chǎn)量系數(shù)或者經(jīng)濟(jì)系數(shù),是農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量估算的關(guān)鍵因素,通常是一個可以通過田間試驗和觀測得到的常數(shù),不同地區(qū)、不同品種的農(nóng)作物略有差異。不同學(xué)者在估算中國秸稈資源量時采用的RPR也各不相同。本文選取的RPR見表1。(3)市場需求狀況,選擇了最能影響秸稈發(fā)電市場需求的人均用電量和電力消耗增長率作為評價指標(biāo)。人均用電量和電力消耗增長率越大,秸稈發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的市場空間越大。(4)產(chǎn)業(yè)發(fā)展成本,選擇了區(qū)域秸稈資源密度和人均GDP兩個指標(biāo),分別反映秸稈發(fā)電的運輸收集成本和勞動力成本。秸稈資源密度越大,運輸收集成本就越小,人均GDP越高說明區(qū)域勞動力成本越大。2.2指標(biāo)評價及量化評價指標(biāo)體系中每一單項指標(biāo)均是從不同側(cè)面來反映區(qū)域適宜程度的,因而必須進(jìn)行綜合評價。本論文擬采用多目標(biāo)線性加權(quán)函數(shù)法和層次分析法對中國秸稈發(fā)電的區(qū)域適宜度進(jìn)行評價,其基本原理是將要識別的復(fù)雜問題分解成若干層次,由專家和決策者對所列指標(biāo)通過兩兩比較重要程度而逐層進(jìn)行判斷評分,利用計算判斷矩陣的特征向量確定下層指標(biāo)對上層指標(biāo)的貢獻(xiàn)程度,從而得到基層指標(biāo)對總目標(biāo)而言的重要程度(表2)。由于各個指標(biāo)的量綱不同,其評價的標(biāo)準(zhǔn)也不同,為了將各個指標(biāo)合成綜合評價結(jié)果,必須將每個指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理(即將指標(biāo)值與其標(biāo)準(zhǔn)值相比較)。各個基本指標(biāo)按照適宜程度可劃分為100分、80分、60分、40分、20分、0分六個基本評分檔次,0分為完全不適宜,20分為基本不適宜,40分為一般適宜,60分為比較適宜,80分為很適宜,100分為絕對適宜。參考相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)律,結(jié)合各個省區(qū)的實際情況,將中國秸稈發(fā)電區(qū)域適宜度評價指標(biāo)體系中各個基本指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)確定如下(表3)。2.3秸稈供給適宜度我國各省區(qū)農(nóng)作物秸稈品種結(jié)構(gòu)和類型組成差異巨大,但是稻谷稈、玉米稈、小麥稈等主要糧食作物秸稈和油料作物秸稈才是最主要類型,其產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他種類的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量。因此,主要農(nóng)作物選取稻谷、小麥、玉米、豆類、薯類、油料、棉花、麻類和糖類作物,農(nóng)作物產(chǎn)量、耕地面積、人口、GDP數(shù)據(jù)來自1999～2008年《中國統(tǒng)計年鑒》;國土面積數(shù)據(jù)來自《2006年中華人民共和國行政區(qū)劃簡冊》;電力消耗數(shù)據(jù)來自1999～2008年《中國能源統(tǒng)計年鑒》。經(jīng)過初級運算得到中國秸稈發(fā)電區(qū)域適宜度評價指標(biāo)值(表4)。通過計算得出各省區(qū)不同層面適宜度評價結(jié)果并進(jìn)行正向排序(圖2～5),可以看出秸稈發(fā)電適宜度各個影響要素在我國都表現(xiàn)出巨大的區(qū)域差異。耕地資源潛力適宜度層面(FS),我國耕地面積較大的是黑龍江、河南、山東、內(nèi)蒙古、河北、云南、四川等農(nóng)業(yè)大省,最小的則是北京、上海、天津、青海、海南和寧夏等國土面積較小的區(qū)域;從耕地面積波動水平上看,貴州、云南、海南、廣西、吉林等省增長較快,北京、重慶、上海、青海、四川和河北六省區(qū)呈負(fù)增長,河南、山東等因為缺乏后備耕地資源,耕地面積基本保持不變。綜合來看,耕地資源潛力適宜度較高的是黑龍江、云南、貴州、內(nèi)蒙古和河南等,較低的則是北京、上海、青海、重慶和天津等。秸稈原料供應(yīng)適宜度層面(CS),秸稈產(chǎn)量較大的是河南、山東、黑龍江、河北、安徽等,較小的是上海、北京、青海、海南和天津等,與耕地面積排名并不一致,因為秸稈產(chǎn)量是農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)、種植面積和耕地質(zhì)量共同作用的結(jié)果;秸稈產(chǎn)量增長較大的是內(nèi)蒙古、吉林、黑龍江、新疆、遼寧等具備后備耕地資源且耕地生產(chǎn)力有較大提高空間的區(qū)域,北京、上海、浙江、廣東等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域秸稈產(chǎn)量呈負(fù)增長,均為建設(shè)用地大量占用耕地資源所致;整體來看,原料供應(yīng)適宜度較高的區(qū)域主要集中在中部和東北農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)區(qū),較小的區(qū)域主要是西北農(nóng)牧區(qū)和東部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū),可見農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模度和發(fā)達(dá)度是原料供應(yīng)適宜度的決定性因素。市場需求適宜度層面(MS),用電量排名靠前的是廣東、江蘇、山東、浙江等人口較多且社會經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的區(qū)域,排名靠后的是海南、青海、新疆、寧夏等區(qū)域,但是內(nèi)蒙古、寧夏等經(jīng)濟(jì)落后區(qū)域的電力消費增長率比江蘇、浙江等區(qū)域要高,說明這些區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展必然要求更高的電力供應(yīng)保障。綜合來看,秸稈發(fā)電市場空間較大的仍然是江蘇、廣東、浙江、山東等電力供應(yīng)缺口較大的區(qū)域,較小的則是東北、西南、西北地區(qū),與我國經(jīng)濟(jì)格局基本一致。產(chǎn)業(yè)發(fā)展成本適宜度層面(IS),秸稈資源密度較大的區(qū)域是河南、江蘇、山東、安徽和河北等農(nóng)業(yè)大省,秸稈收集運輸成本較小,資源密度較小的則集中在西部農(nóng)牧區(qū),秸稈收集成本較大;勞動力成本方面,較高的當(dāng)然是北京、上海、廣東、浙江等東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū),較低的是西北、西南經(jīng)濟(jì)落后區(qū),中部農(nóng)業(yè)區(qū)勞動力成本一般。綜合來看,產(chǎn)業(yè)發(fā)展成本適宜度較高的仍然是中部農(nóng)業(yè)區(qū),較低的是西北農(nóng)牧區(qū)和東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)。區(qū)域綜合適宜度(RR)方面,按照評分在80以上為極適宜區(qū),60～80之間為適宜區(qū),40～60為一般適宜,40以下為不適宜區(qū)的分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適宜度分區(qū)后可以看出(表5),秸稈發(fā)電綜合適宜度較高的是河南、山東、安徽、江蘇、河北、黑龍江、吉林等中部和東北傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū);綜合適宜度較低的是北京、上海、天津、浙江等東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)和青海、寧夏、甘肅、陜西等西北農(nóng)牧區(qū);其余區(qū)域秸稈生物質(zhì)發(fā)電的適宜程度一般。3秸稈發(fā)電企業(yè)布點規(guī)模由于秸稈發(fā)電技術(shù)水平和資源收集成本限制,目前國內(nèi)秸稈發(fā)電企業(yè)規(guī)模一般以不超過30MW為宜,以25MW的秸稈發(fā)電廠為例,每年需要消耗秸稈約30萬t,結(jié)合秸稈資源可利用率,可以對區(qū)域秸稈發(fā)電企業(yè)布點規(guī)模做出評價。D=T·a/30(2)式中,D表示秸稈發(fā)電企業(yè)布點規(guī)模;T表示區(qū)域秸稈資源總量;a表示秸稈資源可利用率。以河南、山東、安徽、江蘇、河北、黑龍江、吉林等主要秸稈發(fā)電適宜區(qū)為研究對象,可得到其秸稈發(fā)電企業(yè)布點規(guī)模評價結(jié)果如下。由圖中可以看出,隨著秸稈資源可利用率的增加,秸稈發(fā)電企業(yè)的數(shù)量也呈顯著上升趨勢,各區(qū)域秸稈發(fā)電企業(yè)的布點規(guī)模從利用率為10%時的20個左右分別增加到100%時的100個以上,尤其是河南、山東兩省,分別達(dá)到了226個和192個。當(dāng)然秸稈資源的可利用率不可能達(dá)到100%,除了田間損耗外,秸稈資源還普遍被用來作為燃料、飼料和工業(yè)原料,當(dāng)前秸稈實際可用來發(fā)電的比例不到40%,即使如此,發(fā)電前景也十分可觀。以河南省為例,在當(dāng)前40%的利用率下,可建成秸稈發(fā)電企業(yè)90個,按年運行7000h計算,年發(fā)電量可高達(dá)15.75×109kW·h,占全省2007年用電總量的10%左右,如果能夠進(jìn)一步提高秸稈資源的利用率,這一比例將會更高。所以僅就資源來說,我國秸稈發(fā)電產(chǎn)業(yè)是大有可為的,然而目前我國秸稈發(fā)電主要依靠丹麥等國家的進(jìn)口技術(shù)和設(shè)備,一個發(fā)電鍋爐就占了發(fā)電廠成本的30%左右,使得建站基本費用和以后的運行維修成本較大,因此必須通過開展秸稈發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)自主開發(fā)和相關(guān)