楊劍鋒，周芳芳

(鄭州大學(xué) 商學(xué)院，河南 鄭州 450001 )

我國(guó)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(guó)每年可利用的農(nóng)林廢棄物源總量約為5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤.農(nóng)業(yè)廢棄物可以通過(guò)一定的技術(shù)轉(zhuǎn)換成電力，即將農(nóng)業(yè)廢棄物原料進(jìn)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(jìn)行發(fā)電[1].隨著國(guó)家電力體制對(duì)清潔能源發(fā)展改革的大力支持以及煤炭?jī)r(jià)格的不斷攀升，清潔能源的發(fā)展已成為未來(lái)的總趨勢(shì).因此，在國(guó)家激勵(lì)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(shù)極為符合國(guó)家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的方向，所以有必要對(duì)清潔能源進(jìn)行進(jìn)一步的規(guī)劃和綜合利用.

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是美國(guó)麻省理工學(xué)院的Forrester[2]教授于20世紀(jì)60年代創(chuàng)立的. 20世紀(jì)70年代初，他與來(lái)自各國(guó)的專家在羅馬俱樂(lè)部構(gòu)建了一個(gè)能夠預(yù)測(cè)未來(lái)發(fā)展的世界模型，他們?cè)谠撃Ｐ椭兄攸c(diǎn)研究了人口、農(nóng)業(yè)、資源、工業(yè)與污染等決定增長(zhǎng)的五大因素的變化趨勢(shì)，并由模擬運(yùn)算的結(jié)果編寫了著名的《增長(zhǎng)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(chǔ)，也為這類復(fù)雜大系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)提供了一種工具.時(shí)至今日，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)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(jì)效益分析等，中等的如行業(yè)、城市規(guī)劃等，大的則有國(guó)家模型和全球模型.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)之所以發(fā)展得如此迅速，另一個(gè)原因是它在開始發(fā)展之初就擁有自己的計(jì)算機(jī)軟件工具，如初期的DYNAMO、DYSMAPZ等[6-7].近年來(lái)，麻省理工學(xué)院又開發(fā)了在WINDOWS環(huán)境下運(yùn)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(qiáng)研究者和決策者之間的聯(lián)系.本研究應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)知識(shí)和VENSIM軟件來(lái)分析農(nóng)村生物質(zhì)能源的綜合利用對(duì)區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的影響，為當(dāng)?shù)卣哪茉匆?guī)劃提供了依據(jù).

1 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在農(nóng)村能源中的應(yīng)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(diǎn)火，大大縮短了火力啟動(dòng)的時(shí)間.顆粒燃料運(yùn)送到發(fā)電廠后可直接應(yīng)用，幾乎不再需要加工，而煤炭運(yùn)到發(fā)電廠后需要用球磨機(jī)對(duì)煤進(jìn)行研磨以后才可以使用，這增加了使用過(guò)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(duì)比見(jiàn)表1.

表1 煤和顆粒的對(duì)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(guò)對(duì)顆粒和電煤之間關(guān)系的研究來(lái)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(shè)為基礎(chǔ)，結(jié)合該地區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的發(fā)展，利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的仿真模型來(lái)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(jiàn)表2.

1.2 平頂山市能源建設(shè)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

1.2.1 系統(tǒng)因果關(guān)系圖

以河南省平頂山市的農(nóng)村清潔能源為研究對(duì)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(jiǎn)化為沼氣、太陽(yáng)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(dòng)力學(xué)原理，描繪出這些變量之間相互依存、相互作用的因果關(guān)系圖，見(jiàn)圖1.

圖1 SD流圖因果關(guān)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(yáng)能、沼氣、電力、液化氣、家用煤、薪柴等構(gòu)成.沼氣、太陽(yáng)能、電力和液化氣作為清潔的能源，每年以某種速率增長(zhǎng)，而薪柴和家用煤則因?yàn)榍鍧嵞茉吹脑鲩L(zhǎng)而被逐漸替代.隨著煤炭資源的減少、價(jià)格的增高以及煤炭帶來(lái)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(yīng)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，煤炭逐漸被替代，見(jiàn)圖2.

1.2.2 模擬結(jié)果

由模擬的結(jié)果圖(見(jiàn)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(yáng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)煤增長(zhǎng)到2020年的186 773 t標(biāo)準(zhǔn)煤.這么大幅度的增長(zhǎng)是因?yàn)閲?guó)家在政策上鼓勵(lì)使用顆粒燃料，因?yàn)轭w粒燃料的規(guī)?；l(fā)展從根本上保護(hù)了國(guó)家利益，比如保護(hù)環(huán)境、節(jié)能降耗、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、保證國(guó)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(lái)國(guó)際上的碳匯補(bǔ)償?shù)龋栽谖磥?lái)的時(shí)間里顆粒將會(huì)被大量使用.

2010年，薪柴占農(nóng)村生活用能消費(fèi)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(lái)薪柴使用的走勢(shì)，在2010年薪柴作為燃料使用量為93 208 t標(biāo)準(zhǔn)煤，清潔能源實(shí)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(biāo)準(zhǔn)煤.雖然電煤的使用是逐年增加的，但因?yàn)轭w粒對(duì)煤炭有一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)煤降到2020年的178 380 t標(biāo)準(zhǔn)煤.隨著越來(lái)越多的家用電器進(jìn)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(zhǎng)幅度的加大是因?yàn)轭w粒燃料的規(guī)?；a(chǎn)發(fā)電使得電價(jià)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(dòng)力學(xué)提高的一個(gè)重要分析工具，它通過(guò)改變系統(tǒng)中某些因政策變化而引起的變量的變化來(lái)分析該政策對(duì)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(xiàng)針對(duì)農(nóng)戶對(duì)各種能源態(tài)度的調(diào)查(見(jiàn)表3)顯示，農(nóng)戶比較喜歡使用秸稈，但過(guò)多使用秸稈不僅會(huì)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(jì)組織和農(nóng)民經(jīng)紀(jì)人隊(duì)伍、制定優(yōu)惠政策鼓勵(lì)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(jìn)而減少電力用煤量、提高電力供應(yīng)量.

表3[9] 農(nóng)戶對(duì)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(duì)顆粒生產(chǎn)廠家的補(bǔ)貼力度

通過(guò)價(jià)格補(bǔ)貼，增強(qiáng)顆粒燃料與常規(guī)能源的競(jìng)爭(zhēng)力，減少農(nóng)民的能源支出，刺激農(nóng)民的能源消費(fèi)，促進(jìn)顆粒燃料的規(guī)模化生產(chǎn).一個(gè)關(guān)于“農(nóng)戶能源不夠用如何處理”的調(diào)查問(wèn)卷[11]顯示，5.6%的農(nóng)戶會(huì)“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(dá)39.1%和32.7%的農(nóng)戶選擇了“買煤”和“買電”. 如今，煤的價(jià)格一直上升而顆粒燃料的價(jià)格和顆粒發(fā)電的價(jià)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(dāng)煤的價(jià)格上升、顆粒價(jià)格不變(320元/t)時(shí)，顆粒對(duì)煤的替代率為50%，如圖5所示.由圖5可以看出，顆粒對(duì)煤炭的替代率提高以后，電力的供應(yīng)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(yīng)和消費(fèi)的歷史及現(xiàn)狀，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的原理和方法，從清潔能源開發(fā)促進(jìn)農(nóng)村社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展出發(fā)，對(duì)該地區(qū)清潔能源的開發(fā)利用及相關(guān)問(wèn)題進(jìn)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(fèi)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(yáng)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(jìn)而使農(nóng)戶獲得的有效能得到了提高.

(3)政府的政策導(dǎo)向在清潔能源的開發(fā)中很重要，通過(guò)兩個(gè)方案的政策模擬可以看出，無(wú)論是秸稈在顆粒利用率方面的提高還是顆粒價(jià)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(lái)的效果是顯著的.

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