可再生能源资源的系统评价方法及实例

可再生能源资源的系统评价方法及实例提要可再生能源资源评价是可再生能源综合规划的前提，由于能源综合规划各环节之间是相互关联的，因此，能源资源评价不能独立于其它分析过程而单独进行。特别是对可再生能源资源来说，评价内容除了要考虑储量、开采量、生产率等进行一般能源评价所考虑的因素以外，更应注重可再生能源资源的开发技术及市场分析。由于目前对可再生能源的资源评价尚未形成比较系统的评价体系，因此，论文根据可再生能源资源的特性以及它与技术、市场之间的内在联系，从一般系统论的观点出发，对可再生能源资源的系统评价方法进行了研究。最后以秸秆资源为例，对以上选择的评价方法进行了实际应用。关键词可再生能源资源；系统评价方法；秸秆资源1引言可再生能源资源所具有的可再生性和清洁性特点决定了它必将在未来的社会经济发展中发挥越来越重要的作用。因为可再生能源资源评价是可再生能源资源综合规划的前提，因此，在对每一种可再生能源资源利用之前，首先应该对其进行客观评价。同时，由于能源综合规划各环节之间是相互关联的，所以能源资源评价不能独立于其它分析过程而单独进行。特别是对可再生能源资源来说，评价内容除了要考虑储量、开采量、生产率以及成本、价格、租金等进行一般能源评价所考虑的因素以外，更应注重可再生能源资源开发技术与市场分析。目前，对可再生能源资源的评价方法比较单一，缺少比较系统的评价指标，更未能形成综合的评价指标体系，因此，有必要根据可再生能源资源的特性以及它与技术、市场之间的内在联系，从一般系统论的观点出发，对可再生能源资源的系统评价方法进行研究，并建立可再生能源资源评价的指标体系。2可再生能源资源的系统评价方法的确定与不可再生能源相比，可再生能源资源具有能源密度低，不确定性程度大，可获得量与技术密切相关的特点。另外，可再生能源资源具有地域性特点，一般不进行地区间的贸易，不易输送。其资源量的实际开发程度还受当地不可再生能源资源供应情况的制约。在进行资源评价时必须充分考虑这些具体的特点，才能给出真实可靠的分析结果。因此，本文认为有必要寻求可再生能源资源的系统评价方法，构建相应的评价指标体系。2.1评价方法2.1.1生产率分析可再生能源资源的可再生性并非无限制地加以利用，影响其生产率的参数主要包括转换技术的效率、可利用资源量和潜在用户市场。对可再生能源资源的利用率具有决定影响的是生产条件的制约，包括设备技术性能和现实条件下实际可被利用的资源量等。在进行规划时必须弄清这些限制，以避免过高估计可再生能源资源的实际利用率。2.1.2经济性分析(1)建立可再生能源资源开发利用的系统动态优化模型[1]可再生资源通常具有公共商品的性质，从全社会的角度建立系统的优化模型：式中，U(Yt)为社会总收益；TC(Yt)为资源利用的总成本；Yt为资源流量；R为资源量；f(R)为不开采状态下资源的自然增长率，即：f(R)=dR/dt|Yt=0上述问题的拉氏函数为：当社会总收益达到最大时应满足：dL/dYt=0，dL/dR=0，dL/dλ=0即：D＝MC＋λdλ/dt＝(r－df/dR)×λdR/dt＝f(R)－YtD为边际效益；MC为边际成本；λ为可再生资源的影子价格，它的变化率受增长函数的影响，即：(dλ/dt)/λ=R－df/dR。达斯古帕塔称R－df/dR为社会贴现率。若将式(1)看作是单个生产者的决策函数，上述结果仍成立，只是上述公式改写为：P＝LRMC＋RT其中，P为能源产品的市场价格；LRMC为生产者的长期边际成本；RT则为资源租金，表征生产者使用资源所应付给资源所有者的报酬。(2)边际成本的确定[2]可再生能源生产的经济性的评价也要借助边际成本的概念。但区别于不可再生能源边际成本是能源生产累计量的函数，可再生能源的边际成本与生产技术及市场条件相关。受生产规模及市场开拓率的影响，其边际成本并不是单调上升的。一般初期投资高昂，随着生产规模的扩大，成本逐渐下降，到达最低成本后，在条件最有利的地区该技术已被广泛采用，以后要想超过这一规模扩大市场供应，就要将技术应用于条件不太有利的地区，从而导致成本上升。边际成本的计算采用长期生产平均增量成本(AIC)法。AIC定义为：在某一规划期内因提供和维持某种可再生能源产品的需求量而增加的费用的贴现总和除以规划期内经过贴现产量增量。式中，AICi表示贴现率为i的平均增量成本；It表示第t－t0年的各项投资费用，包括信息成本；Mt－Mt0表示第t－t0年的运行和维修费用增加量；Qt－Qt0表示第t－t0年的产量增量；T表示开发和生产年限。对一个新建项目，Mt0和Qt0均为0，因此AIC就是长期平均成本。(3)全寿命期成本[3]：由于可再生资源技术具有初期投资高，运行费用低，燃料费实际等于零的特点，在评价其经济性时，使用全寿命期成本显得尤为重要。其中，PV为该能源系统全寿命期成本的总现值；I为该系统初始投资总成本。对于一项可再生能源技术，其开发研制需投入大量的科研成本，在推广过程中也要付出信息传播、宣传、交流、示范和培训的可观费用。即使科研成本由国家负担可作“沉没”处理，对于一个生产决策单位，信息成本却是必须付出的，因此也应将其考虑在内。V为寿期终了的第n年设备的残值；a为贴现率为d时的简单现值公式，即a=(1＋d)，j=1到n年；M为第j年的维护成本；R为第j年的设备修理及更换成本；P为所消费燃料的初始价格；Q为所需的燃料量（计入设备效率）；b为通货膨胀率为e时考虑燃料费的上涨计算第j年现值的公式，即b＝(1＋e)(1＋d)。2.2评价指标的选择2.2.1资源量指标[6、7](1)实物量指标实物量指标包括：1)理论蕴藏量：指理论上地区每年可能拥有的可再生能源资源量。各种可再生能源资源的理论蕴藏量的计算见表1至表4。表1几种可再生能源资源的理论蕴藏量Table1Theoreticalstoragequantityofseveralrenewableenergyresources能源种类理论蕴藏量主要参数太阳能地面年所受辐射总量入射角、大气散射与吸收、云层厚度、大气浑浊度风能功率密度×年有效风速小时数平均有效风速、空气密度、有效风速小时数水能流量(m3/s)和水头(m)生物质能秸秆实物量薪柴林木种植面积×单位面积产柴量粪便年人畜数量×单位人畜年排泄量表2不同农作物的谷草比Table2Ratioofstrawandgrainofdifferentcrops品种谷草比小麦1∶1大豆1.5∶1玉米2∶1谷子1∶1水稻1∶1花生2∶1红薯1∶1棉杆3∶1表3不同径薪柴产柴量Table3Firewoodproducingquantityforfirewoodofdifferentdiameters径阶(cm)平均每株提供薪柴量(kg)＜10012～207.5～1022～23100～12536以上300～325表4单位人畜年粪便排泄量Table4Annualexcretapercapitaandperlivestock种类单位排泄量(kg/d)人粪0.6猪粪4牛粪20马粪15羊粪0.5鸡粪0.12)可获得量：指通过现有技术条件可以转化为有用能的可再生能源资源数量，因此，可获得量是一个与技术密切相关的实物量指标。同一种可再生能源资源因转换的技术路线不同而有不同的可获得量。为此用资源最大可获得量和技术基准可获得量两个指标来反映技术对资源利用的制约。资源最大可获得量=满足现有能最大限度转换资源技术参数要求的理论资源量×收集系数技术基准可获得量=满足某一技术路线的基本参数要求的理论资源量×收集系数技术基准可获得量与资源利用的具体技术路线密切相关，反映的是某一技术对资源的利用能力。因此，使用这一指标时必须指明技术对象。所谓基本参数要求是以技术目前普遍面貌而言，即使个别企业能够达到较高的技术利用水平，也不能作为制定技术基本参数的依据。与技术基准可获得量不同，资源最大可获得量反映的是已有技术对资源的最大利用。应当说明的是，这里所说的能够最大限度地转换资源的技术是指可以使用相对劣等资源进行生产的技术，有时它与技术的先进性并不一致，例如：直接燃烧秸秆对秸秆的性质并无要求，但显然是低效率的能源利用方式。生物质资源的收集系数与收集半径有关，太阳能、风能、水能收集系数为1，由此可知：太阳能热水器的基准太阳能可获得量=所有公寓上都安装太阳能热水器所利用的太阳能资源量；风电的风能基准可获得量=地区所有有利地点（风速大于有效风速）都安装足够多的风力透平所利用的风能数量；水电的水能基准可开发量=根据勘探、设计和普查资料，水量和落差可以被水电站利用的水能资源量。3)可利用量：指实际可以用来进行能源生产的可再生能源资源量。可利用量=可获得量×可利用系数可利用系数是一系列对能源生产的非技术性约束的综合表述，通常包括地区该种可再生资源的能源用途份额和环境生态制约因子等。例如为保护自然景观，在某些风能资源丰富的地区不能安装风力透平；为保护生态和实现可持续发展，林木的采伐要适度等。生物质资源除用作燃料外，还有造纸、还田和作青粗饲料等多种用途。因此，在计算其可利用量时，要分析当地秸秆资源的真正用途结构，确定实际能源用途份额，才能给出正确评价。4)能量密度：这是一个用以反映资源丰度的指标。显然这一指标越高，表明这一区域内的能源资源越丰富。当资源量分别取理论蕴藏量、可获得量和可利用量时，对应有理论能量密度、可获得资源能量密度和可利用资源能量密度。合理确定区域面积是这一指标正确指示资源质量的保证。5)有效供能时间：能源资源供应在时间维度上的持续性是标志资源质量的另一项重要参数，在风能资源的评价中尤为显著。(2)经济可承受量：对特定地区，结合当地的实际情况（如不同的资源获得代价，不同的补贴政策等），同一种技术路线可能会带来不同的产品成本，从而制定不同的产品价格。这些都影响到用户对可再生能源资源产品的接受度。如果按照某一种技术路线开发的资源产品超出了本地消费者的承受范围或愿意承受范围（接受水平），该种资源实际上不会得到开发利用。经济可承受量便是在成本、价格指标的基础上结合当地的实际情况建立的衡量指标。它只反映用户的接受度对资源开发的影响，并不反映生产的经济性。经济可承受量=可利用量×接受系数接受系数=接受水平以上的能源产品数/总的可能能源产品开发数。(3)综合经济指标这是一个向量指标。人均常规能源占有量反映地区常规能源的供应不足程度，单位是人·年/tce。这一指标表明某一地区单位常规能源所要承载的人口数，指标越大，则常规能源的供应压力越大。例如，2人·年/tce表明地区一吨标煤的常规能源要供2人使用一年，而3人·年/tce表明地区一吨标煤的常规能源要供3人使用一年。因此，后者利用可再生能源资源的要求更大。人均国民收入越多，消费者对能源质量的要求越高，提供清洁能源的可再生能源资源的需求量也越大。在这两个参数的作用下，形成了某一地区可再生能源的资源利用倾向。2.2.2经济可获利开发量一个地区某种可再生能源资源的经济可获利开发量为其n个实际决策区域的最大经济获利开发量之和。决策时只要开发量在地区最小经济获利开发量和最大经济获利开发量之间便可实现规模经济。式中，Q0为分块区域内潜在市场需求量，可以通过调查当地用户能源需求结构，确定可再生能源的市场份额；QB为分块区域内基准经济获利开发量，指生产成本等于期望价格时的生产规模。其中，Q*为分块区域潜在最大经济可获利开发量；Q0为分块区域内潜在市场需求量。值得注意的是，用最小经济获利开发量和最大经济获利开发量作度量表征的是资源利用的潜力，而不是具体的开发数量。它们受技术水平、所替代的常规能源的价格和潜在能源需求的影响，是一动态参数。生产者的实际生产规模应介于最小经济获利开发量与最大经济获利开发量之间，以保证生产的经济性。3应用举例下面选择中国南方某地的4个村庄（以A、B、C、D表示）的秸秆资源为例来说明以上指标的应用。主要秸秆资源转化技术选择气化集中供气技术。各村庄的基本情况见表5。表5各村的基本情况Table5Basicconditionsofeachvillage村名