作者：杨剑锋 周芳芳 单位：郑州大学商学院
我国拥有丰富的生物质资源，理论资源量为50亿吨左右．目前，我国每年可利用的农林废弃物源总量约为5亿吨标准煤．农业废弃物可以通过一定的技术转换成电力，即将农业废弃物原料进行干燥、粉碎，然后经冷态压缩形成农业废弃物颗粒，以这些颗粒为燃料进行发电［1］．随着国家电力体制对清洁能源发展改革的大力支持以及煤炭价格的不断攀升，清洁能源的发展已成为未来的总趋势．因此，在国家激励清洁能源发展的背景下，农业废弃物颗粒气化发电技术极为符合国家能源结构调整的方向，所以有必要对清洁能源进行进一步的规划和综合利用．系统动力学是美国麻省理工学院的Forrester［2］教授于20世纪60年代创立的．20世纪70年代初，他与来自各国的专家在罗马俱乐部构建了一个能够预测未来发展的世界模型，他们在该模型中重点研究了人口、农业、资源、工业与污染等决定增长的五大因素的变化趋势，并由模拟运算的结果编写了著名的《增长的极限》［3］一书．世界模型的提出，为其后全球可持续发展战略的提出奠定了基础，也为这类复杂大系统的模拟实验提供了一种工具．时至今日，系统动力学已经被广泛地用于各种微观和宏观系统［4－5］，小的如产品开发、企业管理、经济效益分析等，中等的如行业、城市规划等，大的则有国家模型和全球模型．系统动力学之所以发展得如此迅速，另一个原因是它在开始发展之初就拥有自己的计算机软件工具，如初期的DYNAMO、DYS-MAPZ等［6－7］．近年来，麻省理工学院又开发了在WINDOWS环境下运行的直观方便的图形化VENSIM软件工具［8］，这些软件都有助于加强研究者和决策者之间的联系．本研究应用系统动力学知识和VENSIM软件来分析农村生物质能源的综合利用对区域生态经济系统的影响，为当地政府的能源规划提供了依据．
1系统动力学在农村能源中的应用
1．1因素分析
农业废弃物颗粒燃料在工作情况下基本能够燃尽，而煤不能燃尽，所以前者的热效率更高．颗粒燃料的着火性比煤好，易于点火，大大缩短了火力启动的时间．颗粒燃料运送到发电厂后可直接应用，几乎不再需要加工，而煤炭运到发电厂后需要用球磨机对煤进行研磨以后才可以使用，这增加了使用过程中的电耗，所以利用农业废弃物颗粒燃料气化发电、直燃发电或者与煤混烧发电都有很好的发展前景．颗粒燃料与煤的对比见表1．本研究在能源规划上引入了颗粒发电这一变量，通过对颗粒和电煤之间关系的研究来规划能源结构．以平顶山市农村能源生态工程的建设为基础，结合该地区社会、经济和环境的发展，利用系统动力学的仿真模型来研究该地区能源的综合利用和规划，2010年该地区能源结构的初始状态见表2．
1．2平顶山市能源建设的系统动力学模型
1．2．1系统因果关系图以河南省平顶山市的农村清洁能源为研究对象，确立了清洁能源开发利用的研究方法．首先，将清洁能源开发模拟与分析系统简化为沼气、太阳能、电力、秸秆利用量这些状态变量，找出影响这些变量的主要因素，利用系统动力学原理，描绘出这些变量之间相互依存、相互作用的因果关系图，见图1．平顶山市农村的生活用能主要由太阳能、沼气、电力、液化气、家用煤、薪柴等构成．沼气、太阳能、电力和液化气作为清洁的能源，每年以某种速率增长，而薪柴和家用煤则因为清洁能源的增长而被逐渐替代．随着煤炭资源的减少、价格的增高以及煤炭带来的环境污染，作为电力主要原料的煤炭逐渐被清洁的颗粒能源所替代．虽然煤炭的用量每年都在增加，但是由于颗粒供应的价格优势，煤炭逐渐被替代，见图2．
1．2．2模拟结果由模拟的结果图(见图3)可以看出，农村生活的总供能逐年递增，作为燃料的薪柴和家用煤逐年减少，由家用煤+薪柴+电力+液化气的模式变为沼气+太阳能+电力+液化气的用能模式，用能效率得到了提高，获得的有效能也相应增多．颗粒的使用量是逐年递增的，由2010年的35521t标准煤增长到2020年的186773t标准煤．这么大幅度的增长是因为国家在政策上鼓励使用颗粒燃料，因为颗粒燃料的规模化发展从根本上保护了国家利益，比如保护环境、节能降耗、调整能源结构、保证国家的能源安全和生态农业的可持续发展以及减排CO2所带来国际上的碳汇补偿等，所以在未来的时间里颗粒将会被大量使用．2010年，薪柴占农村生活用能消费总量的12%．随着清洁能源的开发利用，清洁能源逐步替代了作为燃料使用的薪柴，薪柴的使用将逐渐减少，最终被清洁能源完全替代．从图3中可以看出未来薪柴使用的走势，在2010年薪柴作为燃料使用量为93208t标准煤，清洁能源实施后，作为燃料使用的薪柴逐步减少，到2020年减少为58379．8t标准煤．虽然电煤的使用是逐年增加的，但因为颗粒对煤炭有一个替代作用再加上颗粒的使用量逐年大幅增加，所以电力用煤量由2010年的263585t标准煤降到2020年的178380t标准煤．随着越来越多的家用电器进入农村家庭，农村的电力消耗在逐年提高．2013年之后，电力增长幅度的加大是因为颗粒燃料的规模化生产发电使得电价维持在一定的水平不变，生活用能更倾向于使用电力．
2政策模拟
政策模拟是系统动力学提高的一个重要分析工具，它通过改变系统中某些因政策变化而引起的变量的变化来分析该政策对系统输出结果的影响．
2．1增加颗粒生产的秸秆用量一项针对农户对各种能源态度的调查(见表3)显示，农户比较喜欢使用秸秆，但过多使用秸秆不仅会造成环境污染，而且使得秸秆用于生物能源方面的比例下降．为了改善这种情况，政府可以采取一些措施，如制定秸秆禁烧管理制度、发展专业合作经济组织和农民经纪人队伍、制定优惠政策鼓励农户多使用电力等，这些政策可以使用于颗粒和沼气生产的秸秆比例得以提升，进而减少电力用煤量、提高电力供应量．目前，平顶山市只有6%的农村秸秆用于颗粒和沼气的生产，如果政府给予政策上的支持，该比例可提升至10%［10］，产生的结果如图4所示．
2．2加大对颗粒生产厂家的补贴力度通过价格补贴，增强颗粒燃料与常规能源的竞争力，减少农民的能源支出，刺激农民的能源消费，促进颗粒燃料的规模化生产．一个关于“农户能源不够用如何处理”的调查问卷［11］显示，5．6%的农户会“减少能源使用”，11．3%的农户选择了“自己收集更多的生物质能源”，高达39．1%和32．7%的农户选择了“买煤”和“买电”．如今，煤的价格一直上升而颗粒燃料的价格和颗粒发电的价格在逐渐下降，农户更倾向于选择电和颗粒．据调查分析，当煤的价格上升、颗粒价格不变(320元/t)时，颗粒对煤的替代率为50%，如图5所示．由图5可以看出，颗粒对煤炭的替代率提高以后，电力的供应量显著增加而电力用煤明显减少．#p#分页标题#e#
3结论和建议
根据平顶山市农村地区能源供应和消费的历史及现状，运用系统动力学的原理和方法，从清洁能源开发促进农村社会、经济、环境和生态的协调发展出发，对该地区清洁能源的开发利用及相关问题进行了系统模拟，可得出以下结论:
(1)清洁能源的开发利用可以减少石化燃料的开发，可以替代薪柴、家用煤等非清洁能源，可以使农村生活用能的消费结构得到优化，即由2010年的家用煤+薪柴+电力+液化气的模式变为2020年的沼气+太阳能+电力+液化气的模式．在生态环境方面，清洁能源替代了非清洁能源，使得环境得到了优化．
(2)在系统模拟中，用高效率的清洁能源替代了传统的低效率能源，使农村的用能效率得到了提高，进而使农户获得的有效能得到了提高．
(3)政府的政策导向在清洁能源的开发中很重要，通过两个方案的政策模拟可以看出，无论是秸秆在颗粒利用率方面的提高还是颗粒价格的降低都需要政府在政策上给予支持，政府的政策支持所带来的效果是显著的．
