中国化石能源以生物质能源替代的潜力及环境效应研究

陈雅琳,高吉喜,李咏红(1.中国环境科学研究院,北京 100012；2.国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室,北京 100012；3.北京师范大学水科学研究院,北京 100875)

中国化石能源以生物质能源替代的潜力及环境效应研究

陈雅琳1,2,3,高吉喜1,3*,李咏红1,2(1.中国环境科学研究院,北京 100012；2.国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室,北京 100012；3.北京师范大学水科学研究院,北京 100875)

基于1953～2007年间的统计数据,根据消耗能值相等的原则,计算了中国化石能源能值消耗量及农作物残余物可替代能值量.结果表明,建国初期,化石能源资产消耗的能值量基本可以用农作物残余物来替代;随着化石能源消耗量的与日俱增,化石能源能值消耗与农作物残余物可补偿能值之间的差距越来越大,2007年,我国农作物残余物可替代能值量仅为化石能源能值消耗量的10.35%.对生物质能替代可减少的环境价值损失估算可知:1990～2007年,由于生物质能替代可以减少因煤炭开采造成的环境治理费用773.91亿元;减少因能源消费而造成的环境污染价值损失11311.76亿元,其中由于减少SO2排放而减少的环境经济损失量占环境污染经济损失量的56.93%,减少NOx和灰分排放分别占环境污染经济损失量的33.13%和9.94%.

化石能源；生物质能；能源替代；能值；环境效应

Abstract：Emergy wastage of fossil energy and the emergy that agricultural residues can substitute were calculated based on the statistical data during 1953 to 2007. The emergy of agricultural residues could almost compensate for that of fossil energy consumption in the early China. However, the disparity of emergy between wastage of fossil energy and agricultural residues supply was getting huger along with the society and economic development. The emergy that supplied by agricultural residues only accounted for 10.35% of which that the fossil energy consumption in 2007. It could reduce much environmental value loss if fossil energy were substituted by bio-energy. The reduced environmental governance cost was 773.91×108yuan because of reducing coal mining and the environmental value loss because of fossil energy consumption was 11311.76×108yuan from 1990 to 2007. Among them, the environmental value loss because of reducing sulfur dioxide emission was the most, which accounted for 56.93%. The environmental value loss because of reducing nitrogen oxides and ash emission respectively accounted for 33.13% and 9.94%.

Key words：fossil energy sources；bio-energy；energy substitution；emergy；environmental effects

生物质能是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源,作为重要的可再生能源,其在整个能源系统中占有重要地位[1].开发和利用生物质能已成为当今世界工业化国家节约能源和保护环境的重要手段[2],各领域的相关学者们均致力于生物质能的研究[2-9],以提高利用生物质能的效率[3],实现全球能源的可持续发展.

我国是一个农业大国,生物质能源潜力很大,有学者提出,如果在不适于种粮棉油的边际性土地种植薯类(特别是木薯)、甜高粱等能源作物,估计每年可替代相当于近1亿t原油的潜能[10],约占我国原油年产量的50%[11].同时,化石能源的生产过程中产生地面塌陷、泥石流、滑坡等一系列地质灾害;煤燃烧所释放的SO2占到全国总排放的85%,CO2占85%,NOx占60%,粉尘占70%[12-13],由酸化物排放引发的酸雨灾害.以上环境问题的预防与治理,均造成难以估算的经济损失.在这种背景下,本研究利用已有的统计资料和研究结果,定量评估了我国发展生物质能替代化石能源的环境价值损失量, 为我国能源安全及环境保护与可持续发展提供理论依据.

1 生物质能替代化石能源的分析

1.1能值的计算方法

能值的计算公式如式(1)[14]:

式中:EM为煤炭消耗的能值,sej/a,其中sej为太阳能焦耳;M为每年消耗煤炭的载能量, t/a;EN为单位质量煤炭所含能量,取值为3.18×1010J/ t[14];EMt为能值转化率,取值4×104sej/J[14].

由于所采用的能源消耗量数据单位均为万t标煤,公式(1)是计算原煤能值消耗量的,因此,在计算过程中,根据标煤:原煤=0.7143的比例关系,将能源消耗量换算成原煤进行计算.

1.2化石能源能值消耗

化石能源消耗除了本身所包含的能量以外,在其开采、运输过程中还要消耗额外的能源,虽然这部分能源相对于化石能源本身的量来说较小,但考虑到化石能源资产每年巨大的消费量,这部分额外能耗量的绝对值不可忽视.因此,在化石能源能值消耗的计算中,采用的均是化石能源资产的载能量,其中,1t标煤的载能量为1.037t标煤,由于油气田企业往往是既开采石油又开采天然气,因此,将石油和天然气一起考虑,开采1t标煤当量的石油或天然气的能源消耗量为81.4kg标煤,即开采1t标煤当量的石油或天然气的载能量为1.081t标煤[15],由此得出我国化石能源载能量如表1所示,并由此计算1953～2007年我国化石能源能值消耗量.

表1 1953～2007年中国化石能源载能量分析(万t标煤)Table 1 Carrier energy of fossil energy in China from 1953 to 2007(×104tce)

1.3农作物有效残余物能值分析

1.3.1农作物有效残余物计算 由于我国生物质能源开发利用尚处于起步阶段,完善的生物质资源的评价方法尚未建立.农作物残余物未列入国家有关部门的统计范围,一般根据农作物的产量和当地农作物的草谷比大致估算各种农作物残余物的产量,同时,在我国农村,农作物残余物中有些在收集过程中散落在地里、运输及储存时也有部分损失.因此,作为替代能源的可利用农作物残余量主要取决于总的农作物产量、农作物草谷比(表2),农作物残余物收集效率及用在其他部门的数量,单位农作物所产生的可用于替代化石能源的有效残余物(CRAeff,i)量可表达为式(2)[4]:式中:RCi为第i类农作物的草谷比;iα为农作物残余物在收集、运输及储存等环节损失量占总量的比率; βi为保留下来的农作物残余物作为其他用途的比率.

表2 我国农作物草谷比[5]Table 2 The crop to residue ratio in China

因此,每年我国总的可用于替代能源的有效残余物量(GRAeff)可表示为:式中:Yi为第i类农作物的产量,i=1,2,3…m.

图1 1953～2007年间我国可用于替代化石能源的农作物残余量Fig.1 Agricultural residues can be used to substitute fossil energy from 1953 to 2007 in China

将农作物残余物在收集、运输及储存等环节损失量占总量的比率设为0.10[10],保留下来的农作物残余物作为其他用途的比率 设为0.15[4,7].由此计算出1953年以来我国各年份可用于替代化石能源的农作物有效残余量如图1所示.

由图1可见,1953年以来,农作物残余物量呈波动增加趋势.20世纪70年代以前,波动最为明显;20世纪70～90年代期间,波动较小,基本是逐步增加,仅2000年农作物有效残余量比1999年明显减少;但此后增幅迅速,2007年达到最大值.1953～2007年间,农作物有效残余物总量达238.42亿t.

1.3.2农作物有效残余物能值分析 取玉米秸秆上部、中部、下部热值的平均值16536.33J/g作为农作物残余物的单位能量数值[1],估算出各年份农作物残余物可补偿的能值,由于参考资料的限制,以玉米残余物的能值转化率3.9× 104sej/J[16]作为农作物残余物总的能值转化率.

图2 我国化石能源消耗与农作物残余物可补偿能值分析Fig.2 The disparity of emergy between energy sources assets and agricultural residues

对比1953～2007年我国化石能源能值消耗与农作物残余物可替代能值可以发现(图2),建国初期,我国化石能源消耗的能值量基本可以用农作物残余物来替代,可随着社会经济的不断发展,我国耗用的化石能源量与日俱增,虽然农作物残余量也有所增加,但化石能源消耗能值与农作物残余物可补偿能值之间的差距越来越大,对化石能源的需求已无法用生物质能(农作物残余物)所替代,2007年,我国农作物残余物可替代能值量仅为化石能源能值消耗量的10.35%.54年间,我国仅化石能源消耗而损耗的能值累加量就达7.84×1025sej,这些不可再生资源的消耗,将降低我国经济社会自我发展的潜力,从而加剧对国际市场的依赖.

1.4生物质能替代化石能源分析

将公式(1)进行转换,得出农作物残余物所能补偿的化石能源量的计算公式为:

式中, M为农作物残余物所能补偿的煤炭资源量; Em为农作物残余物所能补偿的能值量;EN为单位质量煤炭所含能量,本文取值为3.18×1010J/t; EMt为能值转化率.

根据式(4)计算出1953～2007年中国农作物残余物所能补偿的化石能源量如表3.50多年来,农作物残余物所能替代的化石能源量逐渐增加,1953年所能替代的化石能源量为9648万t,20世纪60年代初期农作物残余物所替代化石能源量有所减少,这与当时的自然灾害密切相关,60年代初期的三年自然灾害影响了农作物的生长,直接导致了农作物残余物的减少.随后,农作物残余物所能替代的化石能源量迅速增加,1963年突破1亿t,随后仍呈现逐年增加趋势.

表3 1953～2006年中国农作物残余物所能补偿的化石能源量Table 3 Fossil energy quantity that agricultural residues can offset in China from 1953 to 2006

2 生物质能源替代化石能源的环境效应分析

2.1可减少化石能源开采的治理费用

根据苏立功等[17]的研究,目前采煤塌陷区地面沉降治理费应为6.11元/t原煤,矸石排放治理费应为5元/t原煤,煤矿矿井水排放治理费用为1.61元/t原煤,采煤造成了地下漏水、地表径流减少或干涸使土地质量下降、农作物减产、草原干枯等.目前采煤漏水土地治理费用为0.85元/t原煤.再结合鞠美庭等[18]的研究结果(表4),计算出2007年各省区因煤炭开采造成的环境破坏及治理费用如表5所示.

由表5可以看出,1990～2007年,中国由于生物质能替代可以减少因煤炭开采造成的地面沉降121684.19hm2、煤矸石排放量79094.73万t、矿井水排放量2652715.43万t.近20年来,共可以减少环境治理费用773.91亿元,其中,地面沉降治理费用371.75亿元、矸石治理费用304.21亿元、矿井水治理费用97.96亿元.2000年由于生物质能替代可减少的环境治理费用为42.84亿元,占本年度国家环境治理投资的4.22%,随着国家对环境保护的加强,环境治理投资逐年增加,但2006年由于生物质能替代可减少的环境治理费用仍占当年国家环境治理投资的1.84%.

表4 煤炭开采的环境影响估算Table 4 Environmental impact assessment of coal mining

表5 生物质能替代减少的开采破坏及治理费用投入Table 5 Decreasing ecological damage and environment governance cost by using agricultural residues in China

2.2可减少环境价值的损失

根据我国每t标煤当量化石能源消耗对环境的影响[19](表6),计算化石能源消耗对大气环境的污染.

从减少的污染物排放量来看,1990～2007年,中国由于生物质能替代而减少的3种污染物排放量在时间尺度上均呈波动增加(图3).其中,减少的SO2和NOx的排放量均未超过1000万t,减少的灰分排放量明显偏高,1990年灰分减少量为4600.84万t,2007年增加到5738.55万t.1990～2007年间,中国由于生物质能替代而减少的SO2排放量为12776.84万t,减少的NOx和灰分的排放量分别为4684.84万t和93696.83万t.

表6 煤炭、石油、天然气燃烧排放物比较(kg)Table6 Emission of coal, petroleum and natural gas combustion (kg)

图3 由于生物质能替代减少的污染物排放量Fig.3 Decreasing atmospheric pollutants by using agricultural residues

据有关专家估计,中国每年由于环境污染和环境资源的破坏所造成的经济损失至少为2000亿元,而根据我国排污费征收标准计算,每年排污收费为500亿元,仅占环境价值的25%[20].也就是说,排污收费对污染损失的补偿度仅为25%.

准确计算出污染物的环境价值对于制定科学合理的环境管理政策具有重要的意义,尽管环境和经济工作着一直致力于准确计算出污染物的环境价值,但一直未取得突破性的进展.本研究根据污染物的收费标准与补偿度的比值估算出污染物的环境价值.污染物环境价值的估算可以按照式(5)求得:

式中,Ve为环境价值估算值,元/kg;F为污染物收费标准,元/kg;β为对污染损失的补偿度,%.由此,估算出我国污染物的环境价值如表7所示.

1990～2007年,中国由于生物质能替代而减少环境经济损失11311.76亿元,其中由于减少SO2排放而减少的环境经济损失为6439.53亿元,占环境经济损失量的56.93%;由于减少NOx和灰分排放而减少的环境经济损失分别为3747.87亿元和1124.36亿元,分别占环境经济损失量的33.13%和9.94%.1990年由于生物质能替代而减少环境经济损失555.45亿元,是当年全国企业事业单位污染治理(治理废水、废气、固废、噪声)资金使用量的12.22倍,占1990年国内生产总值的3.14%;2000年由于生物质能替代而减少环境经济损失增加到626.21亿元,是当年工业污染源治理投资的2.62倍,占全国环境污染治理投资总额的61.70%,但占国内生产总值的比重却降到0.63%;虽然2007年由于生物质能替代而减少的环境经济损失量仍有所增加,但由于国家耕地面积基本不变,这也注定了其不可能无限制的增加(图4).

表7 污染物环境价值估算Table7 Estimation of pollution environmental value loss

图4 由于生物质能替代减少的环境价值损失Fig.4 Decreasing pollution environmental value loss by using agricultural residues

3 结论

3.11953～2007年间,中国化石能源能值消耗量

整体呈增加趋势,大致可以分为3个时期,20世纪60年代以前的快速增加阶段;20世纪60年代初～90年代末的平稳增加阶段;21世纪以来的高速增加阶段.

3.2建国初期,中国消费的化石能源基本可以由生物质能替代.虽然农作物残余物可替代的化石能源量逐年增大,但由于耕地面积的限制,其与化石能源消费量之间的差距日益增大,2007年,农作物残余物可替代的化石能源量仅为当年中国化石能源消费量的10.35%.

3.31990～2007年间,中国仅由于生物质能替代就可以减少化石能源开采环境治理成本773.91亿元;可减少化石能源消费环境经济损失11311.76亿元.

3.4生物质能燃料的使用不仅涉及收集、运输和存储,还有可能涉及到加工转化过程,但由于其加工转化方法各异,导致其加工转化率也差异较大,且目前生物质能加工转化仍处于初级阶段,缺少这方面的数据,因此,本文的研究中忽略生物质能加工转化过程中的损失.同时,在计算生物质能替代所减少的污染物排放时,也忽略了生物质能消耗所产生的污染.

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Potential of bio-energy substitute fossil energy and environmental effects.

CHEN Ya-lin1,2,3, GAO Ji-xi1,3*, LI Yong-hong1,2(1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；2.State Environmental Protection Key Laboratory of Regional Eco-process and Function Assessment, Beijing 100012；3.College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China). China Environmental Science, 2010,30(10)：1425～1431

X820.6

A

1000-6923(2010)10-1425-07

陈雅琳(1981-),女,山东莱阳人,北京师范大学博士研究生,主要从事区域生态研究.发表论文20余篇.

2010-02-02

环境保护公益性行业科研专项(200709029)

* 责任作者, 研究员, gaojx@ cares.org.cn