穆獻中，余漱石，徐鵬

（北京工業大學循環經濟研究院，北京100124）

　　摘要：對農村生物質能源進行開發利用已經成為中國可再生能源戰略規劃的重要組成部分，對生物質能源的開發利用逐漸受到重視，對其開展的文獻研究廣度與深度也在不斷拓展。通過梳理總結農村生物質能源發展相關文獻研究，從潛力評價、技術更新、經濟效益與環境效益4個方面歸納了現有研究得到的成果與不足，為推動生物質產業持續健康發展提供參考。生物質能源發展潛力巨大，然而近期仍需要政府扶持等外部支持手段來推動其發展，如何推動生物質能源開發利用綜合效益提升仍需要進一步深入研究。

　　傳統化石能源作為中國長期以來消耗的主體能源，支撐了中國幾十年來經濟的快速發展，同時也帶來了嚴重的污染問題。隨著能源短缺危機與環境污染問題日益嚴重，以清潔與可再生概念為核心的新能源發展在全球范圍內得到關注。其中生物質能因其環境友好、可再生、蘊含量大等特點，近年來成為許多發達經濟體能源發展規劃的重要組成部分。

　　作為傳統農業大國，我國農業生產活動衍生出大量生物質廢棄物資源，農村生物質資源具有資源量大、再生性強等特征，具備較高的開發潛力。結合我國農村特點，重點開發農村生物質能源是緩解國家能源約束的重要路徑。然而由于生物質資源的低品位與分散性，大量農村生物質并沒有得到有效利用，反而被隨意填埋與焚燒，成為影響環境的廢棄物。積極開發利用生物質資源并將其轉化為高品位能源既有利于處理廢棄垃圾、改善環境條件、促進生態循環，又有助于緩解能源緊張局面，目前已經成為學界研究的熱點問題。影響生物質能源發展的影響因素主要包括資源豐度及可獲得性、技術水平、成本經濟性、市場接受程度、替代能源價格、外部性及政府政策支持等。本文通過對生物質開發利用相關專題文獻進行梳理與綜述，從生物質開發潛力、技術經濟性、生物質經濟效益、生態環境效益4個方面進行述評，歸納生物質開發利用與產業化發展過程中的經驗與問題，為農村生物質能源發展提供參考。

　　1農村生物質資源潛力評價研究

　　生物質能廣義上指太陽能以化學能形式存儲于生物質中，以生物質為載體的能量。目前技術水平下具備開發價值的農村生物質資源一般包括農作物秸稈、林木生物質殘余物、禽畜糞便與能源作物等。其中可作為能源作物的常用樹種包括麻風樹、油桐、烏桕、漆樹、油茶、黃連木等。對生物質資源進行有效利用首先需要建立在對生物質資源的充分認識與評價的基礎上。早期由于生物質資源空問分布零散、收集統計困難，且經濟發展用能以化石能源為主導，對生物質資源的研究資料較為匱乏。

　　隨著生物質能成為部分發達國家能源規劃的重要組成部分，20世紀90年代開始對生物質資源潛力評價的情景分析研究逐漸增多。近年來學界研究逐步深化，統計與評價方法不斷得到改進，對生物質潛力評價的廣度與準確度都得到較大提升。Batidzirai界定了4種生物質潛力，包括理論潛力、技術潛力、生態可持續潛力與市場潛力，隨之確定了3類評價方法：以資源為重點、以需求為導向和綜合評估。目前資源導向方法以空間評估與統計分析為主，而需求驅動方法則主要采用成本供應分析與能源系統建模的方法。Brosowski認為影響生物質潛力的2個最重要因素是土地利用與人口分布，同時不同的來源數據、時問范疇及空間參考都可能引致研究結果的顯著差異。通過對德國生物質利用案例的研究，編制了93種生物質潛力估計表，確定德國技術生物質潛力在92.7×10⁷～122.1×10⁷t之間。Miguel提出解決生物質潛力評估不確定性的一種新方法，利用擴展概率函數與蒙特卡羅算法進行估計，并通過敏感性分析得到對不確定性貢獻最大的關鍵參量。哥倫比亞案例的實證研究結果表明，該方法可降低至少30％的不確定性。

　　隨著氣候環境條件的變化、統計資料的更新以及核算方法的改進，國內學者也在多個時期階段對各區域的資源量進行測算。蔡亞慶運用草谷比法核算了中國省級秸稈資源密度及能源化潛力，估算得到2009年中國秸稈理論資源量約7.48×10⁸t，能源化潛力為1.52×10⁸t。區域對比顯示長江中下游與華北地區資源潛力較大，黃土高原與西南地區資源量較低。左旭重點考察了玉米秸稈的資源潛力與利用途徑，估算得到中國2013年玉米秸稈資源量達2.403×10⁸t，在各類農作物秸稈中產量最高，主要分布于東北與黃淮海地區，適用于可再生能源的開發利用。劉志彬結合了作物秸稈的草谷參數與能量比率，估算出中國2011年主要農業生物質資源發電潛力為6.833×10⁴MW，認為中國農業生物質資源儲量豐富，相應生物質發電產業的發展有助于應對能源短缺與環境污染兩大問題。Chen開發了多市場價格內生的非線性數學規劃模型，以縣級區域為作物生產的基本決策單位，確定了各種農作物最佳土地分配、作物市場價格與附屬生物質價格等參量，估計了中國殘余生物質供應的經濟潛力，分析表明，生物質價格為60美元/t時，供應總量在5.47×10⁷t以內；當生物質價格大于100美元/t時，中國每年可生產174.4×10⁷～248.6×10⁷t農作物生物質，其中稻草約占47％，玉米與小麥秸稈所占比例分別為28％與25％。

　　對生物質潛力的估計結果存在許多誤差影響因素，隨著研究的深入，對生物質潛力的評價已經由單純的理論與技術潛力估算向考慮生態影響的可持續潛力與考慮經濟影響的市場潛力方向發展。理論與技術潛力通常根據技術參數進行分類統計與估算，生態潛力與市場潛力則需要進一步考慮多系統均衡以進行綜合評價。同時近年來文獻中國內外學者都逐漸重視對估計誤差中的不確定性的衡量。評價方法的改進為生物質潛力的準確度量提供一定的參考。生物質能在北歐、南美、北美許多國家的能源供應體系中占據重要地位，而國內發展相對滯后，中國充足資源儲量蘊含著巨大的可持續發展潛力，未來對資源潛力的研究需要根據可收集潛力、生態潛力與經濟市場潛力分類進一步減少誤差，對具備商業化利用價值的資源量分布準確評估，為產業發展提供基礎依據。

　　2生物質能轉化技術經濟性研究

　　生物質能屬于可轉化為固態、液態、氣態三相的含碳可再生能源。從生物質獲得能量的主要過程包括直接燃燒、熱解、氣化、液態氣化、液化、厭氧消化、酒精發酵和酯交換。經過技術轉化，可制取生物柴油、乙醇燃料、固體燃料、生物質燃氣、沼氣，或用于生物質發電等項目。根據生物質原料和所需能量形式的不同，各種技術都有自身優勢。燃燒過程主要轉化為熱能，氣化與熱解等方式主要轉化為化學能。第一代生物質燃料主要以糧食作物為生產原料，以巴西、美國為代表的部分國家推廣的生物乙醇項目常用的原料是玉米、甘蔗與小麥。其生產技術已經較為成熟，然而以糧食作物為主要原料的生產方式與中國的糧食安全存在一定沖突。吳方衛基于農戶決策行為的研究發現，中國以玉米為原料的燃料乙醇發展在有限土地的約束下，會對糧食安全產生一定負面影響。為避免生物質能與糧食作物形成大規模土地競爭，現階段適宜重點開發宜農后備地、荒山荒坡、沙地等邊際土地資源用于培養能源農作物與能源林木。

　　近年來以作物殘余物為主的纖維素生物質的利用受到學者的廣泛關注。由于作物廢棄物是農作物2018年3月穆獻中等：農村生物質能源化利用研究綜述生產的副產品，此類生物質的收集與利用不會形成與糧食作物的土地競爭關系，對糧食價格的負面影響也較小，因此以纖維素為主要成分的作物殘余物也成為第二代生物質燃料的核心原料。然而與糧食作物生物質利用相比，纖維素生物質技術相對不太成熟，目前技術經濟性表現不佳。Dahlberg提出如果能將林木殘余物的70％收集為能源原料，則既可滿足能源規模需求又不影響森林生態的可持續性。如果將常規木料應用于能源生產，則會與傳統木材產業產生競爭關系，生物質能源的生態環境效益也大幅降低。但生物質殘余物通常具有70％～80％的高揮發性物質含量，15％～25％的固定碳含量，如部分林木殘留物有30％～50％的含水量及35％～43％的含氧量，導致能源密度較低，價值產出效率不高，從而對運輸、儲存等方面的成本控制提出了較高的要求。

　　對于農村規模化生物質燃燒發電的原料供應，一般有單一生物質燃燒或生物質與煤炭混合燃燒2種替代方案。混合燃燒具有2個優勢，一是生物燃料能源轉化效率提高，二是實現生物電生產的前期投資成本大幅降低。其缺陷主要在于：為實現更充分的能量轉化，混合燃燒需要更繁瑣的顆粒處理，對應著更高的預處理成本；另一方面，煤電廠通常并不位于重要生物質資源的富有產區，因此生物質資源供應需要更長的運輸距離，這也意味著更高的物流成本。對農村分布式小規模生物質供熱需求系統，生物質供熱受到的運輸成本、儲存成本與資金成本約束則更為嚴重。對技術經濟性提出了極高的要求。生物質致密化可以降低一定的運輸與儲存成本，目前已經成為解決小規模生物質發電機組成本約束問題的重要技術措施。

　　在農村小規模生物質發電技術中，目前具有經濟性的主要有內燃機氣化和有機朗肯循環（ORC）固體生物質燃燒技術。內燃機燃燒是農村電氣化最常見的技術，生物質在低氧環境下部分燃燒生成合成氣產物，并進而成為電力供給的氣體燃料。然而相較傳統化石能源，生物質燃料會提高發電機的運行維護成本，有較大概率降低發電機的使用壽命。合成氣組分比例可控性差，總體能量轉換性能約20％。而生物質ORC技術基于朗肯熱力學循環，選用特定的有機流體代替水作為高效循環的換熱介質，在小規模能源應用中具有較高的轉化效率。中型規模（大于1Mw）的生物質ORC在北歐已經成為一種較為成熟的商業化技術。相較氣化爐技術具有工作壽命長、維護成本低、穩定性高等優點，因而在農村電氣化中成為優先級較高的解決方案。

　　3農村生物質資源開發經濟效益研究

　　傳統化石能源產業已經趨于成熟，而生物質的開發利用技術尚存在許多不完善之處，導致生物質利用項目的經濟效率有限，同時生物質能源高昂的技術成本與前期資金流門檻約束也阻礙了其產業的發展。另一方面，化石能源價格的波動直接影響到生物質能源的經濟效率，當化石能源價格低迷時，生物質能源項目就難以達到合理的收益邊界，導致企業缺乏進人生物質行業的激勵，因此生物質能源開發的經濟效益問題是制約其發展的關鍵因素。生物質能在國外已經進入產業化應用的成熟階段，歐美一些發達國家學者從項目績效、產業規劃和宏觀市場等視角考慮了生物質資源開發的經濟效益問題。

　　對于生物質能源開發項目的經濟性研究，部分學者引入了包括凈現值、內部收益率和投資回收期等經濟績效指標進行衡量。其中Clereq采用現場調查方式收集了中國海南省生物質廢棄物處理項目的經濟績效數據，利用凈現值與內部收益率等性能建模工具分析項目績效，并通過蒙特卡羅模擬分析項目的不確定性。結果顯示項目有86％的虧損概率，經濟表現不佳，至少需要2.19元/m2的政府補貼才能達到盈虧平衡。

　　羅玉和應用能值分析理論研究了江蘇興化5.5MW生物質氣化發電項目，認為生物質氣化發電的能值產出率低于傳統燃煤發電項目，但將其轉化為清潔生產機制（CDM）項目后，可獲得額外環境減排效益，糾正外部性溢價，從而有效改善項目經營指標，有利于項目長期的發展。由于受到農村地區生物質資源可收集量的約束，生物質能源化項目規模普遍較小，而技術成本和基建成本相對固定，造成單位造價比偏高。相應企業的投資回收期也將延長，給中小企業帶來更多的不確定性風險。系列研究體現出目前技術水平下生物質處理項目的經濟績效水平較低，民間資本進入生物質能源領域的激勵受限，已經開展生物質能源化項目的企業往往由于原料、設備、成本等原因出現虧損，嚴重依賴外部政策支持與補貼來維持項目運轉。部分發達國家通過將減排效益進行市場化定價，從而實現對生物質能源化項目的外部性效益補償，目前正在推行的清潔生產機制（CDM）在這方面具有良好成效。

　　一些學者基于宏觀市場均衡的視角，分析了生物質能源發展對區域經濟的綜合影響Hendricks采用投入產出分析方法，構建SAM矩陣估計生物質區域供熱（BDH）對紐約農村地區的經濟影響，模擬結果表明：生物質區域供熱建設每投入100萬美元，將產生164萬美元的經濟產出，派生12.5個就業崗位，同時會為政府貢獻可觀的直接稅與增值稅收入。He建立了基于投入產出分析方法的IMPLAN模型，確定生物質生產活動中特定部門對行業產出、經濟增長和就業的組合影響。由于IMPLAN模型的內置矩陣參數對最后的估計結果會產生顯著影響，因而設計了多情景模式進行分析。結果表明對邊際成本低于60美元/kt的林木殘留物的開發利用對區域經濟有著積極影響。Asian采用ARDL邊界檢驗方法考察了美國經濟增長、就業資本與生物質能源消費間的互動關系，結果表明生物質能源消費對短期與長期的實際GDP增長均有積極影響。

　　對生物質的產業規劃與宏觀市場方面的研究表明，生物質產業發展有利于完成地區能源替代優化、促進農戶增收和推動區域經濟發展，具有良好的宏觀經濟效益。目前階段的主要問題在于項目層面經濟績效不佳。通過優化原料收集成本與加強政策支持兩大措施可有效提升生物質項目績效。

　　首先，受到我國農業生產模式尚未形成規模化的約束，種植經營分散，農機化進程滯后，生物質資源的分布較為分散不均，同時作物收獲期勞動力緊張，農戶缺乏秸稈能源化利用的主觀意愿，焚燒是過往處理秸稈資源的主流方式。由于沒有形成對接農戶的高效收集渠道，原料采集成本偏高，限制了生物質項目的規模化發展，企業難以獲得生物質項目的規模效應。現階段農地流轉、地區農業分工專業化的趨勢促進了農業生產規模化經營，有利于改善生物質資源收集、儲存、運輸渠道不暢的困境。未來需要增加原料采集渠道，廣泛布局收購點，與農戶簽訂長期的收購合同，逐步建立起多層次生物質原料收集體系，通過降低原料采集成本促進生物質項目的績效提升。

　　其次，生物質能開發包含著環境效益與能源替代效益，這類外部性效益并未體現在市場化定價中，導致生物質項目績效表現低于其實際效益，發展初期需要依賴一定程度的外部支持。美國與歐盟均采取了多種類政策支持措施以促進產業發展，包括生產端財政資金支持、稅收優惠、貸款擔保、消費端能源補貼、技術研發支持基金、清潔生產機制配額等，多層次的支持體系有力推動了產業的規模化發展。國內相關支持保障體系不健全是生物質能產業發展滯后的重要原因，隨著《生物質能發展“十三五”規劃》等一系列政策文件進入具體實施階段，未來生物質能源化項目的績效表現將逐步提升。

　　4農村生物質資源環境效益分析

　　目前有大量文獻通過能值分析、生命周期評價與系統均衡分析等方法對生物質的環境效益進行研究。能值分析法綜合衡量了系統中的物質流、信息流與能量流，通過將系統資源流進行歸一化處理，測算環境負載率、能量產出率等系列能值評價指標，分析了能量系統的綜合環境效益。Liu基于能值分析方法，考察了日本生物乙醇應用項目的環境負荷指標，結果顯示生物乙醇項目的環境負載率（ELR）、能值投資率（EIR）、環境影響比（EVR）均低于石油燃料，表明生物乙醇項目給生態環境帶來的負載較小，有利于生態可持續發展。國內較多學者結合生態足跡理論進一步拓展了能值分析指標體系，并圍繞農村養殖場與垃圾處理沼氣項目進行了實證分析。劉華財基于能值分析法比較了1MW、5.5MW氣化發電與25MW直燃發電這三類典型生物質發電模式，發現5.5MW氣化模式能值利用效率最高，而1MW氣化模式能值成本最低。部分學者基于生命周期評價方法衡量了生物質能源開發的環境績效與社會績效。生命周期評價（LCA）從原料采集、加工、生產、運輸、消費至回收等的全生命周期過程，對生物質能源化項目的資源消耗與能源消耗進行分析與評價。衡量指標包括能量產出比、凈碳排放量等，研究對象涉及生物質發電、生物乙醇、生物柴油、致密成型燃料與厭氧發酵沼氣。

　　Loefler使用電廠的燃料消耗和排放審計數據進行案例研究，考慮了包括煤炭開采、電廠生產、生物質生產過程、鍋爐排放和生物質處理等5個排放源的系統凈排放，指出生物質廢棄物與煤炭的聯合發電對CO₂、CH₄、NO_x、PM10、SO_x都具有顯著的減排效果，并提供了評估生物質與煤炭聯產的最優權重平衡的方法。Paiano研究了意大利農業地區殘留木質纖維素生物量，指出剩余生物質的能源轉換需要達到電能60％、熱能40％的比例，才能完成歐盟溫室氣體減排的強制政策目標。年均減排潛力為5.2×10⁷tCO₂。Makoto利用地理信息系統（GIS）評估了日本東部生物質能源生產對生態系統的影響，通過衡量區域有效降水、碳封存率、生態持續性指數等代理變量，估算區域生態系統服務性能的潛在變化。Weldemichael基于能量平衡的轉換因子估計得到，加拿大Alberta省利用農林生物資源進行能源生產可避免11％～15％的溫室氣體（GHG）排放，2030年有望替代14％～17％的終端能源需求。

　　與傳統化石能源相比，生物質能源開發與利用過程中很少產生SO₂、NO_x等有害廢物，同時生物質能源屬于碳中性能源，所含碳包含在生態環境的自然碳循環中。生物質本身通過植物光合作用固定了大氣中的CO₂，生物質能使用過程中變化的只是碳元素的不同存在形式，與化石能源相比不產生額外的碳排放，契合現階段減碳化生產的需求，環境效益顯著。正向的環境外部效益是生物質能源得到重視的重要因素。

　　5結論與展望

　　目前對生物質資源潛力的研究由理論潛力向考慮生態持續性與經濟成本的市場潛力深化，對不確定因素的度量也更加細化，為生物質資源利用提供了基礎參考。生物質利用技術方面的進步有利于能源化項目的推廣，但由于纖維素生物質的低品位，能源化效率較差，許多研究表明生物質項目績效表現不佳，目前仍需要政府補貼進行產業支持。對生物質的經濟效益與環境效益的研究取得大量成果，為生物質產業化推廣提供了一定依據。生物質能開發是實現資源高效利用、能源結構優化、改善霧霾污染的重要途徑。未來生物質產業發展一方面有賴于技術不斷進步帶來的效益提升，強化相對于常規能源的競爭力，另一方面需要建立在政府補貼等外部支持措施下，營造完整的生物質原料收集、儲存及運輸體系，降低項目運營成本，并從項目推廣與產業規劃的角度積極引導企業資本流人生物質產業，推動生物質產業有序向規模化與產業化方向發展。