陳雅琳,高吉喜,李詠紅(1.中國環(huán)境科學研究院,北京 100012；2.國家環(huán)境保護區(qū)域生態(tài)過程與功能評估重點實驗室,北京 100012；3.北京師范大學水科學研究院,北京 100875)

中國化石能源以生物質(zhì)能源替代的潛力及環(huán)境效應研究

陳雅琳1,2,3,高吉喜1,3*,李詠紅1,2(1.中國環(huán)境科學研究院,北京 100012；2.國家環(huán)境保護區(qū)域生態(tài)過程與功能評估重點實驗室,北京 100012；3.北京師范大學水科學研究院,北京 100875)

基于1953～2007年間的統(tǒng)計數(shù)據(jù),根據(jù)消耗能值相等的原則,計算了中國化石能源能值消耗量及農(nóng)作物殘余物可替代能值量.結(jié)果表明,建國初期,化石能源資產(chǎn)消耗的能值量基本可以用農(nóng)作物殘余物來替代;隨著化石能源消耗量的與日俱增,化石能源能值消耗與農(nóng)作物殘余物可補償能值之間的差距越來越大,2007年,我國農(nóng)作物殘余物可替代能值量僅為化石能源能值消耗量的10.35%.對生物質(zhì)能替代可減少的環(huán)境價值損失估算可知:1990～2007年,由于生物質(zhì)能替代可以減少因煤炭開采造成的環(huán)境治理費用773.91億元;減少因能源消費而造成的環(huán)境污染價值損失11311.76億元,其中由于減少SO2排放而減少的環(huán)境經(jīng)濟損失量占環(huán)境污染經(jīng)濟損失量的56.93%,減少NOx和灰分排放分別占環(huán)境污染經(jīng)濟損失量的33.13%和9.94%.

化石能源；生物質(zhì)能；能源替代；能值；環(huán)境效應

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

生物質(zhì)能是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源,作為重要的可再生能源,其在整個能源系統(tǒng)中占有重要地位[1].開發(fā)和利用生物質(zhì)能已成為當今世界工業(yè)化國家節(jié)約能源和保護環(huán)境的重要手段[2],各領(lǐng)域的相關(guān)學者們均致力于生物質(zhì)能的研究[2-9],以提高利用生物質(zhì)能的效率[3],實現(xiàn)全球能源的可持續(xù)發(fā)展.

我國是一個農(nóng)業(yè)大國,生物質(zhì)能源潛力很大,有學者提出,如果在不適于種糧棉油的邊際性土地種植薯類(特別是木薯)、甜高粱等能源作物,估計每年可替代相當于近1億t原油的潛能[10],約占我國原油年產(chǎn)量的50%[11].同時,化石能源的生產(chǎn)過程中產(chǎn)生地面塌陷、泥石流、滑坡等一系列地質(zhì)災害;煤燃燒所釋放的SO2占到全國總排放的85%,CO2占85%,NOx占60%,粉塵占70%[12-13],由酸化物排放引發(fā)的酸雨災害.以上環(huán)境問題的預防與治理,均造成難以估算的經(jīng)濟損失.在這種背景下,本研究利用已有的統(tǒng)計資料和研究結(jié)果,定量評估了我國發(fā)展生物質(zhì)能替代化石能源的環(huán)境價值損失量, 為我國能源安全及環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù).

1 生物質(zhì)能替代化石能源的分析

1.1能值的計算方法

能值的計算公式如式(1)[14]:

式中:EM為煤炭消耗的能值,sej/a,其中sej為太陽能焦耳;M為每年消耗煤炭的載能量, t/a;EN為單位質(zhì)量煤炭所含能量,取值為3.18×1010J/ t[14];EMt為能值轉(zhuǎn)化率,取值4×104sej/J[14].

由于所采用的能源消耗量數(shù)據(jù)單位均為萬t標煤,公式(1)是計算原煤能值消耗量的,因此,在計算過程中,根據(jù)標煤:原煤=0.7143的比例關(guān)系,將能源消耗量換算成原煤進行計算.

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,在其開采、運輸過程中還要消耗額外的能源,雖然這部分能源相對于化石能源本身的量來說較小,但考慮到化石能源資產(chǎn)每年巨大的消費量,這部分額外能耗量的絕對值不可忽視.因此,在化石能源能值消耗的計算中,采用的均是化石能源資產(chǎn)的載能量,其中,1t標煤的載能量為1.037t標煤,由于油氣田企業(yè)往往是既開采石油又開采天然氣,因此,將石油和天然氣一起考慮,開采1t標煤當量的石油或天然氣的能源消耗量為81.4kg標煤,即開采1t標煤當量的石油或天然氣的載能量為1.081t標煤[15],由此得出我國化石能源載能量如表1所示,并由此計算1953～2007年我國化石能源能值消耗量.

表1 1953～2007年中國化石能源載能量分析(萬t標煤)Table 1 Carrier energy of fossil energy in China from 1953 to 2007(×104tce)

1.3農(nóng)作物有效殘余物能值分析

1.3.1農(nóng)作物有效殘余物計算 由于我國生物質(zhì)能源開發(fā)利用尚處于起步階段,完善的生物質(zhì)資源的評價方法尚未建立.農(nóng)作物殘余物未列入國家有關(guān)部門的統(tǒng)計范圍,一般根據(jù)農(nóng)作物的產(chǎn)量和當?shù)剞r(nóng)作物的草谷比大致估算各種農(nóng)作物殘余物的產(chǎn)量,同時,在我國農(nóng)村,農(nóng)作物殘余物中有些在收集過程中散落在地里、運輸及儲存時也有部分損失.因此,作為替代能源的可利用農(nóng)作物殘余量主要取決于總的農(nóng)作物產(chǎn)量、農(nóng)作物草谷比(表2),農(nóng)作物殘余物收集效率及用在其他部門的數(shù)量,單位農(nóng)作物所產(chǎn)生的可用于替代化石能源的有效殘余物(CRAeff,i)量可表達為式(2)[4]:式中:RCi為第i類農(nóng)作物的草谷比;iα為農(nóng)作物殘余物在收集、運輸及儲存等環(huán)節(jié)損失量占總量的比率; βi為保留下來的農(nóng)作物殘余物作為其他用途的比率.

表2 我國農(nóng)作物草谷比[5]Table 2 The crop to residue ratio in China

因此,每年我國總的可用于替代能源的有效殘余物量(GRAeff)可表示為:式中:Yi為第i類農(nóng)作物的產(chǎn)量,i=1,2,3…m.

圖1 1953～2007年間我國可用于替代化石能源的農(nóng)作物殘余量Fig.1 Agricultural residues can be used to substitute fossil energy from 1953 to 2007 in China

將農(nóng)作物殘余物在收集、運輸及儲存等環(huán)節(jié)損失量占總量的比率設(shè)為0.10[10],保留下來的農(nóng)作物殘余物作為其他用途的比率 設(shè)為0.15[4,7].由此計算出1953年以來我國各年份可用于替代化石能源的農(nóng)作物有效殘余量如圖1所示.

由圖1可見,1953年以來,農(nóng)作物殘余物量呈波動增加趨勢.20世紀70年代以前,波動最為明顯;20世紀70～90年代期間,波動較小,基本是逐步增加,僅2000年農(nóng)作物有效殘余量比1999年明顯減少;但此后增幅迅速,2007年達到最大值.1953～2007年間,農(nóng)作物有效殘余物總量達238.42億t.

1.3.2農(nóng)作物有效殘余物能值分析 取玉米秸稈上部、中部、下部熱值的平均值16536.33J/g作為農(nóng)作物殘余物的單位能量數(shù)值[1],估算出各年份農(nóng)作物殘余物可補償?shù)哪苤?由于參考資料的限制,以玉米殘余物的能值轉(zhuǎn)化率3.9× 104sej/J[16]作為農(nóng)作物殘余物總的能值轉(zhuǎn)化率.

圖2 我國化石能源消耗與農(nóng)作物殘余物可補償能值分析Fig.2 The disparity of emergy between energy sources assets and agricultural residues

對比1953～2007年我國化石能源能值消耗與農(nóng)作物殘余物可替代能值可以發(fā)現(xiàn)(圖2),建國初期,我國化石能源消耗的能值量基本可以用農(nóng)作物殘余物來替代,可隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展,我國耗用的化石能源量與日俱增,雖然農(nóng)作物殘余量也有所增加,但化石能源消耗能值與農(nóng)作物殘余物可補償能值之間的差距越來越大,對化石能源的需求已無法用生物質(zhì)能(農(nóng)作物殘余物)所替代,2007年,我國農(nóng)作物殘余物可替代能值量僅為化石能源能值消耗量的10.35%.54年間,我國僅化石能源消耗而損耗的能值累加量就達7.84×1025sej,這些不可再生資源的消耗,將降低我國經(jīng)濟社會自我發(fā)展的潛力,從而加劇對國際市場的依賴.

1.4生物質(zhì)能替代化石能源分析

將公式(1)進行轉(zhuǎn)換,得出農(nóng)作物殘余物所能補償?shù)幕茉戳康挠嬎愎綖?

式中, M為農(nóng)作物殘余物所能補償?shù)拿禾抠Y源量; Em為農(nóng)作物殘余物所能補償?shù)哪苤盗?EN為單位質(zhì)量煤炭所含能量,本文取值為3.18×1010J/t; EMt為能值轉(zhuǎn)化率.

根據(jù)式(4)計算出1953～2007年中國農(nóng)作物殘余物所能補償?shù)幕茉戳咳绫?.50多年來,農(nóng)作物殘余物所能替代的化石能源量逐漸增加,1953年所能替代的化石能源量為9648萬t,20世紀60年代初期農(nóng)作物殘余物所替代化石能源量有所減少,這與當時的自然災害密切相關(guān),60年代初期的三年自然災害影響了農(nóng)作物的生長,直接導致了農(nóng)作物殘余物的減少.隨后,農(nóng)作物殘余物所能替代的化石能源量迅速增加,1963年突破1億t,隨后仍呈現(xiàn)逐年增加趨勢.

表3 1953～2006年中國農(nóng)作物殘余物所能補償?shù)幕茉戳縏able 3 Fossil energy quantity that agricultural residues can offset in China from 1953 to 2006

2 生物質(zhì)能源替代化石能源的環(huán)境效應分析

2.1可減少化石能源開采的治理費用

根據(jù)蘇立功等[17]的研究,目前采煤塌陷區(qū)地面沉降治理費應為6.11元/t原煤,矸石排放治理費應為5元/t原煤,煤礦礦井水排放治理費用為1.61元/t原煤,采煤造成了地下漏水、地表徑流減少或干涸使土地質(zhì)量下降、農(nóng)作物減產(chǎn)、草原干枯等.目前采煤漏水土地治理費用為0.85元/t原煤.再結(jié)合鞠美庭等[18]的研究結(jié)果(表4),計算出2007年各省區(qū)因煤炭開采造成的環(huán)境破壞及治理費用如表5所示.

由表5可以看出,1990～2007年,中國由于生物質(zhì)能替代可以減少因煤炭開采造成的地面沉降121684.19hm2、煤矸石排放量79094.73萬t、礦井水排放量2652715.43萬t.近20年來,共可以減少環(huán)境治理費用773.91億元,其中,地面沉降治理費用371.75億元、矸石治理費用304.21億元、礦井水治理費用97.96億元.2000年由于生物質(zhì)能替代可減少的環(huán)境治理費用為42.84億元,占本年度國家環(huán)境治理投資的4.22%,隨著國家對環(huán)境保護的加強,環(huán)境治理投資逐年增加,但2006年由于生物質(zhì)能替代可減少的環(huán)境治理費用仍占當年國家環(huán)境治理投資的1.84%.

表4 煤炭開采的環(huán)境影響估算Table 4 Environmental impact assessment of coal mining

表5 生物質(zhì)能替代減少的開采破壞及治理費用投入Table 5 Decreasing ecological damage and environment governance cost by using agricultural residues in China

2.2可減少環(huán)境價值的損失

根據(jù)我國每t標煤當量化石能源消耗對環(huán)境的影響[19](表6),計算化石能源消耗對大氣環(huán)境的污染.

從減少的污染物排放量來看,1990～2007年,中國由于生物質(zhì)能替代而減少的3種污染物排放量在時間尺度上均呈波動增加(圖3).其中,減少的SO2和NOx的排放量均未超過1000萬t,減少的灰分排放量明顯偏高,1990年灰分減少量為4600.84萬t,2007年增加到5738.55萬t.1990～2007年間,中國由于生物質(zhì)能替代而減少的SO2排放量為12776.84萬t,減少的NOx和灰分的排放量分別為4684.84萬t和93696.83萬t.

表6 煤炭、石油、天然氣燃燒排放物比較(kg)Table6 Emission of coal, petroleum and natural gas combustion (kg)

圖3 由于生物質(zhì)能替代減少的污染物排放量Fig.3 Decreasing atmospheric pollutants by using agricultural residues

據(jù)有關(guān)專家估計,中國每年由于環(huán)境污染和環(huán)境資源的破壞所造成的經(jīng)濟損失至少為2000億元,而根據(jù)我國排污費征收標準計算,每年排污收費為500億元,僅占環(huán)境價值的25%[20].也就是說,排污收費對污染損失的補償度僅為25%.

準確計算出污染物的環(huán)境價值對于制定科學合理的環(huán)境管理政策具有重要的意義,盡管環(huán)境和經(jīng)濟工作著一直致力于準確計算出污染物的環(huán)境價值,但一直未取得突破性的進展.本研究根據(jù)污染物的收費標準與補償度的比值估算出污染物的環(huán)境價值.污染物環(huán)境價值的估算可以按照式(5)求得:

式中,Ve為環(huán)境價值估算值,元/kg;F為污染物收費標準,元/kg;β為對污染損失的補償度,%.由此,估算出我國污染物的環(huán)境價值如表7所示.

1990～2007年,中國由于生物質(zhì)能替代而減少環(huán)境經(jīng)濟損失11311.76億元,其中由于減少SO2排放而減少的環(huán)境經(jīng)濟損失為6439.53億元,占環(huán)境經(jīng)濟損失量的56.93%;由于減少NOx和灰分排放而減少的環(huán)境經(jīng)濟損失分別為3747.87億元和1124.36億元,分別占環(huán)境經(jīng)濟損失量的33.13%和9.94%.1990年由于生物質(zhì)能替代而減少環(huán)境經(jīng)濟損失555.45億元,是當年全國企業(yè)事業(yè)單位污染治理(治理廢水、廢氣、固廢、噪聲)資金使用量的12.22倍,占1990年國內(nèi)生產(chǎn)總值的3.14%;2000年由于生物質(zhì)能替代而減少環(huán)境經(jīng)濟損失增加到626.21億元,是當年工業(yè)污染源治理投資的2.62倍,占全國環(huán)境污染治理投資總額的61.70%,但占國內(nèi)生產(chǎn)總值的比重卻降到0.63%;雖然2007年由于生物質(zhì)能替代而減少的環(huán)境經(jīng)濟損失量仍有所增加,但由于國家耕地面積基本不變,這也注定了其不可能無限制的增加(圖4).

表7 污染物環(huán)境價值估算Table7 Estimation of pollution environmental value loss

圖4 由于生物質(zhì)能替代減少的環(huán)境價值損失Fig.4 Decreasing pollution environmental value loss by using agricultural residues

3 結(jié)論

3.11953～2007年間,中國化石能源能值消耗量

整體呈增加趨勢,大致可以分為3個時期,20世紀60年代以前的快速增加階段;20世紀60年代初～90年代末的平穩(wěn)增加階段;21世紀以來的高速增加階段.

3.2建國初期,中國消費的化石能源基本可以由生物質(zhì)能替代.雖然農(nóng)作物殘余物可替代的化石能源量逐年增大,但由于耕地面積的限制,其與化石能源消費量之間的差距日益增大,2007年,農(nóng)作物殘余物可替代的化石能源量僅為當年中國化石能源消費量的10.35%.

3.31990～2007年間,中國僅由于生物質(zhì)能替代就可以減少化石能源開采環(huán)境治理成本773.91億元;可減少化石能源消費環(huán)境經(jīng)濟損失11311.76億元.

3.4生物質(zhì)能燃料的使用不僅涉及收集、運輸和存儲,還有可能涉及到加工轉(zhuǎn)化過程,但由于其加工轉(zhuǎn)化方法各異,導致其加工轉(zhuǎn)化率也差異較大,且目前生物質(zhì)能加工轉(zhuǎn)化仍處于初級階段,缺少這方面的數(shù)據(jù),因此,本文的研究中忽略生物質(zhì)能加工轉(zhuǎn)化過程中的損失.同時,在計算生物質(zhì)能替代所減少的污染物排放時,也忽略了生物質(zhì)能消耗所產(chǎn)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

陳雅琳(1981-),女,山東萊陽人,北京師范大學博士研究生,主要從事區(qū)域生態(tài)研究.發(fā)表論文20余篇.

2010-02-02

環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項(200709029)

* 責任作者, 研究員, gaojx@ cares.org.cn