張彩慶， 龔 運

(華北電力大學經(jīng)濟管理系，河北保定 071000)

能源是社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎，農(nóng)村能源的合理利用對農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護都有重要作用。但當前我國農(nóng)村能源消費與可再生能源發(fā)展中存在一些問題[1-2]。如傳統(tǒng)能源(煤、秸稈、薪柴)直接燃燒占比過高、熱效率低、污染嚴重，農(nóng)村生物質(zhì)資源豐富，但利用效果差，伴隨生態(tài)農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化而生的大量問題隨之產(chǎn)生，尤其是農(nóng)作物秸稈的焚燒和閑置、畜禽糞便的大量排放等[3]；國家為鼓勵生物質(zhì)資源利用，推動了農(nóng)村戶用沼氣和集中化沼氣工程及發(fā)電工程的建設，但利用率很低，遠不能達到替代傳統(tǒng)能源的要求。在農(nóng)村分布式光伏發(fā)電方面，國家和電網(wǎng)公司都推出了相關的政策，但從目前來看發(fā)展很慢，主要受資金、維護、入網(wǎng)條件等的限制，現(xiàn)行政策對農(nóng)村可再生能源的發(fā)展起到了一定的作用，但遠遠不夠。我國農(nóng)村地區(qū)能源資源十分豐富，加快農(nóng)村可再生能源的發(fā)展有利于滿足農(nóng)村日益增長的能源需求，優(yōu)化能源結構，改善農(nóng)村的能源和環(huán)境問題[4]。隨著國家對農(nóng)村能源和環(huán)境問題的重視，農(nóng)村可再生能源的開發(fā)和利用是必然的研究方向。

本研究首先提出基于可再生能源利用的農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構的概念，通過對可再生能源利用最大化，提高可再生能源消費的占比來實現(xiàn)最優(yōu)能源消費結構。從最優(yōu)能源消費結構的角度來研究農(nóng)村能源消費的問題，填補農(nóng)村能源消費結構研究體系中的空白。然后根據(jù)這一概念建立農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構的測算方法，可以對一個地區(qū)或一個國家的農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構進行測算，為能源消費結構優(yōu)化制定目標，指導農(nóng)村能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。

1 農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構的概念

1.1 提出農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構概念的基本思路

提出農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構概念的目的是為農(nóng)村能源消費結構優(yōu)化設置一個明確的目標，指導農(nóng)村能源的發(fā)展方向，在滿足農(nóng)村能源需求的同時，實現(xiàn)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的良性發(fā)展。因此，確定以下思路。

(1)優(yōu)先發(fā)展農(nóng)村范圍內(nèi)可再生能源的高效清潔利用，包括農(nóng)作物秸稈、畜牧業(yè)糞便等生物質(zhì)能源、太陽能資源(指分布式光伏)、地熱以及其他可再生能源，實現(xiàn)可再生能源的最大化利用。

(2)最大化利用電能。在可再生能源利用后，其余部分將最大化利用電能。隨著農(nóng)村社會和經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)村生活水平和電氣化水平都將大幅提高。電能作為清潔、便利的能源，其消費占能源總消費的比例將呈上升趨勢，同時由于電代煤、電代油等電能替代政策的實施，電能消費的比例將更大。

(3)最大限度減少煤炭和成品油的消費。隨著可再生能源利用和電能替代的實施，煤炭作為終端能源消費將逐步被替代，另外由于電動交通工具的發(fā)展，成品油消費的比例也將逐步減小，甚至最終也將被完全取代。因此，在農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構中不考慮這部分能源消費。

1.2 農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構的定義

根據(jù)上述思路，提出農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構的定義，農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構是在滿足農(nóng)村能源需求的基礎上，按照優(yōu)先充分高效清潔利用農(nóng)村生物質(zhì)能、太陽能、地熱等可再生能源，其余部分優(yōu)先利用電能，不足部分以少量其他能源消費作為補充，所形成的各種能源消費的構成比例。其中，生物質(zhì)能源利用主要是農(nóng)作物秸稈、畜牧業(yè)產(chǎn)生的糞便等，其他生物質(zhì)能源利用量較少，因此，本研究主要針對農(nóng)作物秸稈和糞便的能源化利用。同時，由于沼氣工程是當前農(nóng)村生物質(zhì)能源利用的發(fā)展趨勢，在本研究中將生物質(zhì)能利用以沼氣利用量為代表。因此，農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構中將主要包括沼氣、分布式光伏、地熱、電力等。

1.3 農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構的表示方法

2 農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構的測算方法

2.1 農(nóng)村能源需求測算

農(nóng)村能源需求包括農(nóng)村生活能源需求和生產(chǎn)能源需求。農(nóng)村能源需求總量的相關變量包括農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、城鎮(zhèn)化建議、人均收入水平、電器擁有量、能源消費政策等變量，研究能源需求總量與這些相關變量之間的聯(lián)系，對農(nóng)村能源需求進行測算。

2.2 農(nóng)村可再生能源的最優(yōu)化利用

根據(jù)各種可再生能源資源量和發(fā)展狀況對各種農(nóng)村可再生能源供應量進行計算。主要包括對秸稈和養(yǎng)殖場糞便等生物質(zhì)能源、分布式光伏、地熱等資源以及由此產(chǎn)生的能源供應量進行測算。

2.2.1 秸稈產(chǎn)量與能源化量測算 研究秸稈能源化的方式，依據(jù)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和秸稈綜合利用政策計算秸稈產(chǎn)量和能源化量。秸稈的產(chǎn)量主要受農(nóng)作物產(chǎn)量的影響，通過農(nóng)作物產(chǎn)量來測算秸稈的產(chǎn)量[5]。秸稈能源化的比例主要受政策、秸稈利用技術的改進情況、煤炭價格波動造成的替代作用等因素影響。研究農(nóng)村秸稈利用以及能源化利用方式，構建農(nóng)村秸稈利用方式結構比例模型。秸稈產(chǎn)量的計算公式為

(1)

式中：CR為農(nóng)作物秸稈資源理論資源量；Qci為第i類農(nóng)作物的產(chǎn)量；ri為第i類農(nóng)作物的草谷比系數(shù)。

秸稈能源化利用量的計算公式為

(2)

式中：CRE為可能源化利用秸稈資源量；fi為第i類農(nóng)作物可收集系數(shù)；ei為農(nóng)作物i的可能源化利用秸稈比例，是扣除農(nóng)村基本生活能源需求、秸稈直接還田、飼料化利用、工業(yè)原料以及食用菌基料等用途后所剩的占比。

2.2.2 糞便量測算 養(yǎng)殖場糞便是農(nóng)村沼氣的重要原料。隨著人們對畜禽需求量的增加，其養(yǎng)殖規(guī)模也在增加，規(guī)?；B(yǎng)殖畜禽糞便排放量呈逐年上漲趨勢。畜禽糞便排放量的測算方法[6]如下：

(3)

式中：M為年糞便產(chǎn)生量；n為畜禽種類數(shù)量；Ni為飼養(yǎng)量；Ti為飼養(yǎng)周期；Ei為排泄系數(shù)；gi為第i類禽畜糞便的可收集系數(shù)。

2.2.3 沼氣產(chǎn)量測算 農(nóng)村沼氣的產(chǎn)量主要通過秸稈和糞便的發(fā)酵產(chǎn)生，在現(xiàn)有技術條件下測算沼氣產(chǎn)量須要研究秸稈能源化量、糞便量、糞便和秸稈的配比、氣候和溫度狀況、其他替代能源的價格波動、人均收入、農(nóng)戶受教育程度、相關政策等因素，選擇合適的變量加入測算模型中進行研究。理論沼氣產(chǎn)生量計算公式如下：

1 kg原料的理論沼氣產(chǎn)生量為

T=WcTc+WpTp+WaTa。

(4)

沼氣總產(chǎn)量為

(5)

式中：CREi為第i類秸稈能源化利用量，kg；Mj為第j類糞便排泄量，kg；Ti為1 kgi類秸稈產(chǎn)生沼氣量，m2；Tj為1 kgj類糞便產(chǎn)生沼氣量，m2；Wc為1 kg原料中碳水化合物的含量，kg；Wp為1 kg原料中蛋白質(zhì)的含量，kg；Wa為1 kg原料中類脂化合物的含量，kg；Tc為1 kg原料中碳水化合物的理論沼氣轉(zhuǎn)換率，m2/kg；Tp為1 kg原料中蛋白質(zhì)的理論沼氣轉(zhuǎn)換率，m2/kg；Ta為1 kg原料中類脂化合物的理論沼氣轉(zhuǎn)換率，m2/kg。Tc、Tp、Ta分別取值為0.75、0.98、1.44 m2/kg。

2.2.4 農(nóng)村太陽能資源儲量測算 農(nóng)村太陽能儲量可以通對農(nóng)村可用居民屋頂面積進行估算，進而得到分布式光伏的開發(fā)潛力。根據(jù)國家統(tǒng)計局公布農(nóng)村人口數(shù)據(jù)，按照當年農(nóng)村人口和人均住房建筑面積，得到農(nóng)村屋頂總面積，從而得到可利用屋頂面積。按照每平方米可安裝光伏的裝機容量，可以推算出分布式光伏總裝機容量，再根據(jù)各省(市、區(qū))太陽輻照強度推算出滿負荷利用小時數(shù)，最后得到各地區(qū)分布式光伏潛在發(fā)電量。隨著農(nóng)村種植、養(yǎng)殖規(guī)?；?、現(xiàn)代化的發(fā)展，屋頂、舍頂、棚頂資源將大幅增加，太陽能利用量會逐步上升。

光伏發(fā)電量測算公式如下：

E2=GHαPh。

(6)

式中：G為某地區(qū)農(nóng)村人口總量，人；H為該地區(qū)農(nóng)村人均住宅面積，m2/人；α為住房總面積得到可安裝光伏板面積的比例系數(shù)(包括住房面積與屋頂面積的系數(shù)和屋頂面積與可安裝光伏板面積的系數(shù))，%；P為單位面積裝機容量，W/m2；h為滿負荷利用小時數(shù)，h。

2.2.5 地熱能源消費測算 地熱能是由地殼抽取的天然熱能，是一種來自地球內(nèi)部的熔巖，并以熱能形式存在的能源。隨著石油、天然氣、煤炭資源可采儲量的減少及價格的上漲，應該加強地熱這一綠色可再生能源的利用。根據(jù)研究按地熱資源的類型分別進行測算[7]。

2.2.5.1 水熱型地熱資源的測算方法：

E3=Qr+Qw；

(7)

Qr=AdρrCr(1-φ)(tr-t0)；

(8)

Qw=QLCwρw(tr-t0)。

(9)

式中：E3為熱儲熱量，J；Qr為巖石熱量，J；Qw為水熱量，J；A為熱儲面積，m2；Cr、Cw分別為巖石、水的比熱容，J/(kg·℃)；d為熱儲層砂巖厚度，m；ρr、ρw分別為巖石、水的密度，kg/m2；tr為熱儲層平均溫度，℃；t0為當?shù)仄骄鶜鉁兀?；QL為熱儲存中儲存的水量，m2；φ為巖石孔隙率。

2.2.5.2 干熱巖地熱資源的測算方法：

E3=ρrCrV(Tr-T0)。

(10)

式中：Cr為巖石比熱，J/(m2·℃)；Tr為特定深度上的巖石溫度，℃；T0為地表平均溫度或特定參考溫度，℃；V為巖石體體積，m2。

2.2.6 電力消費測算 電力消費是農(nóng)村能源消費中的增長點。除常規(guī)電力需求外，電代煤、電代油等能源替代也會帶來新的電力需求。因此，電力消費測算還須考慮電力替代的潛力，農(nóng)村電力消費量為常規(guī)的電力消費測算值加上電力替代產(chǎn)生的增加值。

電力在農(nóng)村終端能源中替代潛力的測算方法[8]如下：

假定耗電設備的效率都是100%，電能在農(nóng)村終端能源的替代可以根據(jù)下式得出：

(11)

3 京津冀農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構

京津冀農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構是指在滿足京津冀農(nóng)村地區(qū)能源需求時，首先考慮京津冀地區(qū)各種可再生能源的充分有效利用，可再生能源包括生物質(zhì)能、太陽能(指分布式光伏)、地熱等，其次考慮電能消費形成的京津冀農(nóng)村能源消費結構，電能消費包括常規(guī)電能消費和電能替代潛力。

3.1 京津冀農(nóng)村能源需求測算

京津冀農(nóng)村能源需求就是農(nóng)村生活用能和生產(chǎn)用能之和。根據(jù)《全國農(nóng)村可再生能源統(tǒng)計匯總表》中數(shù)據(jù)得到京津冀農(nóng)村用能，由表1可知，京津冀農(nóng)村能源總需求量約為 9 800.90萬t標準煤。

表1 京津冀農(nóng)村用能

3.2 京津冀農(nóng)村可再生能源的最優(yōu)化利用

根據(jù)京津冀農(nóng)村各種可再生能源資源量和發(fā)展狀況對各種農(nóng)村可再生能源供應量進行計算。主要包括對秸稈、養(yǎng)殖場糞便等生物質(zhì)能源、分布式光伏、地熱等資源以及由此產(chǎn)生的能源供應量進行計算。

3.2.1 秸稈產(chǎn)量與能源化量測算 通過京津冀農(nóng)作物產(chǎn)量和秸稈可能源化的比例來測算京津冀秸稈的產(chǎn)量和可能源化利用秸稈資源量。根據(jù)《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》[9]中的數(shù)據(jù)得到京津冀主要農(nóng)作物產(chǎn)量(表2)。由農(nóng)作物產(chǎn)量(表2)、農(nóng)作物系數(shù)(表3)和公式(1)、公式(2)可以算出京津冀地區(qū)可能源化利用秸稈資源量為3 572.30萬t。

3.2.2 糞便量測算 京津冀地區(qū)養(yǎng)殖場糞便是農(nóng)村沼氣的重要原料?！吨袊r(nóng)村統(tǒng)計年鑒》[9]中的數(shù)據(jù)只統(tǒng)計了家禽的出欄量，而未區(qū)分雞鴨鵝種類，本研究將家禽數(shù)量計算為蛋雞數(shù)量，以此作為家禽總數(shù)量，得到京津冀畜禽出欄量(表4)。由表4、表5和公式(3)以及相關系數(shù)，測算出京津冀地區(qū)畜禽糞便排放量為11 563.80 t。

表2 京津冀農(nóng)作物產(chǎn)量

表3 農(nóng)作物系數(shù)

表4 京津冀畜禽出欄量

表5 京津冀畜禽糞排泄系數(shù)和飼養(yǎng)周期

3.2.3 沼氣產(chǎn)量測算 農(nóng)村沼氣的產(chǎn)量主要通過秸稈和糞便的發(fā)酵產(chǎn)生，在現(xiàn)有技術條件下沼氣產(chǎn)量是通過秸稈能源化量、糞便量來測算的。由各種秸稈可能源化量、糞便量、相關系數(shù)及公式(4)、公式(5)可以算出沼氣產(chǎn)量約為 5 082.90萬t標準煤，即E1為5 082.90萬t標準煤。

3.2.4 農(nóng)村太陽能資源儲量測算 農(nóng)村太陽能儲量與農(nóng)村屋頂面積之間存在聯(lián)系，通對京津冀農(nóng)村可用居民屋頂面積進行估算，進而得到分布式光伏的開發(fā)潛力。人均住宅建筑面積數(shù)據(jù)取自《中國統(tǒng)計年鑒》[10]，從人均住宅面積得到可安裝光伏板面積時，考慮到京津冀農(nóng)村住房可能有二三層小樓。本研究作簡化處理，假設農(nóng)村50%的住宅面積為屋頂面積，從而估算出京津冀農(nóng)村居民建筑分布式光伏發(fā)電潛力。根據(jù)表5、公式(6)測算出京津冀地區(qū)分布式光伏發(fā)電量約為291.00億kW·h，折算為標準煤后約為1 788.20萬t標準煤，即E2為1 788.20萬t標準煤。

3.2.5 地熱能源消費測算 京津冀地區(qū)地熱資源比較豐富。其中，河北懷來后郝窯、熊縣牛駝鎮(zhèn)，北京昌平小湯山、東南城區(qū)，天津王蘭莊、濱海等地區(qū)都有大中型地熱田。根據(jù)地質(zhì)礦產(chǎn)部《中國礦產(chǎn)資源報告》[11]中的數(shù)據(jù)可以得到京津冀探明地熱資源量。由表6可知，京津冀地區(qū)地熱能年可開采量為75.06萬t標準煤，即E3為75.06萬t標準煤。

表5 京津冀農(nóng)村居民建筑分布式光伏發(fā)電潛力估算結果

表6 京津冀探明地熱資源量

3.2.6 電力消費測算 電力消費是農(nóng)村能源消費中的增長點。除常規(guī)電力需求外，電代煤、電代油等能源替代也會帶來新的電力需求。因此，京津冀電力消費測算還須考慮電力替代的潛力，農(nóng)村電力消費量為常規(guī)的電力消費測算值加上電力替代產(chǎn)生的增加值。京津冀常規(guī)電力消費總額為766.90萬t標準煤，電力替代的增加值包括電代煤和電代油，由于現(xiàn)在消費結構中煤炭需求很大，因此電代煤后電能就可以滿足剩余能源的需求，在京津冀農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構中，電能總消費量為農(nóng)村能源消費需求總量減去沼氣、分布式光伏、地熱能剩余的部分，則京津冀農(nóng)村電能總消費量約為 2 854.80萬t 標準煤，即E4為2 854.80萬t標準煤。

3.3 京津冀農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構

通過對京津冀農(nóng)村不同能源最優(yōu)消費量的測算，由表7可知，沼氣、分布式光伏、地熱、電力能源占能源消費總量的比例分別為51.9%、18.2%、0.8%、29.1%，即京津冀農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構W=(51.9%，18.2%，0.8%，29.1%)。京津冀農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構中沼氣能源的消費量最高，電力能源的比例也較大，這些能源都是可再生的清潔能源，因此京津冀農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構是一個合理、綠色的消費結構。而目前京津冀農(nóng)村能源消費結構中沼氣消費量極低，大部分秸稈資源直接燃燒甚至廢棄成為污染物，只有少部分秸稈能源化為沼氣，而且煤炭這類污染大、不可再生的能源比例過大，因此現(xiàn)在京津冀農(nóng)村能源消費結構與最優(yōu)能源消費結構存在很大的差距，須要通過相關政策引導，改善各種可再生能源資源利用的方式以及從農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃等方面來實現(xiàn)最優(yōu)能源消費結構的途徑。

表7 京津冀農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構

4 結論

本研究探明了農(nóng)村能源消費結構，通過農(nóng)村可再生能源最優(yōu)化利用，得到農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構。農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構是在滿足農(nóng)村能源需求的基礎上，按照優(yōu)先充分高效清潔利用農(nóng)村生物質(zhì)能、太陽能、地熱等可再生能源，其余部分優(yōu)先利用電能，不足部分以少量其他能源消費作為補充，所形成的各種能源消費的構成比例。然后根據(jù)這一概念建立了農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構的測算方法，可以對一個地區(qū)或一個國家的農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構進行測算，為能源消費結構優(yōu)化制定目標，指導農(nóng)村能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。最后測算了京津冀農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構，該結構中可再生能源消費比例超過70%，說明當前的能源消費結構還有很大的優(yōu)化空間。

本研究初步提出了基于可再生能源的農(nóng)村最優(yōu)能源消費結構的概念及測算方法，還須要進行更加深入的研究，須要考慮新農(nóng)村建設、現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)化建設、農(nóng)村人文因素、可再生能源供應與利用中的技術、政策等眾多因素，還須要針對現(xiàn)行農(nóng)村能源消費結構和最優(yōu)能源消費結構的差距，研究各種可再生能源資源生產(chǎn)與利用的方式、措施以及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃等實現(xiàn)最優(yōu)能源消費結構的途徑和相關政策。