关于生物质发电可行性的调研报告
姓名：李连欢 学号：1092202208 指导老师：李薇 日期：2010-06-29
关于生物质发电可行性的调研报告
一、前言
（1）研究背景
能源是国民经济重要的基础产业，是人类生产和生活必需的基本物质保障。目前，世界化石能源资源的有限性和开发利用过程中引起的环境问题，严重制约着可持续发展。在世界化石能源资源快速消耗，环境污染日益严重和气候变暖威胁逐渐增大的形势下，可再生能源的开发利用受到了全世界的高度重视，各国都在研究可再生能源的利用,如太阳能、风能、垃圾废料、生物质能。
从广义上讲，生物质（Bioma）是植物通过光合作用合成的有机物，它的能量最初来源于太阳能。生物质能资源在地球上分布极为广泛，包括所有动物、植物和微生物，以及由这些生命体排泄和代谢的所有有机物质。
从能源利用角度来看，生物质能资源是能够作为能源而利用的生物质能，其主要条件是资源的可获得性和可利用性。各类农林、工业和生活有机废弃物是目前生物质能利用的主要原料，主要提供纤维素类原料。
生物质直接燃烧发电（简称生物质发电）是目前世界上仅次于风力发电的可再生能源发电技术。据初步估算，在我国，仅农作物秸秆技术可开发量就有6亿吨，其中除部分用于农村炊事取暖等生活用能、满足养殖业、秸秆还田和造纸需要之外，我国每年废弃的农作物秸秆约有1亿吨，折合标准煤5000万吨。照此计算，预计到2020年，全国每年秸秆废弃量将达2亿吨以上，折合标准煤1亿吨相当于煤炭大省河南一年的产煤量。
我国生物质资源生产潜力可达650亿吨／年，折合33亿吨标准煤，相当于每年化石资源消耗总量的3倍以上。2015年，全球总能耗将有4成来自生物。大力加强生物质产业的开发与培育，对于缓解能源短缺、改善环境、扩大乡镇产业规模、促进循环经济的发展具有重要意义。
我国是世界上人口最多的国家，国民经济发展面临资源和环境的双重压力。从人均化石能源资源量看，煤炭资源只有世界平均水平的60％，石油只有世界平均水平的10％，天然气只有5％。从能源生产和消费来看，目前我国已经成为世界上第二大能源生产国和第二大能源消费国，大量生产和使用化石能源所造成的环境污染已经十分严重。随着经济的发展和人民生活水平的提高，我国的能源需求将快速增长，能源、环境和经济三者之间的矛盾也将更加突出，因此，加大能源结构调整力度，加快可再生能源发展势在必行。 （2）国外现状
世界生物质发电起源于20世纪70年代，当时，世界性的石油危机爆发后，丹麦开始积极开发清洁的可再生能源，大力推行秸秆等生物质发电。如今，国土面积只有我国山东省面积1/4的丹麦，己经建立了15家大型生物质直燃发电厂，年消耗农林废弃物约150万吨，提供丹麦全国5%的电力供应。同时，丹麦还有100多台用于供热的生物质锅炉。近十几年来，丹麦新建的热电联产项目都是以生物质为燃料，还将过去许多燃煤供热厂改为了燃烧生物质的热电联产项目，生物质热电联产发电(CHP)厂以秸秆为燃料，按CHP模式运行。由于采用了先进的循环流化床方式进行燃烧，蒸汽参数设计得很先进，并引入了双再热概念，系统除尘效果达到99.7%，能源利用总效率达到95%以上，发电效率接近30%。
芬兰是欧盟国家中利用生物质发电最成功的国家之一。由于本国没有化石燃料资源，因此，大力发展可再生能源，目前生物质发电量占本国发电量的11%。
德国对生物质直燃发电也非常重视，在生物质热电联产应用方面很普遍。截至2005年，德国拥有140多个区域热电联产的生物质电厂，同时有近80个此类电厂在规划设计或建设阶段。
作为世界头号强国，美国也十分重视生物能源的发展，美国能源部早在1991年就提出了生物发电计划，而美国能源部的区域生物质能源计划的第一个实验区域早在1979年就已开始。如今，在美国利用生物质发电已经成为大量工业生产用电的选择，这种巨大的电力生产被美国用于现存配电系统的基本发电量。目前美国有350多座生物质发电站，主要分布在纸浆、纸产品加工厂和其他林产品加工厂，这些工厂大都位于郊区，提供了大约6.6万个工作岗位。美国能源部又提出了逐步提高绿色电力的发展计划，预计到2010年，美国将新增约1100万千瓦的生物质发电装机。
自1990年以来，生物质发电在欧美许多国家开始大发展，特别是2002年约翰内斯堡可持续发展世界峰会以来，生物质能的开发利用正在全球加快推进。截至2004年，世界生物质发电装机已达3900万千瓦，年发电量约2000亿千瓦时，可替代7000万吨标准煤，是风电、光电、地热等可再生能源发电量的总和。到2020年，西方工业国家巧%的电力将来自生物质发电，而目前生物质发电只占整个电力生产的1%。届时，西方将有1亿个家庭使用的电力来自生物质发电，生物质发电产业还将为社会提供40万个就业机会。 （3）我国的发展现状
为缓解能源压力，我国有关生物能源和生物材料产业研究已有多年历史。我国的生物质能主要来源于农业废弃物及农林加工废弃物、薪柴、城市生活垃圾等。生物质能潜在资源量非常巨大，利用现代生物质技术，开发生物质能源意义重大，前景十分广阔。积极发展生物质能源，加快实施石油替代战略，改变我国传统的能源生产和消费模式，不仅有利于缓解能源危机和保障能源安全，其特殊意义还在于有助于解决“三农问题”，还可以有效缓解环境压力，实现能源战略、农业增收和环境保护的“多赢”。
我国拥有丰富的生物质资源，理论生物质资源约50亿吨左右。目前，我国己有山东单县、高唐、河北威县、成安、晋州、江苏如东等多个秸秆发电示范项目机组相继投产，各农林作物主产区的一批生物质发电项目正在积极的开展和建设中，并将陆续投入商业运行。根据国家电力发展规划，到“十一五”末期，全国生物质发电装机容量将达到550万千瓦。
我国首个引进用国外技术建设的山东省单县生物质直燃发电项目已于2006年12月1日竣工投产，该项目以棉花秸秆和林业废弃物为燃料，装机容量2.5万千瓦，设计年发电5500小时，年发电量约1.4亿千瓦时，年燃烧秸秆约16万吨，每年可减少二氧化碳排放10万吨，为当地农民增加约3000万元的收入。 我国从1987年起，开始进行生物质能小型气化发电技术研制工作，并列为国家科技部“七五”重点攻关项目。1996年，1兆瓦生物质能循环流化床气化发电系统被列为国家科技部“九五”重点攻关项目。大型生物质能气化发电产业化关键技术研究被列为国家科技部“十五”重点攻关项目。生物质能气化发电优化系统及其示范工程被列为国家科技部“十五”863重大课题。1998年1兆瓦谷壳气化发电示范工程建成投入运行，1999年1兆瓦木屑气化发电示范工程建成投入运行，2000年6000千瓦秸秆气化发电示范工程建成投入运行，经过几年连续运行，目前设备状况良好，为我国更好地利用生物质能源奠定了良好的基础。
目前我国生物质发电技术呈现快速发展的趋势，部分省市和地区如河北、江苏等已经着手准备建立相关的生物质发电项目，并且，“十一五”规划也已经明确提出要在未来一段时期内大力发展可再生能源，这对于我国生物质发电技术的发展具有积极的促进意义。 （4）目前存在的问题 ①电价补贴没有落实到位
据了解,秸秆发电上网电价随着投资的不同在0.58~0.7元/(kW·h)之间。但在《可再生能源法》出台后明确规定国家给予0.25元/(kW·h)的电价补贴，所发电量电网全额收购的政策应该得到落实，不然在竞价上网的市场中就失去优势。当前生物质发电处在发展初期，政策环境仍不完善，尤其需加强扶持的力度。要加快出台一些符合实际情况、企业需要的配套政策。据说，一些切合实际，贴近企业发展的财税政策将要出台，将会有力地推动生物质发电产业的发展。 ②缺乏专门制造燃用农林废弃物的锅炉
已有燃用秸秆等的专用锅炉，但在设计和制造上经验不足，制造成本高，运行可靠性差和配套设施不完备，使得运行成本高，投资过高，限制了推广应用。 ③缺少一批这方面的专业技术人才
生物质燃料多种多样，性质也有很大差别,所以不同生物质燃料的炉型和燃烧技术也不尽相同，需要专业人员研究开发和改造，生产运行中不断完善管理和操作方法，只有这样才能使这一技术成熟和发展，制造出不同炉型和配套设备，并完善燃烧技术。
④可研阶段所得结果过于理想化
可研报告所有取值和结果太理想化，和实际有较大出入。例如，收购的分散性、难度及价格就是很大的变数，天气以及干旱、洪涝灾害粮食及秸秆减收，都将得不到充足的燃料供应，还有技术及设备原因等都将造成减产、停产损失，影响回收年限，将对生物质发电产业的发展产生不利的影响。 ⑤生物质燃料副作用不可忽视
试图断掉或减少对矿物燃料的需求，将使全球对生物质燃料需求猛增，比如从玉米或甘蔗中提取乙醇。对生物质燃料的需求越高，水资源的压力则越大。所以,我国对乙醇替代燃料已经叫停。我们发展的是农林废弃物质当燃料，不能为了得到这种废弃物而影响粮食生产。鼓励和扶持的政策要适度，不要为了得到替代燃料而影响粮食正常生产和过多地浪费水资源,造成新的不利倾向。 （5）调研目的
我国的国情比较复杂，利用生物质发电既有其优势，又存在一些弊端。究竟是利大于弊，还是在我国的目前阶段不具有可行性。因此，这次调研就是要验证生物质发电在我国是否具有可行性。本文通过对生物质发电的经济成本和社会成本（也叫环境成本）进行分析，调研，从而得出结论。
二、调研内容
（1）社会成本（也叫环境成本）
人类的大多数经济活动往往产生诸如环境污染和生态破坏等外部效应，这种效应又以污染经济损失的形式转嫁给了社会。因此，环境成本就是企业为避免污染经济损失或者为了等值补偿污染物造成的污染经济损失所付出的代价。它补偿的损失包括两方面：一是环境的损失，即消耗的环境资源，包括由于污染所引起的环境质量下降和过分消耗自然资源所引起的生态环境破坏；二是由于环境污染所引起的非环境方面的损失，如有害物质引起的人体健康损害、大气污染引起的农业损失等。
环境成本的提出，其目的是要求污染排放者对污染行为负责，即要求其对环境保护投资或支付环保费用，所以环境成本的经济实质是环境费用。
对发电企业来说，环境成本作为发电总成本的一部分，一方面将环境保护和发电企业自身的经济效益紧紧联系在一起，促使企业的减排污染物行为由被动变为主动。发电商为了提高自身的竞争力会想方设法改进技术，降低环境成本。另一方面环境成本低的项目会因此更加受到投资商的青睐，从而进一步激励优质能源发电、可再生能源发电等“绿色电力”的发展。
所谓污染物的环境价值，是指企业排放的污染物所引起的污染经济损失的价值量，它是衡量环境成本大小的尺度，也是环境评价的重要指标。各种污染物的环境价值标准就可以按照如下公式计算环境成本：
nCVi1CiQiV
（1）
式中：C是环境成本；VCi是第i项污染物的环境价值标准；n为污染物总数；Qi是第i项污染物减排以后的排放量；V是为了减排污染物所付出的费用。
⒈不同类型发电企业的环境成本核算 ①火电企业的环境成本核算
在我国电力生产中，煤电占有80%的比例。以煤为燃料的发电企业的污染物主要为二氧化硫、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化碳、粉煤灰、炉渣以及悬浮颗粒物，燃煤电厂的污染物排放率如表2所示。这里取煤电场装机容量100 MW，年利用时间为6000h，则年发电量为60亿kWh，原煤的热值取16.74J/kg，灰分为15%，静电除尘效率为99%，电厂效率为35%，厂用电率为5%。另一类火电厂是以天然气为燃料的发电企业，这些企业的污染物主要为二氧化硫、氮氧化合物、二氧化碳和悬浮颗粒物,燃气电厂的污染物排放率如表2所示。这里取燃气电厂装机容量100 MW，年利用时间为6000h，则年发电量为60亿kWh，天然气的热值取36 MJ/m3，电厂效率为50%。由公式（1）可得出火电企业的环境成本，如表3所示。
②核电厂的环境成本核算
直接估算核电的环境成本有一定的困难，因为核能发电的环境成本包括核废料处理费用和退役成本两部分。而我国的核电机组都还处于服役期，所以退役成本暂时还无法统计。为此，采用横向比较的方法，即与欧盟四国横向比较，由下式可间接估算出核电厂的环境成本，即
VcWcVeWe
（2）
式中：Vc、Ve分别表示中、欧核能的环境成本；Wc、We分别表示中、欧天然气发电的环境成本，We可近似的取四国中间值的加权平均值。核电厂环境成本计算结果如表4所示。
③林木生物质发电厂的环境成本核算
火力发电过程本质上是一个由化石能源向电能转化的过程，转化过程中直接造成二氧化碳的正排放以及严重的环境污染。而应用林木生物质发电基本实现了二氧化碳吸收排放平衡或是负排放。林木生物质发电大致可分为3种：林木生物质直燃发电，林木生物质气化发电以及混合发电。不论是采用哪一种方式都对生态环境的污染较小。目前我国的林木生物质发电尚处于尝试阶段，因此只有一些示范性的项目，而没有大量投产。这里引用内蒙古奈曼旗2×12 MW林木生物质直燃发电示范项目有关数据，对林木生物质发电进行环境成本测算，结果如表5所示。
⒉分析与建议
通过对以上4种不同类型发电企业的环境成本核算可以看到：燃煤发电的环境成本最高，天然气发电次之，林木生物质发电再次之，核能发电最少，后二者的环境效益优势十分明显，是符合未来能源清洁可再生的发展要求的。而应该作为发电总成本之一的环境成本如果没有进行内部化核算，显然是无形中降低了清洁能源发电的竞争力，提升了传统火力发电的优势，使二者在电力市场的竞争中完全不处在同一起跑线上，这也是与未来能源利用的方向背道而驰的。
与燃煤发电和天然气发电相比，林木生物质发电的环境成本优势相当明显。林木生物质发电正在经历一个由无到有的过程，所以从短期来看，即使立即将环境成本核算内部化，林木生物质发电的发电总成本尤其是前期总成本依然处于一个劣势地位。而从长期来看，由于传统的化石能源稀缺性日益明显，火力发电的成本会提高，随着全球环保意识与生态危机意识的增强，林木生物质发电的优越性会逐渐显现，发电总成本优势的体现只是一个时间问题。
与核能发电相比，林木生物质发电的环境成本略高于它，似乎核电的优势大于林木生物质发电。但是，林木生物质发电与其他清洁能源发电（水电、风电、核电等）并不相互排斥，反而是可相互共存、共同发展的。因为各种清洁能源发电所需要的资源禀赋条件是不一样的，比如，风力发电只能选择风能资源丰富的地区，水力发电要选择水能资源丰富的地区，林木生物质发电首选林木生物资源丰富的地区。我国是一个幅员辽阔的国家，地区之间差异很大，究竟要选择哪一种清洁能源发电形式主要是由当地资源禀赋来决定的，而与环境成本的关系不大（各种清洁能源发电的环境成本都比较低）。与其他发电形式尤其是核电相比，林木生物质发电的风险较小，设备相对简单，技术容易推广，原料相对便宜，因此虽然环境成本略高于核电，但发电总成本未必处于劣势。 （2）经济成本
生物质气化发电技术比直接燃烧的效率要高很多，而且运行费用也低。从发展趋势来看，更有效的秸秆利用方式是利用秸秆气化发电或供热，为农村提供分散的、洁净的和方便的终端能源。而从另一方面也解决了农村生态家园建设所节约的秸秆和薪柴的利用出路问题。
随着规模的扩大成本逐渐降低（称之为规模效应），而随着生产量的增加技术逐渐成熟，成本也会降低（称之为学习效应）。所以在确定上网电价时这两方面的因素都要考虑到。我国不同规模发电站的技术经济参数如表6所示。
表6 不同规模的生物质气化发电电站的技术经济参数
根据上面参数，以及我国规定的上网电价的计算方法计算出临界电价并绘入图1中。
图1 随电站规模变化的电价趋势图
图1所示电价曲线表明，随着电站规模的扩大，临界电价逐渐下降。当电站规模从200kW扩大到2MW时，临界电价从0.73¥/kW·h下降到0.34¥/kW·h，下降幅度达53%。
当规模达到2000kW·h时临界电价为0.34¥/kW·h，如果和现在零售电价0.47¥/kW·h对比，具有较强的吸引力。由图2可见，当规模达到一定数值即q*时成本达到最低，规模再增加成本就会由于配套设备等成本的上升而总成本上升，成为规模不经济。另外随着人们对技术掌握程度的增加，不同规模的发电成本均会降低，图2中虚线所示。
图2 规模效应和学习效应对成本影响示意图
现在我们要计算的是：①按照现有技术水平，发电成本最低时的规模即发电量多大？②为了适应学习效应的影响多长时间调整一次上网电价合适？调整幅度多大？
随着设备装机量（生产量）的增加，受学习效应影响，生物质发电成本会下降，而且比较符合学习曲线。根据国外经验，生物质发电的发展速率(PR)为85% ，即PR=2-E =2-0.23，式PR=2-E为发展速率的数学表达式，其中，E为经验参数，此处为0.23即发展速率2-0.23 =85%。
发展速率是指总产量增加一倍时相应价格的变化率，它可以区分不同的学习曲线。学习速率是100%减去发展速率，表示产量或销量增加一倍时价格下降的速率。由上面发展速率85%可得学习速率为100%-85%=15%，意味着发电量扩大一倍价格将下降l5%。
按照国家发展和改革委员会能源局制定的《可再生能源中长期发展规划》介绍，到2010和2020年，生物质发电的总装机容量将分别达到400和1600万kW，见表7。在农作物集中种植区，特别是商品粮基地，将已有燃煤小火电机组改造为秸秆发电；开发1000kw到5000kW规模的中型秸秆气化供气和发电设备，为中小城镇提供热力、电力和燃气；开发500kW规模的小型秸秆气化供气和发电设备，为村、镇提供热力、电力和燃气。到2020年，形成1600万kW的发电装机容量，使大部分农作物秸秆都能得到高效利用。
表7 生物质发电规模汇总
按照规划，到2008年左右，生物质发电规模将扩大一倍，依照学习曲线6年调整一次价格，调整幅度将为15%。如图3所示。
图3 随着电价规模和学习曲线影响的电价变位图
由图3所示，由于受学习曲线影响，2000kW机组的电价可以达到0.289¥/kW·h，完全能够和煤电机组相媲美，具有较强的竞争力。我们应该注意到，生物质发电还受到生物质价格的影响，其费用占到电价的一半以上，随着规模的扩大生物质收集成本将大大提高，发电成本随规模增大而降低的规模效应的作用将由此减弱，这是制定我国生物质电上网电价的下降率时也应考虑的问题。 经过计算，按照不同电价和不同秸秆价格绘制内部收益率的关系曲线，如图4。
图4 内部收益率与电价、秸秆价格的关系
图中，秸秆价格N1，N2，N3分别为120，180，240元/t。其他不同秸秆价格的内部收益率可以采用内插法估算。从上图可以看出，在秸秆价格为120元/t（N1曲线）时，电价在0.55元/kW·h以上，即可有一定的经济效益；当秸秆价格为180元/t（N2曲线）时，电价在0.65元/kW·h以上时才有理想的经济效益；当秸秆价格为240元/t（N3曲线）时，想要达到理想的经济效益，则电价需要在0.75元/kW·h 以上。虽然秸秆发电国家政策有0.25元/kW·h的电价补贴，但是实际上网电价也就在0.60元/kW·h 左右，所以要有好的经济效益，必须在原料价格方面找出路。影响原料价格的因素比较多，价格波动范围也比较大，这一点是目前投资者应该特别加以关注的。
三、结论
综上所述，秸秆、林木生物质发电是典型的可再生和循环经济过程。具有污染小，无二次污染的优点，最后产生的灰渣可以还田土壤。其经济成本和环境成本较火力发电具有明显的优势，尤其生物质是清洁可再生能源，无论是从世界普遍的能源危机还是严重的环境问题出发考虑，生物质发电都是势在必行的。国外已经有了较快的发展，我国政府也应该大力支持。下面是我的几点建议：
①合理规划，稳妥推进。我国农林生物质直燃发电在产业规划、项目设计上要符合国情，项目进度要积极稳妥。目前，造纸、养殖、人造板、薪柴等已占用较大量的农林生物质资源，在项目选址及设计上要予以扣除，避免选址周围有发达的秸秆利用工业，以免项目建成后争夺原料，最终“两败俱伤”。决不能不切实际的超前规划、盲目布点。
②加大薪炭林、能源林、燃料作物的种植。我国有约6500万公顷盐碱地、荒地、山坡地可种植薪炭林、能源林、燃料作物。全部开发后相当于年产2.38亿吨标准煤。开发生物质发电产业就要加大薪炭林能源林燃料作物等的种植。
③尽量占用荒地，节约土地资源。秸秆的收集具有季节性，必须在一定时期内将电厂全年所需原料收集上来，这就要求有很大的储存场地对秸秆集中放置，15万吨秸秆、果木枝条即使压缩打包后也至少需要80公顷的储存场地，全国建3200个生物发电厂，需要25万公顷的土地。因此，必须提倡占用荒地作为燃料的储存场地，节约土地资源。
④加大和明确优惠政策。国外在发展生物质发电初期，除电价优惠外，还有税收和设备研发、制造、项目投资补贴等多种优惠政策。目前，我国农林生物质发电税收和投资补贴政策不明确，电价优惠偏低，研发支持力度不够。应尽快明确示范项目审批时提出的增值税减半征收的建议，或者加大电价优惠幅度。同时，尽快出台设备研发、制造和项目投资的补贴政策,使生物质发电产业初期能在体现社会、环保效益的同时，体现经济效益，提高生物质发电投资动力。
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