CN104239663A - 一种定量评价区域农林业生物质能资源开发潜力的方法 - Google Patents

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郭青海
孙艳伟
王润
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Abstract

本发明涉及一种定量评价区域农林业生物质能资源开发潜力的方法。应用GIS空间分析技术，建立了区域尺度上农林业生物质能源的潜力评估方法；本发明的主要适用范围界定为农作物废弃物和林业修剪、间伐废弃物；具体评价过程包含五个步骤：（1）估算区域生物质能源总量；（2）区域生物质产量的空间分配，采用NPP权重空间分配法模拟农林业生物质资源量的空间分布状况；（3）估算区域生物质能源理论潜力，并将地理和生态等不适宜开发的区域剔除掉；（4）估算区域生物质能源技术潜力；（5）估算区域生物质能源经济潜力，计算每个50km×50km供给区域内的生物质发电成本，绘制成本供给曲线，确定区域农林业生物质能资源的经济潜力。

Description

一种定量评价区域农林业生物质能资源开发潜力的方法
技术领域
本发明涉及一种定量评价区域农林业生物质能资源开发潜力的方法。 
背景技术
生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体。生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，它以生物质为载体，直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，替代煤炭、石油和天然气等化石燃料，具有环境友好和可再生双重属性。从整个生命周期来讲，生物质能是“碳中性”的，因此，通过高效利用生物质能源来替代常规化石能源，其减碳效果是非常显著的。生物质能开发利用的巨大减排潜力使之成为各国研究的热点问题。但生物质在空间上的分散性和低密度性，导致运输成本较高，合理的空间规划成为经济有效的开发利用生物质能源的关键。因此，有必要建立一套定量评价区域农林业生物质能资源开发潜力的方法，为生物质能源规划提供基础数据和实践指导。 
发明内容
本发明通过整合生物质的统计数据和多源地理空间数据，应用GIS空间分析技术，构建了区域尺度上农林业生物质能资源的潜力评估方法。综合考虑生物质能源利用的生态环境、社会、经济等方面的限制因素，从理论潜力、技术潜力和经济潜力三个层面上，评估了区域内农林业生物质能资源的开发潜力及其空间分布特征。图1为区域农林业生物质能资源潜力评估流程图。具体评估过程如下： 
（1）估算区域生物质资源总量
我国生物质资源种类众多，主要包括农林业废弃物及产品加工废弃物、市政固体废弃物、有机废水等四大类。本发明的主要研究范围界定为农作物废弃物和林业修剪、间伐废弃物。主要农作物的年产量主要来源于地方的统计年鉴数据，包括水田和旱田作物。林业生物量的估算一般采用森林蓄积量——生物量转换模型，森林蓄积量数据来源于全国森林资源清查数据；
（2）区域生物质产量的空间分配
来源于统计资料的农林业生物质资源量估算数据，由于缺乏空间分布信息，而无法准确的估算运输成本和进行空间优化选址工作。为了克服这一缺点，需要将传统的生物质资源统计数据按照一定的规则分配到对应土地利用单元上。一般有两种分配方法：一是均匀的把统计数据分配到对应土地利用单元上；另一种是将净初级生产力（NPP）数据作为分配权重，把统计数据分配到对应土地利用单元上。本发明采用NPP权重空间分配法。这种方法假设可获得的生物质资源量的空间分布直接受到生物质的增量的影响，也就是说高的生物质生产力导致高的生物质资源潜力。以NPP作为权重把生物质总产量分配到整个土地利用单元上的方法，充分考虑了当地作物的生长条件。NPP权重分配方法表达式如下：
    （1）
式中Pi,j 为地理网格i,j上生物质产量；PR为区域内生物质总产量；n为对应土地利用类型的地理网格总数；NPPi,j为地理网格i,j上净初级生产力； NPPi,j -1为区域对应土地利用地理网格上净初级生产力的算数平均值；
（3）估算区域生物质能源理论潜力
农作物秸秆和加工剩余物资源量的估算可通过农作物产量乘以相应的谷草比获得。谷草比（grain-straw ratio），又称谷秆比，是作物经济性状指标之一，通常指禾谷类作物的谷粒与其秸秆重量（干物质量）的比值。它是一个经验常数，可以通过田间试验或观测获得。林业抚育、修剪生物质能源可利用量通过森林总生物量乘以剩余物比例获得。对于林业生物质资源，需要将地理和生态等不适宜开发的区域剔除掉。本发明主要考虑四类不适宜开发区域，包括自然保护区、野生动物保护区、公园以及坡度大于25°的区域；
（4）估算区域生物质能源技术潜力
生物质能源转换技术主要包括物理、化学和生物等三大类转换技术，可将生物质能源转化为洁净的电力、高品位气体或者液体燃料，作为化石燃料的替代能源用于交通运输、城市燃气等方面。生物质能源转换的方式涉及到固化、直接燃烧、气化、液化和热解等技术。其中，直接燃烧是生物质能源应用最为广泛、最为成熟的转换方式。生物质燃烧过程中生物质能的净转化效率一般在20%~40%之间，装机容量越大的系统或者与煤混燃能够达到较高的转化效率。考虑到未来技术的进步，本发明采用高值的净转化效率40%；计算每个地理网格单元上的生物质资源技术潜力采用如下公式：
               （2）
式中， Pi,j T为地理网格i,j上的生物质能源技术潜力；ri 为可利用的生物质剩余物比例；ei为生物质的热值，农作物剩余物的低热值为15MJ/kg，林业剩余物的低热值为16MJ/kg；S为由于生态环境保护原因需要返还土壤的生物质比例，设定为50%；l为生物质在收运过程中的损失比率，设定为5%； ni为生物质燃烧发电系统的净转化效率，设定为40%；
（5）区域生物质能源经济潜力评估
生物质能源的开发成本是扩大生物质能源应用规模的关键因素。与其他可再生能源品种不同，生物质能源在空间上分布较为分散，且能量密度低，运输成本在总成本中占到很大比例。收运区域的大小是规模经济和运输成本之间的权衡，一般研究认为生物质能源的收运半径应在50km以内。为了保证每一个生物质能源电厂都能获得足够的原料，收运区域定义为50km×50km的方格；
生物质能源发电的总成本主要由初始投资成本、运行维护成本、原料采购成本和运输成本等四部分构成。在给定的供给区域内，生物质能源发电的成本可用如下公式计算：
         （3）
式中，Cs 为供给区S的发电成本；a为初始投资的年金现值系数， ，r为平均社会贴现率（9%）；IS为供给区S的生物质能源电厂的初始投资；a为运行维护成本占总初始投资的比例，一般假定为初始投资的6%；Mi 为隶属于供给区S的地理网格i上的生物质能源量；CP 为生物质能源的采购价格；Ti 为从地理网格i到中心生物质能源电厂的单位运输成本；Es为供给区S的年发电量；
生物质的运输成本与存储中心到电厂的距离和燃料价格有关。假设供给区域的几何中心为备选电厂，同时每个地理网格的中心为存储中心。对于给定的地理网格i到电厂的单位运输成本（Ti）可用如下公式计算：
                 （4）
式中，Di为从地理网格i到备选电厂的直线距离；
单位运输成本由固定成本和可变成本两部分组成。固定成本为生物质装卸过程的劳动力成本，设定为10元/吨；可变成本为原料运输过程中卡车消耗的燃料成本，与运输距离有关；2012年的平均柴油价格为7.5元/L，运输燃料消耗率为0.06L/tkm。在实际操作的过程中，车辆是沿公路行驶的，运输距离明显要大于两者之间的直线距离，为了把这个距离因素考虑进来，公式里面引入弯曲指数（20.5），来近似模拟实际的运输长度；
基于公式（3）和（4），可以计算得到每个50km×50km地理网格上的生物质发电成本（元/kWh）。应用GIS的空间统计功能，依次计算一定数值间隔的发电成本所对应的区域年总发电量，并将最终得到的若干数组按照发电成本由低到高的顺序进行排序，以此数组做散点图，最终得到了区域农林业生物质能资源的成本供给曲线（GSC）。统计发电成本数列的众数作为该区域的代表性成本，与此值对应的累积发电量就是区域农林业生物质能资源的经济潜力。
附图说明
图1是区域农林业生物质能资源开发潜力定量评价流程图。 

Claims (2)

1.本发明涉及一种定量评价区域农林业生物质能资源开发潜力的方法。
2.本发明通过整合生物质的统计数据和多源地理空间数据，应用GIS空间分析技术，建立了区域尺度上农林业生物质能源的潜力评估方法；综合考虑生物质能源利用的生态环境、社会、经济等方面的限制因素，可用来从理论潜力、技术潜力和经济潜力三个层面上，评估区域内农林业生物质能资源的开发潜力及其空间分布特征；本发明的主要研究范围界定为农作物废弃物和林业修剪、间伐废弃物；具体评价过程包含五个步骤：（1）估算区域生物质能源总量，主要农作物的年产量主要来源于地方的统计年鉴数据，包括水田和旱田作物；林业生物量的估算一般采用森林蓄积量——生物量转换模型，森林蓄积量数据来源于全国森林资源清查数据；（2）区域生物质产量的空间分配，采用NPP权重空间分配法模拟农林业生物质资源量的空间分布状况，即以NPP作为权重把生物质总产量分配到整个土地利用单元上；（3）估算区域生物质能源理论潜力，农作物秸秆和加工剩余物资源量的估算可通过农作物产量乘以相应的谷草比获得；林业抚育、修剪生物质能源可利用量通过森林总生物量乘以剩余物比例获得；对于林业生物质资源，需要将地理和生态等不适宜开发的区域剔除掉；（4）估算区域生物质能源技术潜力，假设采用生物质直燃技术，应用公式（2）计算每个地理网格单元上的生物质资源技术潜力；（5）估算区域生物质能源经济潜力，将整个区域划分为若干个50km×50km的地理网格作为收运区域，应用公式（3）和（4）计算每个供给区域内的生物质发电成本，最终通过绘制成本供给曲线，确定区域农林业生物质能资源的经济潜力。
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