可再生能源资源的系统评价方法及实例
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李京京 ,任东明 ,庄 幸
1 2 1
(1. 国家计委 能源研究所可再生能源发展中心 ,北京 100038 ; 2. 北京师范大学 资源与环境科学系 ,北京 100875)
摘要 : 可再生能源资源评价是可再生能源综合规划的前提 , 由于能源综合规划各环节之间是相互 关联的 , 因此 , 能源资源评价不能独立于其它分析过程而单独进行 。特别是对可再生能源资源来 说 , 评价内容除了要考虑储量 、 开采量 、 生产率等进行一般能源评价所考虑的因素以外 , 更应注重 可再生能源资源的开发技术及市场分析 。 由于目前对可再生能源的资源评价尚未形成比较系统的 评价体系 , 因此 , 论文根据可再生能源资源的特性以及它与技术 、 市场之间的内在联系 , 从一般系 统论的观点出发 ,对可再生能源资源的系统评价方法进行了研究 。 最后以秸秆资源为例 ,对以上选 择的评价方法进行了实际应用 。 关 键 词 :可再生能源资源 ; 系统评价方法 ; 秸秆资源 中图分类号 : F062. 1 文献标识码 :A
2. 2
( 1) 实物量指标
实物量指标包括 :
1) 理论蕴藏量 : 指理论上地区每年可能拥有的可再生能源资源量 。各种可再生能源资源的理论蕴藏量
的计算见表 1 至表 4 。 表1
T able 1
几种可再生能源资源的理论蕴藏量
Theoretical storage quantity of several renewable energy resources
2
可再生能源资源的系统评价方法的确定
与不可再生能源相比 , 可再生能源资源具有能源密度低 , 不确定性程度大 , 可获得量与技术密切相关的
特点 。 另外 ,可再生能源资源具有地域性特点 ,一般不进行地区间的贸易 ,不易输送 。 其资源量的实际开发程 度还受当地不可再生能源资源供应情况的制约 。在进行资源评价时必须充分考虑这些具体的特点 , 才能给 出真实可靠的分析结果 。 因此 ,本文认为有必要寻求可再生能源资源的系统评价方法 ,构建相应的评价指标 体系 。
( 3) 全寿命期成本[3 ] :
由于可再生资源技术具有初期投资高 , 运行费用低 , 燃料费实际等于零的特点 , 在评价其经济性时 , 使 用全寿命期成本显得尤为重要 。
4期
李京京等 : 可再生能源资源的系统评价方法及实例
- n - j PV = I - ( Vn a ) + 6 a ( Mj + Rj ) + 6 PQb
T able 2
不同农作物的谷草比
Ratio of straw and grain of different crops
品种 小麦 大豆 玉米 谷子 水稻 花生 红薯 棉杆
谷草比
1∶ 1 1. 5 ∶ 1 2∶ 1 1∶ 1 1∶ 1 2∶ 1 1∶ 1 3∶ 1
376
自 然 资 源 学 报 不同径阶薪柴产柴量
j
375
其中 , PV 为该能源系统全寿命期成本的总现值 ; I 为该系统初始投资总成本 。对于一项可再生能源技 术 , 其开发研制需投入大量的科研成本 , 在推广过程中也要付出信息传播 、 宣传 、 交流 、 示范和培训的可观费 用 。即使科研成本由国家负担可作 “沉没” 处理 , 对于一个生产决策单位 , 信息成本却是必须付出的 , 因此也 应将其考虑在内 。 V 为寿期终了的第 n 年设备的残值 ; a 为贴现率为 d 时的简单现值公式 , 即 a = ( 1 + d) ,
L =e
- rt
λ, R ,d R/ d t) [ U( Y t ) - TC ( Y t ) - λ( Y t - f ( R) + d R/ d t ) ] = L ( t , Y t ,
D = MC + λ
( 1)
λ= 0 当社会总收益达到最大时应满足 :d L/ d Y t = 0 ,d L/ d R = 0 ,d L/ d 即: λ dλ / d t = ( r - d f / d R) ×
P = LRMC + RT
其中 , P 为能源产品的市场价格 ; LRMC 为生产者的长期边际成本 ; RT 则为资源租金 , 表征生产者使用 资源所应付给资源所有者的报酬 。
( 2) 边际成本的确定 [2 ]
可再生能源生产的经济性的评价也要借助边际成本的概念 。 但区别于不可再生能源边际成本是能源生 产累计量的函数 ,可再生能源的边际成本与生产技术及市场条件相关 。 受生产规模及市场开拓率的影响 ,其 边际成本并不是单调上升的 。 一般初期投资高昂 ,随着生产规模的扩大 ,成本逐渐下降 ,到达最低成本后 ,在 条件最有利的地区该技术已被广泛采用 , 以后要想超过这一规模扩大市场供应 , 就要将技术应用于条件不 太有利的地区 ,从而导致成本上升 。 边际成本的计算采用长期生产平均增量成本 ( AIC) 法 。 AIC 定义为 : 在某 一规划期内因提供和维持某种可再生能源产品的需求量而增加的费用的贴现总和除以规划期内经过贴现 产量增量 。
能源种类 太阳能 风能
理论蕴藏量 地面年所受辐射总量 功率密度 × 年有效风速小时数
n
主要参数 入射角 、 大气散射与吸收 、 云层厚度 、 大气浑浊度 平均有效风速 、 空气密度 、 有效风速小时数 流量 ( m / s) 和水头 ( m)
3
W=
( Q ×H) ∑
i = 1
水能
n为河道随支流汇入分成的总段数 , Q为多年 平均流量 , H为河段的落差
Firew ood producing quantity
16 卷
的技术是指可以使用相对劣等资源进行生产的技术 , 有时它与技术的 表3
T able 3
先进性并不一致 , 例如 : 直接燃烧秸秆对秸秆的性质并无要求 , 但显然 是低效率的能源利用方式 。 生物质资源的收集系数与收集半径有关 , 太阳能 、 风能 、 水能收集 系数为 1 ,由此可知 : 太阳能热水器的基准太阳能可获得量 = 所有公寓 上都安装太阳能热水器所利用的太阳能资源量 ; 风电的风能基准可获 得量 = 地区所有有利地点 ( 风速大于有效风速) 都安装足够多的风力 透平所利用的风能数量 ; 水电的水能基准可开发量 = 根据勘探 、 设计 和普查资料 ,水量和落差可以被水电站利用的水能资源量 。
n
生物 质能
秸秆
为
∑Q ×r , n为区域内作物秸秆种类 , Q 为
i i i
i = 1
实物量
第 i 种作物的产量 , ri 为第 i 种作物的草谷比 薪柴 粪便 林木种植面积 × 单位面积产柴量 年人畜数量 × 单位人畜年排泄量
2) 可获得量 : 指通过现有技术条件可以转化为有用能的可再生能源资源数量 , 因此 , 可获得量是一个与
2. 1. 2
经济性分析
( 1) 建立可再生能源资源开发利用的系统动态优化模型 [1 ]
可再生资源通常具有公共商品的性质 ,从全社会的角度建立系统的优化模型 :
Max
Θeห้องสมุดไป่ตู้
∞
0
- rt
[ U( Y t ) - TC ( Y t ) ]d t
s. t. d R/ d t = f ( R) - Y t
式中 , U ( Y t ) 为社会总收益 ; TC ( Y t ) 为资源利用的总成本 ; Y t 为资源流量 ; R 为资源量 ; f ( R) 为不开采状 态下资源的自然增长率 ,即 : f ( R) = d R/ d t | Yt = 0 上述问题的拉氏函数为 :
374
自 然 资 源 学 报
16 卷
2. 1 2. 1. 1
评价方法 生产率分析
可再生能源资源的可再生性并非无限制地加以利用 , 影响其生产率的参数主要包括转换技术的效率 、
可利用资源量和潜在用户市场 。对可再生能源资源的利用率具有决定影响的是生产条件的制约 , 包括设备 技术性能和现实条件下实际可被利用的资源量等 。在进行规划时必须弄清这些限制 , 以避免过高估计可再 生能源资源的实际利用率 。
1
引 言
可再生能源资源所具有的可再生性和清洁性特点决定了它必将在未来的社会经济发展中发挥越来越
重要的作用 。 因为可再生能源资源评价是可再生能源资源综合规划的前提 ,因此 ,在对每一种可再生能源资 源利用之前 , 首先应该对其进行客观评价 。同时 , 由于能源综合规划各环节之间是相互关联的 , 所以能源资 源评价不能独立于其它分析过程而单独进行 。 特别是对可再生能源资源来说 ,评价内容除了要考虑储量 、 开 采量 、 生产率以及成本 、 价格 、 租金等进行一般能源评价所考虑的因素以外 , 更应注重可再生能源资源开发 技术与市场分析 。目前 , 对可再生能源资源的评价方法比较单一 , 缺少比较系统的评价指标 , 更未能形成综 合的评价指标体系 , 因此 , 有必要根据可再生能源资源的特性以及它与技术 、 市场之间的内在联系 , 从一般 系统论的观点出发 , 对可再生能源资源的系统评价方法进行研究 , 并建立可再生能源资源评价的指标体 系。
第 16 卷 第 4 期
2001 年 7 月
自 然 资 源 学 报
J O U R N AL O F N A T U RAL R ESO U R C ES
Vol . 16 No. 4 J uly , 2001
文章编号 :1000 - 3037 ( 2001) 04 - 0373 - 08
可再生能源资源的系统评价方法及实例
j = 1 到 n 年 ; M 为第 j 年的维护成本 ; R 为第 j 年的设备修理及更换成本 ; P 为所消费燃料的初始价格 ; Q
为所需的燃料量 ( 计入设备效率) ; b 为通货膨胀率为 e 时考虑燃料费的上涨计算第 j 年现值的公式 ,即
b = ( 1 + e) ( 1 + d) 。
评价指标的选择 [6 、 7] 2. 2. 1 资源量指标
技术密切相关的实物量指标 。 同一种可再生能源资源因转换的技术路线不同而有不同的可获得量 。 为此用 资源最大可获得量和技术基准可获得量两个指标来反映技术对资源利 用的制约 。 资源最大可获得量 = 满足现有能最大限度转换资源技术参数要求 的理论资源量 × 收集系数 技术基准可获得量 = 满足某一技术路线的基本参数要求的理论资 源量 × 收集系数技术基准可获得量与资源利用的具体技术路线密切相 关 ,反映的是某一技术对资源的利用能力 。 因此 ,使用这一指标时必须指 明技术对象 。所谓基本参数要求是以技术目前普遍面貌而言 , 即使个别 企业能够达到较高的技术利用水平 , 也不能作为制定技术基本参数的依 据。 与技术基准可获得量不同 , 资源最大可获得量反映的是已有技术对 资源的最大利用 。应当说明的是 , 这里所说的能够最大限度地转换资源 表2
收稿日期 :2000 - 12 - 13 ; 修订日期 :2001 - 04 - 03 。 基金项目 : 本文系中国农业部与美国能源部共同开展的 “中国生物质能转换技术评价及其市场化发展战略研究” 的 部分成果 。 第一作者简介 : 李京京 (1967 - ) , 女 , 上海人 , 国家计委能源研究所可再生能源发展中心主任 , 研究员 , 主要从事能 源系统分析 ,能源与环境模型及可再生能源发展政策等方面的研究 。
d R/ d t = f ( R) - Y t
D 为边际效益 ; MC 为边际成本 ;λ为可再生资源的影子价格 , 它的变化率受增长函数的影响 , 即 : ( dλ /
d t) / λ= R - d f / dR 。达斯古帕塔称 R - d f / d R 为社会贴现率 。
若将式 ( 1) 看作是单个生产者的决策函数 ,上述结果仍成立 ,只是上述公式改写为 :
T
∑[I +
t
( Mt - M t 0 ) ]/ (1 + i )
Qt0 ) / (1 + i )
t- t0
t- t 0
AICi =
t=t0+1 T
∑(Q t t=t0 +1
式中 , AICi 表示贴现率为 i 的平均增量成本 ; It 表示第 t - t0 年的各项投资费用 ,包括信息成本 ; Mt - Mt0 表示第 t - t0 年的运行和维修费用增加量 ; Qt - Qt0 表示第 t - t0 年的产量增量 ; T 表示开发和生产年限 。对 一个新建项目 , Mt0 和 Qt0 均为 0 ,因此 AIC 就是长期平均成本 。
1 2 1
(1. 国家计委 能源研究所可再生能源发展中心 ,北京 100038 ; 2. 北京师范大学 资源与环境科学系 ,北京 100875)
摘要 : 可再生能源资源评价是可再生能源综合规划的前提 , 由于能源综合规划各环节之间是相互 关联的 , 因此 , 能源资源评价不能独立于其它分析过程而单独进行 。特别是对可再生能源资源来 说 , 评价内容除了要考虑储量 、 开采量 、 生产率等进行一般能源评价所考虑的因素以外 , 更应注重 可再生能源资源的开发技术及市场分析 。 由于目前对可再生能源的资源评价尚未形成比较系统的 评价体系 , 因此 , 论文根据可再生能源资源的特性以及它与技术 、 市场之间的内在联系 , 从一般系 统论的观点出发 ,对可再生能源资源的系统评价方法进行了研究 。 最后以秸秆资源为例 ,对以上选 择的评价方法进行了实际应用 。 关 键 词 :可再生能源资源 ; 系统评价方法 ; 秸秆资源 中图分类号 : F062. 1 文献标识码 :A
2. 2
( 1) 实物量指标
实物量指标包括 :
1) 理论蕴藏量 : 指理论上地区每年可能拥有的可再生能源资源量 。各种可再生能源资源的理论蕴藏量
的计算见表 1 至表 4 。 表1
T able 1
几种可再生能源资源的理论蕴藏量
Theoretical storage quantity of several renewable energy resources
2
可再生能源资源的系统评价方法的确定
与不可再生能源相比 , 可再生能源资源具有能源密度低 , 不确定性程度大 , 可获得量与技术密切相关的
特点 。 另外 ,可再生能源资源具有地域性特点 ,一般不进行地区间的贸易 ,不易输送 。 其资源量的实际开发程 度还受当地不可再生能源资源供应情况的制约 。在进行资源评价时必须充分考虑这些具体的特点 , 才能给 出真实可靠的分析结果 。 因此 ,本文认为有必要寻求可再生能源资源的系统评价方法 ,构建相应的评价指标 体系 。
( 3) 全寿命期成本[3 ] :
由于可再生资源技术具有初期投资高 , 运行费用低 , 燃料费实际等于零的特点 , 在评价其经济性时 , 使 用全寿命期成本显得尤为重要 。
4期
李京京等 : 可再生能源资源的系统评价方法及实例
- n - j PV = I - ( Vn a ) + 6 a ( Mj + Rj ) + 6 PQb
T able 2
不同农作物的谷草比
Ratio of straw and grain of different crops
品种 小麦 大豆 玉米 谷子 水稻 花生 红薯 棉杆
谷草比
1∶ 1 1. 5 ∶ 1 2∶ 1 1∶ 1 1∶ 1 2∶ 1 1∶ 1 3∶ 1
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自 然 资 源 学 报 不同径阶薪柴产柴量
j
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其中 , PV 为该能源系统全寿命期成本的总现值 ; I 为该系统初始投资总成本 。对于一项可再生能源技 术 , 其开发研制需投入大量的科研成本 , 在推广过程中也要付出信息传播 、 宣传 、 交流 、 示范和培训的可观费 用 。即使科研成本由国家负担可作 “沉没” 处理 , 对于一个生产决策单位 , 信息成本却是必须付出的 , 因此也 应将其考虑在内 。 V 为寿期终了的第 n 年设备的残值 ; a 为贴现率为 d 时的简单现值公式 , 即 a = ( 1 + d) ,
L =e
- rt
λ, R ,d R/ d t) [ U( Y t ) - TC ( Y t ) - λ( Y t - f ( R) + d R/ d t ) ] = L ( t , Y t ,
D = MC + λ
( 1)
λ= 0 当社会总收益达到最大时应满足 :d L/ d Y t = 0 ,d L/ d R = 0 ,d L/ d 即: λ dλ / d t = ( r - d f / d R) ×
P = LRMC + RT
其中 , P 为能源产品的市场价格 ; LRMC 为生产者的长期边际成本 ; RT 则为资源租金 , 表征生产者使用 资源所应付给资源所有者的报酬 。
( 2) 边际成本的确定 [2 ]
可再生能源生产的经济性的评价也要借助边际成本的概念 。 但区别于不可再生能源边际成本是能源生 产累计量的函数 ,可再生能源的边际成本与生产技术及市场条件相关 。 受生产规模及市场开拓率的影响 ,其 边际成本并不是单调上升的 。 一般初期投资高昂 ,随着生产规模的扩大 ,成本逐渐下降 ,到达最低成本后 ,在 条件最有利的地区该技术已被广泛采用 , 以后要想超过这一规模扩大市场供应 , 就要将技术应用于条件不 太有利的地区 ,从而导致成本上升 。 边际成本的计算采用长期生产平均增量成本 ( AIC) 法 。 AIC 定义为 : 在某 一规划期内因提供和维持某种可再生能源产品的需求量而增加的费用的贴现总和除以规划期内经过贴现 产量增量 。
能源种类 太阳能 风能
理论蕴藏量 地面年所受辐射总量 功率密度 × 年有效风速小时数
n
主要参数 入射角 、 大气散射与吸收 、 云层厚度 、 大气浑浊度 平均有效风速 、 空气密度 、 有效风速小时数 流量 ( m / s) 和水头 ( m)
3
W=
( Q ×H) ∑
i = 1
水能
n为河道随支流汇入分成的总段数 , Q为多年 平均流量 , H为河段的落差
Firew ood producing quantity
16 卷
的技术是指可以使用相对劣等资源进行生产的技术 , 有时它与技术的 表3
T able 3
先进性并不一致 , 例如 : 直接燃烧秸秆对秸秆的性质并无要求 , 但显然 是低效率的能源利用方式 。 生物质资源的收集系数与收集半径有关 , 太阳能 、 风能 、 水能收集 系数为 1 ,由此可知 : 太阳能热水器的基准太阳能可获得量 = 所有公寓 上都安装太阳能热水器所利用的太阳能资源量 ; 风电的风能基准可获 得量 = 地区所有有利地点 ( 风速大于有效风速) 都安装足够多的风力 透平所利用的风能数量 ; 水电的水能基准可开发量 = 根据勘探 、 设计 和普查资料 ,水量和落差可以被水电站利用的水能资源量 。
n
生物 质能
秸秆
为
∑Q ×r , n为区域内作物秸秆种类 , Q 为
i i i
i = 1
实物量
第 i 种作物的产量 , ri 为第 i 种作物的草谷比 薪柴 粪便 林木种植面积 × 单位面积产柴量 年人畜数量 × 单位人畜年排泄量
2) 可获得量 : 指通过现有技术条件可以转化为有用能的可再生能源资源数量 , 因此 , 可获得量是一个与
2. 1. 2
经济性分析
( 1) 建立可再生能源资源开发利用的系统动态优化模型 [1 ]
可再生资源通常具有公共商品的性质 ,从全社会的角度建立系统的优化模型 :
Max
Θeห้องสมุดไป่ตู้
∞
0
- rt
[ U( Y t ) - TC ( Y t ) ]d t
s. t. d R/ d t = f ( R) - Y t
式中 , U ( Y t ) 为社会总收益 ; TC ( Y t ) 为资源利用的总成本 ; Y t 为资源流量 ; R 为资源量 ; f ( R) 为不开采状 态下资源的自然增长率 ,即 : f ( R) = d R/ d t | Yt = 0 上述问题的拉氏函数为 :
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自 然 资 源 学 报
16 卷
2. 1 2. 1. 1
评价方法 生产率分析
可再生能源资源的可再生性并非无限制地加以利用 , 影响其生产率的参数主要包括转换技术的效率 、
可利用资源量和潜在用户市场 。对可再生能源资源的利用率具有决定影响的是生产条件的制约 , 包括设备 技术性能和现实条件下实际可被利用的资源量等 。在进行规划时必须弄清这些限制 , 以避免过高估计可再 生能源资源的实际利用率 。
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引 言
可再生能源资源所具有的可再生性和清洁性特点决定了它必将在未来的社会经济发展中发挥越来越
重要的作用 。 因为可再生能源资源评价是可再生能源资源综合规划的前提 ,因此 ,在对每一种可再生能源资 源利用之前 , 首先应该对其进行客观评价 。同时 , 由于能源综合规划各环节之间是相互关联的 , 所以能源资 源评价不能独立于其它分析过程而单独进行 。 特别是对可再生能源资源来说 ,评价内容除了要考虑储量 、 开 采量 、 生产率以及成本 、 价格 、 租金等进行一般能源评价所考虑的因素以外 , 更应注重可再生能源资源开发 技术与市场分析 。目前 , 对可再生能源资源的评价方法比较单一 , 缺少比较系统的评价指标 , 更未能形成综 合的评价指标体系 , 因此 , 有必要根据可再生能源资源的特性以及它与技术 、 市场之间的内在联系 , 从一般 系统论的观点出发 , 对可再生能源资源的系统评价方法进行研究 , 并建立可再生能源资源评价的指标体 系。
第 16 卷 第 4 期
2001 年 7 月
自 然 资 源 学 报
J O U R N AL O F N A T U RAL R ESO U R C ES
Vol . 16 No. 4 J uly , 2001
文章编号 :1000 - 3037 ( 2001) 04 - 0373 - 08
可再生能源资源的系统评价方法及实例
j = 1 到 n 年 ; M 为第 j 年的维护成本 ; R 为第 j 年的设备修理及更换成本 ; P 为所消费燃料的初始价格 ; Q
为所需的燃料量 ( 计入设备效率) ; b 为通货膨胀率为 e 时考虑燃料费的上涨计算第 j 年现值的公式 ,即
b = ( 1 + e) ( 1 + d) 。
评价指标的选择 [6 、 7] 2. 2. 1 资源量指标
技术密切相关的实物量指标 。 同一种可再生能源资源因转换的技术路线不同而有不同的可获得量 。 为此用 资源最大可获得量和技术基准可获得量两个指标来反映技术对资源利 用的制约 。 资源最大可获得量 = 满足现有能最大限度转换资源技术参数要求 的理论资源量 × 收集系数 技术基准可获得量 = 满足某一技术路线的基本参数要求的理论资 源量 × 收集系数技术基准可获得量与资源利用的具体技术路线密切相 关 ,反映的是某一技术对资源的利用能力 。 因此 ,使用这一指标时必须指 明技术对象 。所谓基本参数要求是以技术目前普遍面貌而言 , 即使个别 企业能够达到较高的技术利用水平 , 也不能作为制定技术基本参数的依 据。 与技术基准可获得量不同 , 资源最大可获得量反映的是已有技术对 资源的最大利用 。应当说明的是 , 这里所说的能够最大限度地转换资源 表2
收稿日期 :2000 - 12 - 13 ; 修订日期 :2001 - 04 - 03 。 基金项目 : 本文系中国农业部与美国能源部共同开展的 “中国生物质能转换技术评价及其市场化发展战略研究” 的 部分成果 。 第一作者简介 : 李京京 (1967 - ) , 女 , 上海人 , 国家计委能源研究所可再生能源发展中心主任 , 研究员 , 主要从事能 源系统分析 ,能源与环境模型及可再生能源发展政策等方面的研究 。
d R/ d t = f ( R) - Y t
D 为边际效益 ; MC 为边际成本 ;λ为可再生资源的影子价格 , 它的变化率受增长函数的影响 , 即 : ( dλ /
d t) / λ= R - d f / dR 。达斯古帕塔称 R - d f / d R 为社会贴现率 。
若将式 ( 1) 看作是单个生产者的决策函数 ,上述结果仍成立 ,只是上述公式改写为 :
T
∑[I +
t
( Mt - M t 0 ) ]/ (1 + i )
Qt0 ) / (1 + i )
t- t0
t- t 0
AICi =
t=t0+1 T
∑(Q t t=t0 +1
式中 , AICi 表示贴现率为 i 的平均增量成本 ; It 表示第 t - t0 年的各项投资费用 ,包括信息成本 ; Mt - Mt0 表示第 t - t0 年的运行和维修费用增加量 ; Qt - Qt0 表示第 t - t0 年的产量增量 ; T 表示开发和生产年限 。对 一个新建项目 , Mt0 和 Qt0 均为 0 ,因此 AIC 就是长期平均成本 。