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劉貞，賀良萍，朱開偉，李佩瑩
(1.重慶理工大學低碳能源研究中心，重慶400054；2.美國加州伯克利勞倫斯實驗室，美國加州94720；3.西南大學經濟管理學院，重慶400715)
摘要：中國生物質資源豐富，經濟環境和發展水平使生物質能技術的發展處于比較有利的階段。雖然生物質發電被認為是優質的發電方式，但由于生物質發電項目的燃料費用過高，生物質發電產業的整體效益不容樂觀。用系統動力學的方法構建以單個生物質直燃發電廠為例的經營發展模型，分析生物質發電廠的生存現狀，在此基礎上建立對生物質發電廠實施電價補償的經營發展動力學模型，研究電價補償對生物質發電廠的經營發展的影響。結果表明：目前的常規生物質發電廠難以盈利的情況普遍存在，電價補償對生物質發電廠發展的激勵作用明顯，分段電價補償模式比定值電價補償模式更有利于生物質發電廠的發展。
一、引言
近年來，中國加大對清潔能源的支持力度，可再生能源產業發展迅速。作為可再生能源的重要組成部分，生物質發電的發展，是構筑穩定、經濟、清潔、安全的能源供應體系，突破經濟社會發展資源環境制約的重要途徑。中國從1978年開始進行生物質能發電研究，生物質發電行業的快速發展，為更好地利用生物質能源奠定了良好基礎。但在此過程中，生物質發電行業的發展面臨諸多挑戰。目前，中國對生物質發電的補償并沒有明確的機制規范，國家統一的生物質發電上網電價是0.75元，但對于絕大多數生物質發電企業來說，這個固定的上網電價并不能有效地補償企業的高運營成本，仍然有很多企業投資不足，難以實現規模化和產業化。要實現生物質發電產業快而好的發展，改善生物質發電企業的運營現狀，并對其進行適當的補償，具有重要的現實意義和必要性。
目前，研究生物質發電產業發展的文獻大致可分為3類：
一是對生物質發電的現狀及其發展潛力的分析。蔣冬梅等提出了秸稈資源發電的綜合效益模型，分析了我國秸稈發電的一個綜合效益，并對未來發電效益進行推論預測。金銘對生物質發電在全球的發展潛力進行研究分析，認為生物質發電對緩解全球能源危機具有重要意義和作用。劉志彬等研究發現中國農業生物質資源儲量豐富，生物質發電潛力較大。Singh等、Gómez等利用地理信息系統(GIS)和數學模型對生物質資源的發電潛力進行評估預測，發現生物質發電的潛力巨大。Raman等使用數據包絡分析方法研究了目前的生物質資源現狀并提出了建立生物質發電廠的商業模式，并詳細討論了生物質發電的貢獻。Zhao等用SWOT分析評估了中國生物質發電產業的現狀，為中國生物質發電產業的研究提供了基礎。
二是對具體生物質發電產業經濟效益評價的研究。蔡樹文以生物質資源豐富為大前提對中國生物質資源的利用進行預測。魏延軍等以具體容量的生物質直燃發電項目為例，分析其經濟效益，并得出相應的理論建議。Sun等選取了30個在中國的生物質發電企業，使用數據包絡分析方法對生物質發電產業的效率進行評估。
三是對生物質發電企業發展的相關影響因素及其方法機制進行分析、研究，因為生物質發電產業的迅速發展，所關注的不僅是生物質發電產業的巨大潛力，更重要的是生物質產業面臨的重重阻礙需要解決。
Qing等提出了生物質發電產業在中國的最大問題是缺乏市場機制，并構建了電價補償模型對相關因素的相互影響作用進行了分析。趙浩亮等研究發現對生物質電廠發電成本影響最大的因素是燃料費用”。檀勤良等提出了生物質發電秸稈收購經紀人數量的增加有利于降低秸稈成本。王愛軍等發現在生物質發電過程中發電效率對燃料成本有較大影響。董暢等提出可再生能源配額制的實施將有利于生物質發電產業規模化和產業化的發展，但如果生物質發電電價居高不下，生產成本又過高的話，它將無法在生物質發電企業的市場競爭中得到市場補償，也無法在其中生存。范道津等通過分析生物質發電電價補償現狀，提出了在電價補貼制度下生物質發電企業的相關發展對策。趙洱崠等構建固定電價與配額交易下的產業發展系統動力學模型，模擬分析結果表明配額交易制度對中國生物質發電產業發展的激勵效應比固定電價政策更為直接有效。對生物質發電產業存在問題的研究不多，主要是研究影響生物質發電企業發展的影響因素及其相互之間的關系，又或者在某種政策基礎下的生物質發電產業的發展建議研究。
根據已有研究文獻，結合生物質產業的發展現狀分析可知，目前的生物質發電產業發展潛力巨大，經濟效益可觀，但發展現狀遠遠未達到預期水平。在前人研究中，多數是根據影響成本因素提出降低成本的相關建議，但就眼下中國生物質發電產業的發展現狀，降低成本還存在一定的難度，適當的激勵機制對于生物質發電行業來說是很有必要的。國家提出的關于生物質發電的支持政策主要分為保證所有用電量強制入網的政府命令控制型政策和以電價補貼為主的經濟刺激型政策。對生物質發電廠進行補償是對其發展的直接刺激，目前關于電價補償的研究較少，且大部分屬于理論性研究。文章結合已有研究，考慮現實背景，構建了生物質發電廠的發展效益模型，在不考慮電價補償的情形下用系統動力學方法構建生物質發電企業的發展效益動力學模型，對其結果進行分析再考慮給予電廠補償，并從裝機容量的增長及其利潤的變化來研究補償電價的效用，研究了補償電價對生物質發電廠經營發展產生的影響。
二、系統動力學模型構建
(一)模型的基本假設
在構建生物質發電企業的經營發展動力學模型時，針對模型研究的主要問題和模型的現實意義，進行基本假設，簡化現實條件及其影響因素，使其目的更明確，減少多重因子干擾。在此主要提出以下幾點假設：
(1)生物質發電廠的原材料充足。因為模型只考慮補償電價的變化對發電廠利潤及增容的影響，所以在此不考慮原材料的供給問題，以原料充足為基礎背景進行研究。
(2)忽略技術進步對發電廠帶來的影響。因為考慮補償對電廠發展的影響，主要研究電價補償對其利潤和發展規模的影響，生物質發電廠的技術發展對發展的影響較為復雜，所以本文模型沒有考慮技術進步對電廠帶來的復雜影響。
(3)燃料成本在一定范圍內隨機變動。燃料成本并非一成不變，所以在模型中對于平均單位成本的數值設置了一個高低成本范圍內的隨機函數來確定。
(4)簡化生物質發電廠成本輸出。因為對生物質電廠發電成本影響最大的因素是燃料費用，所以建立模型時主要考慮發電燃料與裝機建設成本對利潤的影響，模型屬于簡單系統研究，并未做深層次的多因素影響研究。
(二)經營發展結構圖
以某個30MW的生物質直燃秸稈發電廠為例，建立電廠經營發展動力學模型。首先分析生物質發電廠的經營發展結構，主要分為利潤和成本兩部分。生物質發電廠的收入主要來源于售電收益，由于生物質能源發電的上網電價是標準不變的標桿電價，所以電廠的利潤主要由售電收益、發電量和生產成本決定。研究電廠的發展，主要以裝機容量為參照，以利潤為影響因素。電廠發展的模塊構建，設定電廠的利潤是刺激其增容的決定性因素，所以電廠的利潤決定了電廠的發展規模。以上述關系為基礎得出生物質發電廠經營發展系統動力學模型的初始基本結構如圖1所示。
(三)系統動力學流圖構建
1.無補償的系統動力學流圖構建
一個生物質發電廠的成本主要由裝機建設成本和原材料的到廠發電成本構成，電廠收入的主要來源為售電收益。模型的構建主要是從成本和收入兩方面來展開，電廠利潤即等于售電收益減去生產成本。在此模型中生物質發電的燃料主要是以秸稈燃燒為主，所以模型中燃料的低位熱值以秸稈為例進行相應的取值。燃料的消耗量由燃料低位熱值和電廠的發電效率及其發電量共同決定。模型中的原材料成本是由燃料消耗量和燃料發電的單位成本所決定的，單位成本的取值根據參考生物質發電廠的歷史數據做了一個總體的評估，根據評估結果設置了一個關于燃料單位成本的隨機函數。一個生物質發電廠的發電總量主要由電廠裝機容量、裝機容量利用時間和發電效率所決定。隨著電廠利潤的不斷增長，電廠決策者會根據電廠的收益情況對其做出相應的發展決策。在模型中，結合實際電廠的考察結果，設置了電廠利潤對電廠增容的影響因子函數。模型設計中，生產成本只考慮燃料的到廠發電成本和如果電廠增容的裝機成本，因為每個發電廠的成本因地區不同和其他硬件設施不同生產成本也會相應發生變化，結合背景電廠的實際情況在此僅考慮影響成本的顯著性因素。
結合發電廠的實際情況和生物質發電廠經營發展的初始結構圖，選擇影響因素，確定模型變量，構建無補償的生物質發電廠經營發展的系統動力學流圖(圖2)。
2.添加補償模塊的系統動力學流圖構建為了激勵生物質發電廠的發展，清潔發電，提高生物質燃料的利用，對生物質發電廠進行電價補償。基于上述的動力學模型，增加電價補償模塊。對電價補償模式的設置，文中主要涉及了兩種補償模式：一種是直接補償定值電價，即每度電補償一個定值電價；另一種是以燃料消耗量為基礎，根據燃料的利用量來決定電價的補償，設計了一個關于燃料消耗量對補償電價的影響因子，實施補償電價分段遞增補償的激勵機制，并在電價補償變量的設置上，給定一個補償的上限值以防止出現不合常理的無限增長。在圖2基礎上添加補償電價模塊，得到添加電價補償模塊的生物質發電廠的經營發展系統動力學流圖(圖3)。
在添加電價補償模塊的模型中，單位電價的值變為標桿電價加上補償電價。設置補償變量模式，補償固定電價模式設置參考國家之前的生物質發電的電價補償，每度電補償0.25元。以燃料消耗量設置補償模式的電價隨著生物質能源的利用量增大而階段性遞增，根據定值電價補償取值，階段補償電價的最大值取定值補償的兩倍，即補償電價的取值為0～0.5元。
三、系統仿真結果分析
(一)無補償生物質發電廠的經營發展系統仿真結果分析
根據考察電廠所得的基礎數據，完善模型方程并進行仿真分析。經過有效性檢驗和靈敏度分析證明模型的可行性后，得出關于電廠利潤變化量的仿真結果(圖4)。由仿真結果可看出，在沒有外部補償的情況下，生物質發電廠的盈利基本上是符合“生物質發電廠的收益掙扎在盈虧平衡線上”的說法。由仿真結果可知，在沒有補償的情況下，發電廠的利潤基本上是隨成本的變化上下波動，在盈虧平衡線上下波動。在此情況下的利潤變化量與生產成本的變化基本是一致的，成本降低，收益增長，符合電廠的實際情況。
(二)添加電價補償模塊的生物質發電廠的經營發展系統仿真結果分析
在初始的電廠收益發展的基礎動力學模型上添加電價補償模塊，仿真模擬并進行結果分析。改變年燃料消耗量對補償電價的影響函數，得到兩種補償模式下的相關變量數據表(表1、表2)。總體來看，電廠的年利潤額還是在不斷的增長中，分段補償的年利潤增長較定值補償的年利潤增長在趨勢上更為可觀。相較于定值補償，分段補償的電價補償激勵作用更明顯，電價補償的增速較快，同樣的決策條件下電廠的規模擴張速度也比較快。從仿真結果數據總體上看，分段補償在數據上的結果數值要優于定值補償的結果。
根據仿真結果(圖5)可以觀測兩種電價補償模式下系統中各因素之間相互影響的情況，分段補償模式下電廠的利潤增長趨勢更為明顯，剛開始實施電價補償機制的幾年中兩種補償模式下的利潤變化趨勢相差較大，在后期基本穩定的時段，兩種補償模式下的利潤變化量變化趨勢基本吻合。關于電廠利潤與電廠增容的變化情況，根據圖5可知，在給予定值電價補償的模式下，電廠的增容時間間隔較長，相同情況下，最多也就只能達到增容IOWM；而分段補償的模式下，電廠的增容時間間隔較短，并且在相對較短的時間內達到了模型中設置的增容最高點。根據模型仿真結果，如果現實情況中電廠決策者不滿足現狀、期望更大的利益的話，可能會考慮繼續擴大電廠規模，保守的決策者也許就滿足現狀五一擴大規模。對于分段補償模式下補償電價的變化，模擬結果顯示，大約在電廠進行補償10年后才會進入一個相對穩定的較高補償價格，分段補償中的補償電價的變化趨勢與年燃料消耗的變化趨勢也基本一致，經過10年經營兩變量的值在一個定值附近波動，基本處于穩定狀態。從補償電價與利潤的仿真模擬圖可得，補償電價在前幾年的變速變化較大，利潤的增長卻比較緩慢，因為方開始補償電價伴隨著裝機容量的增長從而影響成本，所以前幾年利潤的增長并沒有以補償電價增速增長，到后來補償電價趨于穩定，電廠的利潤累計增速才有所提高，基本上實現穩定增長。
從以上仿真結果可知，一個普通的生物質發電廠在沒有補償的情況下基本是處于難以盈利的狀態。國家補償對生物質發電廠的發展有著直接影響，文章通過對生物質發電廠給予電價補償并進行建模研究，觀測補償電價對其經營發展的影響。結果表明：對生物質發電進行電價補償，使生物質發電廠擺脫的盈虧平衡線上掙扎的境遇是可行的。設計不同的補償模式并對其進行建模分析，對生物質發電廠給予分段電價補償的模式較給予定值電價補償的模式對生物質發電廠的激勵效果更佳。生物質發電廠享受電價補償達到一定年限后，會進入一個較為穩定的發展趨勢。
四、結語
文章應用系統動力學的方法，研究了給予電價補償對生物質發電廠經營發展的影響，得出根據生物質能源的利用量對電價進行分段補償的模式較直接補償定值電價的模式對生物質發電廠的發展激勵效果更佳。對于絕大多數生物質發電廠來說，獲得適當補償不失為一個有助于發展的機制，分段電價補償就是相對較好的一種補償模式。
根據文章研究結論結合生物質發展現狀，對生物質發電的電價補償機制提出以下兩點建議：
(1)對生物質發電的電價補償可以根據不同的企業發展環境制定不同的補償機制。生物質電價補償不是生物質發電企業盈利的保障，更多的是對整個行業的發展提供前期不穩定狀態下的幫扶政策。在發展初期，作為一種激勵機制促進其發展，中期給予其適當的補貼，平衡電廠部分虧損，幫助電廠逐漸走上正軌，后期根據電廠發電規模實行等級獎勵制度。分段補貼機制能更好地將補貼用到生物質發電廠的實際運行中，真正推動生物質產業發展。
(2)生物質發電的電價補償應基于電廠的發電量和生物質利用量設計相應的補償機制。一些生物質發電企業認為，只要電價上去了，成本和盈利問題就迎刃而解了。多數企業關心的都是補貼和電價的增減趨勢，而不是通過自身的發展去爭取更大的利益。通過設計可自我調控的生物質發電補償機制，能更好地促進企業發展，同時也能使國家對生物質發電的補貼政策效應最大化。
目前，關于生物質發電廠的經營發展激勵機制還未形成具體的政策制度，本文的補償模式及其研究也僅是以個體發電廠的基本情況為樣本，不能廣泛應用于各類型的生物質發電廠。但文中所提出的補償電價研究為制定生物質發電廠激勵機制提供了新的思路，為生物質發電產業發展研究提供了新的方向。未來的研究應更進一步深入模型相關影響因素選取，盡可能全面、統一地模擬更接近于大多數生物質發電廠經營狀況，并據此提出更具建設性的建議。 |
