生态文明视角下沼气能源评价指标体系构建

王火根, 梁弋雯

(江西农业大学 经管学院， 江西 南昌 330045)

环境污染问题和能源短缺危机一直阻碍着中国的可持续发展，国家政府充分意识到，解决这个问题的最佳方案是消耗不可再生资源为特征的工业化发展战略被发展可再生能源为特征的生态文明战略替代[1]。2015年，中国政府颁发的《关于加快推进生态文明建设的意见》文件中指出资源节约循环高效使用可以通过节能减排、发展循环经济、加强资源节约3个途径进行全面促进，并大力推动利用方式的根本转变来推进生物质发电、生物质能源、沼气、海洋能等开发应用。

能源是推动社会可持续发展的助动力[2]。中国能源消费总量在2015年中已经达到了43亿吨标准煤，而在能源消费总量中，煤炭的消费量占了64%，其他清洁环保能源如水电、风电、核电、天然气等的消费量合计占能源消费总量的17.9%[3]。由于我国能源结构不合理，能源利用率低，造成严重资源浪费，进而对环境产生严重的影响，主要有城市大气污染、温室效应、酸雨、核废料问题等。为了改变这一现状，2015年12月，中国政府在巴黎大会上提到：计划在2030年，可再生能源的比重在一次性能源的比重要提高到20%[4]。推进能源结构的调整、实现能源从生产到消费的革命是完成这一积极而又紧迫的减排承诺的首要步骤，而在可再生能源中能担此大任的就是生物质能源，在此背景下，沼气能源作为替代能源的一种因其原料来源丰富、清洁环保和可再生性等优势获得空前关注[5]。

中国生物质能资源广泛，种类丰富，主要包括农业废弃物、林木采伐及森林抚育剩余物、城市生活垃圾和生活污水、工业有机废弃物等[6]。据统计，中国可以利用的生物质能资源存量折合标准煤达4.6 亿吨，现在只使用了2200万吨，只约总量的5%[7]。《生物质能发展“十二五”规划》于2012年7月由国家能源局印发，要求以县为单位开展生物质能调查与评价，明确资源种类、储存量、分布情况、用途及能源化潜力。在十二届全国人大四次会议政府工作报告中，李克强总理明确指出“增加天然气的供应，完善风能、太阳能、生物质能等发展扶持政策，提高清洁能源比重。鼓励秸秆资源化利用，减少直接焚烧。” 2014 年，国务院发布了《能源发展战略行动计划2014—2020》，其中也提到了因地制宜发展农村可再生能源。2016年12月国家能源局印发《生物质能发展“十三五”规划》中明确指出：到2020年，绿色低碳生物天然气产业年产量达80亿立方米，并建设160个循环农业示范县和生物天然气示范县。

建设生态文明是一个新的重大课题，同样也是一个艰辛壮丽的战略任务，节约资源是实现保护生态环境和突破资源约束瓶颈这两大愿景的有效方法[8]。生物质能是中国走向生态文明的助推剂，高效开发利用沼气能源是实现生态文明、资源节约循环使用的最有效路径[9]。因此，建立一套科学合理的沼气能源效益的评价指标体系就显得尤为重要，为此，本文通过对目前国内学者关于沼气能源效益的评价指标体系的构建进行分类归纳与整理，主要对环境效益、经济效益、社会效益、安全效益四个方面，从目标层、准则层、指标层及指标使用情况等层面较为全面、详细的总结了沼气能源效益的评价指标体系[10-12]。在此基础上，提出了一套较为完整、科学的评价指标体系，为今后的研究奠定基础、也为政府制定相关补贴政策和进行合理评估提供参考，进而有助于提高对沼气能源的利用效率，为其健康高效发展提供科学依据。

1 沼气能源环境效益评价指标体系研究

沼气能源利用技术就是采用厌氧发酵技术(CSTR)，把农业秸秆、畜禽粪便等农业废弃物放入厌氧发酵池中进行高温发酵处理，产生的沼气通过管道输送到农户家庭，用于生活能源，产生的沼液、沼渣等用于农作物肥料[13]。对沼气能源环境效益评价指标的构建，笔者查阅文献发现大部分学者从大气环境、生态环境、水土环境、人居社会环境这几个方面进行评价分析[15-30](见表1)。

1.1 大气环境指标

作为绿色的新型清洁能源，沼气能源相对于传统的化石能源而言，含硫量很低，一般认为，沼气能源利用可以有效减少温室气体、硫氧化物、氮氧化物等污染物的排放，同时也可以减少环境污染，更高效利用废弃物[14]。到2020年，生物质能可替代化石能源总量预计能达到5800万吨左右，这样一来，二氧化硫和二氧化碳的年排放量预计将分别减少大约140万吨和1.5亿吨，并且粉尘的排放量可以减少5200万吨左右，氮氧化物的排放量则可以减少44万吨左右[15]。

在研究能源环境影响评价指标与方法时，秦静[16]，刘东生[17]，Wang[18]，Buytaert[19]选用二氧化碳排放量、二氧化硫排放量、氮氧化物排放量3个指标作为大气环境评价指标。刘威[20]在研究吉林省可再生能源战略环境评价指标体系的建立时，将大气环境指标表示为区域空气质量污染物年均值(污染物NOX，CO，TSP，PM10浓度)、区域内能源开发废气排放量。隋静坤[21]在分析生物质发电项目的低碳排放时，根据CDM方法学 ACM0006计算了某生物质发电项目的减排量，计算结果表明该项目10年共减少CO2排放量约2.08×106吨，具体来说，平均每年可减少CO2排放量约达2.1x105吨，可见沼气能源产业具备显著的环境效益。

1.2 生态环境指标

垃圾发电、秸秆发电、户用沼气等是生物质能作为一种清洁优质能源的主要利用形式，其中沼气在部分农村地区代替薪柴，减少薪柴的砍伐量可以对当地森林覆盖面积进行有效保护，并且可以缓解水土的流失和改善生态环境[14]。

温晴[22]等在评价江苏省农业沼气项目规划的环境影响时，通过因子分析法将生态环境指标表示为植被覆盖率、生物多样性指数、水土流失面积比例。刘威[23]在构建吉林省可再生能源战略环境评价指标时，将生态环境指标定义为开发项目占地面积、开发区域所占面积占敏感性区域面积比例、生态异质性指标、区域物种丰富度指标变化率、区域生物多样性指数。秦静[16]在对农村能源系统评价指标与方法研究中，将生态环境指标定义为森林采伐率、采薪引起的林草植被退化率。刘东生[17]则用保护森林覆盖面积、减少水土流失面积、减少土壤退化面积作为生态环境指标。除了考虑这些，陈振华[24]在研究沼气能源源建设项目生态环境评价时，将轻度污染与无污染天气比例作为评价指标，国外学者Evans[25]等在评价生态环境时将废物回收利用率指标也考虑在内。

1.3 水土环境指标

农村地区生活污水和畜禽养殖业产生的大量粪便冲洗污水在生物质能源(沼气)开发利用中的沼气工程中得到了处理和净化，N，P，K等营养元素在畜禽粪便的含量得以减少，进而减少了对地表和地下水的污染[26]。绝大部分的细菌、大肠菌群等病原微生物和寄生虫被杀死于秸秆、畜禽粪便等农业废弃物经过微生物发酵产沼气的过程之中，部分化肥可以用富含各种营养元素的沼渣和沼液替代，而且，这些沼渣和沼液还能良好的防治农作物的病虫害，这样一来，可以在减少农药用量的同时减轻土壤被残留农药污染的程度[17，27]。王莹[28]指出沼气能源中沼气发酵产生的沼渣和沼液中含有的腐殖酸和丰富的微量元素可以在替代化肥施用的同时增加土壤有机质，并促进土壤改良。

1.4 人居社会环境指标

沼气能源开发利用中对人畜粪便、农业废弃物、生活垃圾、污水的处理，改变了农村粪便、垃圾薪柴任意堆积的杂乱状态和污水乱排的现象，有效地改善了农村生活卫生环境、美化了村容村貌，降低了各种病菌的传播概率[16，22，29-31]。

秦静[16]在对农村能源系统评价指标与方法研究中，将人居环境评价指标定义为室内空气质量、室内能见度、清洁能源比重、沼气普及率、人居环境的清洁程度、农村环境卫生条件。樊凯非[29]在评价中国畜禽养殖场沼气的生态环境影响时，设置了环境卫生指标、废弃物指标及生活质量指标这几个二级社会环境指标，其中环境卫生指标采用减少大肠杆菌值及减少蚊蝇蛆等的数量这两个指标，废弃物指标包括生活垃圾收集率和生活垃圾无害化处理率，生活环境质量指标包括室内空气污染溶度和室内舒适度。温晴[22]在评价江苏省农业沼气项目环境影响时，将农民生活环境舒适度、年医疗费用和农村科学技术普及率定义为社会环境指标。马占云[30]在研究沼气能源对农村生态环境保护和新农村建设的影响中指出通过改变秸秆的使用方式，改善其燃料利用的便利度，能提高其利用效率，也改善了使用时的卫生环境条件，在使用过程室内空气被污染的问题也得到了有效的解决，农村居民的生活环境质量同时也能因此得到改善。国外学者Onat[31]等还考虑到噪音污染对居民生活的影响，并将其纳入人居社会环境指标体系中。

表1 沼气能源环境效益评价指标体系汇总表

2 沼气能源经济效益评价指标研究

沼气能源不仅是环境友好型的清洁环保能源，其在经济效益方面的显著价值也不容小觑(见表2)。孙君[32]等从生态和经济福利的角度考虑沼气能源的有利影响，提出了生态与经济福利度量模型，并将沼气能源与化石能源在使用过程的生态经济效益进行充分的比较与考虑，将模型的设计从环境收益、减排收益和循环收益3个方面入手。李萍、王效华[33]利用环境费用-效益分析方法计算农村户用沼气池效益，将沼气池的环境价值货币化，分析户用沼气池具有可观的综合效益：经过对一个典型的户用沼气池分析计算，得出其经济净现值为8688.76元，这个方法很值得一提的是将沼气池的环境效益带入到经济效益的分析中，以沼气池在改善环境方面的贡献来衡量其经济价值，这样，环境的价值以货币的价值体现出其价值，从而量化以计算其经济效益。刘叶志[34]等研究了户用沼气的能源替代经济效益，不同种类的能源替代经济效应不同，其中替代电力的经济效益最大：一个普通的沼气池一年产出的沼气折算化石能源价值每年替代电力915.74元。当然，沼气能源的价值不仅体现在对传统化石能源的替代经济效益上，对农民经济收入的提高也是颇有成效的，多琳娜[35]在评估内蒙古通辽地区农业生物质能开发利用经济效益时，通过定量计算得出每年每座沼气池给当地农民带来的综合经济效益达6250元，其在分析国能通辽生物质发电厂案例时，国能通辽生物质发电厂每年从农民手中收购秸秆资源，将浪费的秸秆能源化，分析发现该企业的投产运营为当地农民带来的有利的经济效益：每年9万吨生物燃料的收购为农民带来直接经济收益在2000万元左右，由于通辽地区秸秆废弃量较大，国能生物质发电厂利用了大量的废弃秸秆，不仅提高了能源利用率，也增加了农民的收入，加快了农业经济发展，缓和了“三农”问题。葛慧玲[36]在分析黑龙江农作物生物质能发电潜力时，测算了黑龙江省农业废弃物类生物质—秸秆的能源可用量，基于测算结果，预测了2016年黑龙江省农业废弃物类生物质能源的发电潜力相当可观：相当于3个装机容量为500 MW的火电厂，可在一定程度上缓解煤炭的供应压力；同时，秸秆发电输出将有效减少碳排放，减轻对环境的污染，到2016年，黑龙江省生物质能发电环境成本将节约124亿元。

生物质能源开发利用的经济性也可以从供求两个方面来说，对于供应方来说涉及投资成本、能源价格、投资回报期、盈利能力等等因素；而从需求方即消费者角度来说，能源服务的效用、单位价格、用户的收入等因素是影响评价的主要方面[37]。秦静[16]在对农村能源系统评价指标与方法研究中，在经济性评价指标的确定中，把用户收入、能源价格、用户能源支出、能源建设投资效益作为评价指标。刘威[20]等将人均GDP，人均GDP增长量，能源工业社会固定资产总投入作为经济评价指标。国外学者Abdeen M O[38]，Hall D O[39]还将沼气能源消费在总能耗中所占比例考虑在内进行评价。考虑沼气能源的经济性必然少不了对其投资成本的估算，姜洋[40]、刘俊伟[41]在研究沼气能源成本问题时，把原料成本、建设改造、运输成本以及技术成本、风险成本、外部环境成本作为沼气能源源经济性评价方面的成本评价指标。

表2 沼气能源经济效益评价指标体系汇总表

3 沼气能源社会效益评价指标研究

沼气能源的开发和利用会极大影响当地人们的生产生活方式，改善农村居住环境，在推动普及沼气能源技术利用中，可提高农民学习意识与科技素质，还可以增加就业，并且用沼气能源比用传统薪柴在一定程度上解放农村妇女劳动力等，同时还能够拓展农业功能，增加农民收入，改善农民生活质量，对于实现可持续发展具有十分重要的意义[24，42-46](见表3)。

在增加农民收入方面，学者陈娟[42]在分析湖北省农村生物质能产业发展的社会效益时，把产业带动农民增收总额作为评价指标进行定量分析。熊志[43]在分析凯迪生物质能发电项目时，指出该项目不仅可以减少火力发电厂的温室气体排放，还使农民每年增加收入超过7000万元，有利于改善农民的生活水平。学者们对沼气能源项目社会效益在就业方面的影响也做了大量的研究，陈娟[41]直接把产业带动劳动力就业人数作为评价指标。在具体案例新疆莎车县的甜高粱制乙醇项目中，莎车县共计4个乡镇种植约2万亩的甜高粱品种，总投资达12.6亿元，该项目建成后可使农户每亩增收150～200 元，同时还能带动当地3500多人就业[44]。在节省劳动力方面，满足一家5口人炊事用能而涉及的各项劳动活动一年共计90个劳动力，上山砍柴、妇女做家务等劳动时间由于沼气的使用大大减少；另外，在使用沼气后，农村年使用劳动力比使用传统能源时所耗费的90个劳动力节省了73个[45]。值得一提的是，学者陈振华[24]在考虑了就业、农民收入等方面之外还考虑到能源项目的建成也会对当地消除贫困起到积极作用，继而选用贫困人口比例作为这一因素的评价指标来衡量其产生的社会效益。除此之外，我们同样不可忽视由沼气能源的清洁性特征所带来的农村环境的改变，如沼气建设项目在沼气池内将一些寄生虫和病菌杀灭，从而使污染疾病发病率有效降低，同时改变了农民传统的生产、生活方式，农户使用了优质的沼气能源后，厨房变得干净整洁，厕所也由原来“脏、乱、臭”的状态向无害化卫生厕所发展，从而改善了村容村貌和环境卫生[44]。另外生物质能技术中的垃圾发电、秸秆发电也改善了农村环境，过去农村垃圾、柴草乱堆，秸秆肆意焚烧是很常见的现象，这样既占用了土地同时又增加了火灾风险，现在生物质能发电厂的建成投产，既改善了农村垃圾乱堆的现象，减轻了焚烧秸秆带来的环境污染，又能提供就业岗位、增加农民收入[46]。总的来说，这些学者的研究结果说明沼气能源的外部性显著，具有非常良好的社会效益。

表3 沼气能源社会效益评价指标体系汇总表

4 沼气能源安全效益评价指标研究

在化石能源逐渐枯揭、环境压力日益沉重、能源需求和价格持续上涨的形势驱动下，能源安全问题成为世界各国密切关注的焦点问题。如今，能源资源的短缺已经成为了中国需要重视的一个问题：按照日前的开采速度，只需80年便可把中国所剩余的1145亿吨可采煤炭开采完毕；天然气探明储量为1.37万亿立方米、石油探明储量为38亿吨，分别只够开采46年与12年[47]。这意味着，中国的化石能源不久会耗尽将无法满足国民需求。除此之外，不断上涨的石油需求量、大幅度增加的石油进口量和持续上升的对外依存度等问题已经成为了中国能源安全问题中的集中表现[48-49]。

面对如此紧张严峻、不容忽视的能源安全问题，发展清洁环保的可再生能源，摆脱对化石能源的过度依赖，维持石油供需平衡，已经成了中国能源可持续发展的必然选择[50]。众所周知，生物质能是最重要的替代能源之一，其种类繁多，主要包括：农业废弃物、林业废弃物、工业有机废弃物、城市生活垃圾等[6]。中国生物质能源种类丰富、开发潜力大，合理开发利用沼气能源有利于解决能源短缺、增加能源供给、调整能源结构，为国家能源安全和社会经济发展保驾护航[51]。查阅文献发现针对沼气能源与能源安全问题，大部分学者从测算农业废弃物储量、农业废弃物节能潜力、生物质液体燃料缓解石油供应压力3个方面来分析能源安全背景下沼气能源的安全效益[65](见表4)。

作为农业生产大国的中国，其农业废弃物排放量随着农业生产规模的扩大，呈现出逐年增加的态势，国内学者预测研究显示，农业废弃物的年均增长率会随着农业的不断发展和人口基数的连续增长而达到5%～10%[52]。在数量方面，作物稻秆的年均排放量约达到7亿吨，畜禽粪便达到17.3×l08吨[53]，蔬菜废弃物超过1亿吨[54]，到2020年，中国畜禽粪便排放量预计将达到42亿吨[55]。毕于运[56]等指出，中国稻秆年产量最近几年已经达到8亿多吨，耿维[57]通过测算数据指出，中国畜禽粪便产量达22.35亿吨，这些资源若得到充分利用可产沼气1072.75亿m3。通过上述数据，我们可以发现废弃物资源存量与价值在中国农业中存在着巨大的潜力，我们可以通过对其进行合理的转化与利用来缓解能源危机。

农业废弃物蕴含着极大的生物潜能，对其高效利用可“变废为宝”，农业废弃物生物质能的资源化促进了农村可再生能源的发展并将废弃的秸秆和畜禽粪便有效的利用了起来，同时改变了农村生活用能方式，将煤炭消耗降至更低水平[58]。Guo[59]认为农业废弃物可以通过转化技术制氬，Menardo S[60]在研究中指出可以利用沼气化的方式将农业废弃物转化为生物质能源，De Vries J W[61]将农业废弃物肥料化作为研究角度，并对其展开了细致的研究探索。据数据测算显示：中国农作物秸秆年产量约为6.5亿吨，而每两吨秸秆的发电量约合一吨煤，也就是说，经过折算后中国农作物秸秆年产量相当于3.25亿吨煤；中国林区的废枝量每年可以达10亿吨，折算后约为5亿吨的煤，中国生物质能的资源数量每年大约为8亿至10亿吨标准煤[62]，这表明充分利用农业废弃物生物质能可以在一定程度上节省煤炭消耗。除此之外，生物质液体燃料是中国在石油安全方面生物质能开发利用的重点，生物质可通过各种工艺转化为液体燃料(主要包括燃料乙醇和生物柴油)，进而可以替代汽油、柴油等石油燃料[63]。经过计算，到2020年，15亿吨标准煤可由中国的生物质能源所替代，倘若将其中50%的生物质资源通过技术生产成液体燃料，则可提供约2亿吨液体燃料给中国石油市场[64]。在对中国液态生物质燃料潜力的计算过程中，范英[65]系统分析了中国的石油需求、国内石油生产、进口和消费的现状、对外依存度、生物质液体燃料技术及生产潜力等多方面指标，指出在中国液态生物质燃料的发展潜力巨大：利用甜高粱和甘薯，到2030年，中国燃料乙醇生产潜力将达到5500万吨；利用能源林木黄连木、麻疯树，以及餐饮地沟油为原料的生物柴油产出潜力将达到约3200万吨，届时将有效缓解石油安全问题。

表4 沼气能源安全效益评价指标体系汇总表

5 结论

通过以上归纳，总的来说，对于沼气能源效益评价的指标构建主要从环境效益、经济效益、社会效益、安全效益这4个方面进行。所列指标可为沼气能源效益评价提供参考，只有对沼气能源效益设置合理全面的评价指标，才能更好为合理科学分析评价沼气能源效益提供有效建议和参考。本文在梳理归纳众多学者提出的评价指标的基础上，考虑到指标设置的合理性、指标数据的可获得性以及指标定义的重要程度等因素对相关评价指标进行增加和删减，并指出数据获得方式，提出一套科学合理的沼气能源效益综合评价指标体系，如：在分析构建沼气能源大气环境效益评价指标时，参考中华人民共和国国家标准—环境空气质量标准中提到的大气飘尘浓度、总悬浮颗粒物、可吸入颗粒物，笔者认为在构建大气环境指标体系中应增添这3项权威指标，以便更加科学全面的对大气环境效益进行评价；并且可以删减一些意义不大且测算难度较高的指标，如：生态异质性指标等(见表5)。相信随着相关评价指标研究的不断深入，沼气能源效益评价的指标体系也将进一步得到充实和完善。

6 展望

论文在参考国内外研究的基础上从环境效益、经济效益、社会效益和安全效益这4个方面进行系统的评价指标设计，但为了科学地评价生物质能实施项目的绩效情况，还有以下几个方面在以后的研究中继续完善：

(1)数据获取及评价方法研究。沼气能源综合效益评价需要大量的数据来测算，相关评价指标也需要量化，这就对数据来源的可获得性及准确性提出了高要求。因此，需要系统分析哪些数据可以通过实地调研得来、哪些数据需要建立模型测算求解得到、哪些数据需要查找权威资料获得；一些定性指标如何量化、相关指标如何科学合理地进行权重赋值以及根据评估对象特点采取何种评价方法使评价更加科学合理。

(2)指标的适应性研究。沼气能源综合效益评价指标主要从环境效益、经济效益、社会效益和安全效益这4个方面进行研究，每个方面涉及的评价指标很多，在实际评价过程中，不能盲目包揽全部指标，要综合考虑一些约束条件，如有些评价指标在理论上行得通，在实际运用中还受到沼气能源项目的规模大小的限制以及时间的约束等。因此，对沼气能源效益评价指标体系的研究，需要不断地动态调整、完善以提高其适应性，以便全面适应不同地区、不同规模、不同类型的沼气能源项目的效益评价，达到科学合理评价沼气能源效益的目的。

(3)指标与政策的动态协调性研究。每个指标对应的数据收集往往需要大量时间和资料，这样一来容易造成效益评价滞后性；此外，数据的不时波动性也会使得相应效益评价及政策只具有即时效应。因此，基于评价指标基础制定政策时要从下到上并不断调整，结合实际情况制定短、中、长期政策，不断提高政策与指标的匹配度及动态协调性。

表5 沼气能源效益综合评价指标体系汇总表

(4)评价结果的检验及补偿政策研究。学者设计的各个指标将用于沼气能源效益的评价，而得出的测算结果还需要和实际情况进行比对分析检验其是否合理有意义，同时还要对政策绩效进行检验、分析出现的问题，不断完善相关政策。另外，对于一些需要前期投入很大的项目国家可采用相应的优惠政策予以扶持，如减免税收。此外，沼气能源在生态环境方面效益显著，因此国家应出台并完善相应的环境补偿政策，通过政策鼓励和宣传，进一步充分开发、高效利用沼气能源，从而保护生态环境，构建和谐绿色家园，实现农村生态文明可持续发展。