生物燃料系統(tǒng)分析模型

常世彥，張希良，趙麗麗，歐訓(xùn)民

1 清華大學(xué)中國車用能源研究中心，北京 100084

2 清華大學(xué)低碳能源實驗室，北京 100084

3 清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084

生物燃料系統(tǒng)分析模型

常世彥1,2，張希良1,3，趙麗麗1,3，歐訓(xùn)民1,3

1 清華大學(xué)中國車用能源研究中心，北京 100084

2 清華大學(xué)低碳能源實驗室，北京 100084

3 清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084

定量化系統(tǒng)分析模型是生物燃料潛力預(yù)測、影響分析及制定技術(shù)路線圖和政策目標(biāo)的重要工具。生物燃料供應(yīng)鏈涉及很多行業(yè)，需要進(jìn)行基于農(nóng) (林) 業(yè)、能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等多學(xué)科領(lǐng)域的綜合分析。以下從生物燃料系統(tǒng)分析所需解決的問題出發(fā)，梳理了國內(nèi)外生物燃料系統(tǒng)分析的一般方法，重點(diǎn)對農(nóng) (林) 業(yè)系統(tǒng)模型、能源系統(tǒng)模型、綜合評價模型、微觀成本、能耗和排放分析模型以及生物燃料專項宏觀分析模型的主要優(yōu)缺點(diǎn)和適用性進(jìn)行了分析，給出了相應(yīng)的應(yīng)用實例，并強(qiáng)調(diào)根據(jù)特定的研究問題，選擇具有不同適用性的模型和研究路線。有助于研究人員和政策制定者更好地了解生物燃料系統(tǒng)分析方法，也為我國學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)建立生物燃料分析模型提供了參考。

生物燃料，系統(tǒng)分析，能源系統(tǒng)，綜合評價模型

Abstract:Model-based system analysis is an important tool for evaluating the potential and impacts of biofuels, and for drafting biofuels technology roadmaps and targets. The broad reach of the biofuels supply chain requires that biofuels system analyses span a range of disciplines, including agriculture/forestry, energy, economics, and the environment. Here we reviewed various models developed for or applied to modeling biofuels, and presented a critical analysis of Agriculture/Forestry System Models, Energy System Models, Integrated Assessment Models, Micro-level Cost, Energy and Emission Calculation Models, and Specific Macro-level Biofuel Models. We focused on the models’ strengths, weaknesses, and applicability, facilitating the selection of a suitable type of model for specific issues. Such an analysis was a prerequisite for future biofuels system modeling, and represented a valuable resource for researchers and policy makers.

Keywords:biofuel, system analysis, energy system, integrated assessment model

生物燃料研究涉及農(nóng) (林) 業(yè)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、土地資源系統(tǒng)和水資源系統(tǒng)等。構(gòu)建一套有效的定量化分析模型框架對于生物燃料發(fā)展預(yù)測、生物燃料技術(shù)路線圖和生物燃料影響分析等具有重要的作用。生物燃料系統(tǒng)分析模型已在許多具有全球影響力的研究成果中發(fā)揮作用。例如，國際能源署(International energy agency，IEA) 發(fā)行的《世界能源展望》，從 2006年開始就在其基礎(chǔ)研究工具——世界能源模型 (World energy model，WEM) 中對生物燃料的利用和供應(yīng)情況進(jìn)行專門估算，并逐年完善[1]；納入生物燃料技術(shù)的AGLINK-COSIMO模型為聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織 (Food and agriculture organization of the united nations，F(xiàn)AO) 的《全球糧食及農(nóng)業(yè)狀況報告 (The state of food and agriculture)》和經(jīng)合組織與糧農(nóng)組織 (OECD-FAO) 共同發(fā)布的《中期全球農(nóng)業(yè)展望 (Medium-Term agriculture outlook)》[2-3]提供了重要的分析依據(jù)。很多區(qū)域?qū)用娴纳锶剂险?，如發(fā)展目標(biāo)、規(guī)劃或技術(shù)路線圖，也往往基于一定的生物燃料系統(tǒng)分析模型，如歐盟生物燃料技術(shù)路線圖項目 (REFUEL)[4]和美國環(huán)保署 (Environmental protection agency，EPA) 的再生燃料標(biāo)準(zhǔn) (Renewable fuel standard，RFS)[5]。

本文嘗試從生物燃料系統(tǒng)分析所需解決的問題出發(fā)，梳理國內(nèi)外生物燃料系統(tǒng)分析的一般方法，重點(diǎn)對農(nóng) (林) 業(yè)系統(tǒng)模型、能源系統(tǒng)模型、綜合評價模型、微觀成本、能耗和排放分析模型以及生物燃料專項宏觀分析模型的主要優(yōu)缺點(diǎn)和適用性進(jìn)行了分析。

1 生物燃料系統(tǒng)分析的主要研究問題

生物燃料系統(tǒng)分析所要解決的是生物燃料所處系統(tǒng)或生物燃料內(nèi)部系統(tǒng)不同要素之間的相互關(guān)系。從資源投入、原料生產(chǎn)和收集、燃料轉(zhuǎn)化到產(chǎn)品分銷，生物燃料供應(yīng)鏈不同階段都有復(fù)雜的替代和均衡關(guān)系。例如，在原料生產(chǎn)和收集階段，可以作為生物燃料原料的能源作物和糧食作物之間有替代競爭關(guān)系；在產(chǎn)品分銷階段，生物燃料與傳統(tǒng)油品或煤基燃料也有替代競爭關(guān)系。生物燃料供應(yīng)鏈上不同的均衡關(guān)系基本可分為：要素均衡 (土地、水和碳排放空間等)、原料均衡和燃料均衡等。據(jù)此，可以將相關(guān)研究方法分為農(nóng) (林) 業(yè)模型、能源模型、綜合評價模型、微觀成本、能耗和排放分析模型以及生物燃料專項宏觀分析模型。農(nóng) (林) 業(yè)系統(tǒng)模型以要素均衡和原料均衡作為主要研究對象，能源系統(tǒng)模型主要研究交通燃料均衡以及交通燃料與其他能源產(chǎn)品之間的均衡，綜合評價模型則試圖將這些均衡關(guān)系放在同一個模型框架內(nèi)進(jìn)行模擬或仿真 (圖 1)。

圖1 生物燃料系統(tǒng)分析模型分類框架圖Fig. 1 Classification framework of model-based biofuel system analysis.

2 農(nóng) (林) 業(yè)系統(tǒng)模型 (Agriculture/Forestry system models)

傳統(tǒng)一代生物燃料所采用的原料為糧食、糖類或油料作物，例如美國的玉米乙醇、巴西的甘蔗乙醇和歐洲的油菜柴油。這些原料往往是國際農(nóng)產(chǎn)品市場的重要構(gòu)成部分。生物燃料的大規(guī)模生產(chǎn)會對這些農(nóng)產(chǎn)品的市場結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，從而影響到全球農(nóng)產(chǎn)品的供應(yīng)和需求甚至糧食安全。因此，很多關(guān)注農(nóng) (林) 業(yè)問題的機(jī)構(gòu)近幾年都將目光投向了生物燃料領(lǐng)域，分析全球農(nóng)產(chǎn)品市場的供求和價格趨勢及與生物燃料發(fā)展之間的關(guān)系。糧農(nóng)組織和國際糧食政策研究所 (International food policy research institute，IFPRI) 是該領(lǐng)域的主要代表研究機(jī)構(gòu)(表 1)。

農(nóng) (林) 業(yè)模型的特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)對主要農(nóng) (林)業(yè)產(chǎn)品的細(xì)化分析。例如，AGLINK-COSIMO模型是一個大規(guī)模動態(tài)局部均衡模型，再現(xiàn)了世界上58個從事主要溫帶農(nóng)產(chǎn)品及稻米、食糖和棕櫚油生產(chǎn)和貿(mào)易的國家及區(qū)域的全面動態(tài)經(jīng)濟(jì)和不同政策情況，用以研究全球農(nóng)業(yè)市場。

將生物燃料納入已有的模型系統(tǒng)需要對原有模型進(jìn)行改造。如IMPACT模型可以描述糧食供應(yīng)、需求和貿(mào)易。糧食需求由食品、飼料和其他用途構(gòu)成，而新納入的生物燃料模塊被作為其他用途來建模。另外，有些模型考慮了農(nóng) (林) 產(chǎn)品的副產(chǎn)品——剩余物資源，從而擴(kuò)大了其研究領(lǐng)域[7]。例如，由田納西大學(xué)農(nóng)學(xué)院開發(fā)的 POLYSYS模型是主要研究美國農(nóng)業(yè)部門供需狀況的經(jīng)濟(jì)仿真模型，包含區(qū)域?qū)用孀魑锕?yīng)模塊，國家層面畜產(chǎn)品模塊，國家層面作物需求模塊和國家層面收入模塊 4大模塊，考慮了12種主要的作物和7種主要的畜產(chǎn)品。De la torre ugarte D等[8]對該模型進(jìn)行了更新，加入了生物燃料部分，并在原料端加入了剩余物和柳枝稷等能源作物。

農(nóng) (林) 業(yè)模型的優(yōu)點(diǎn)是適合于將生物燃料供應(yīng)鏈前端的原料均衡關(guān)系和要素均衡關(guān)系作為研究對象，評價對農(nóng)產(chǎn)品價格的影響，對土地利用和水資源利用的影響等，所以較適合于分析一代生物燃料。其缺點(diǎn)是沒有在能源供應(yīng)和需求的整體框架下分析生物燃料的發(fā)展及影響，缺乏專業(yè)的能源轉(zhuǎn)化技術(shù)的分析模塊，對生物燃料的需求缺乏充足論證依據(jù)。

表1 農(nóng) (林) 業(yè)系統(tǒng)模型Table 1 Agriculture/Forestry system models

3 能源系統(tǒng)模型 (Energy system models)

生物燃料技術(shù)是重要的低碳能源技術(shù)，在減緩碳排放和維護(hù)能源安全方面發(fā)揮重要作用。絕大多數(shù)能源系統(tǒng)分析模型都將現(xiàn)代生物質(zhì)能作為重要的研究對象 (表2)。與農(nóng) (林) 業(yè)模型不同，能源模型以主要能源產(chǎn)品為研究對象。例如，全球多區(qū)域MARKAL模型 (Global multi-region MARKAL model，GMM) 研究原煤、天然氣、液化天然氣、原油、柴油、汽油等能源產(chǎn)品。生物燃料也被作為能源產(chǎn)品納入了其最新的版本中[11]。

能源系統(tǒng)分析模型研究的側(cè)重點(diǎn)是能源產(chǎn)品之間的替代均衡關(guān)系，可以分析生物燃料與其他交通燃料之間的替代均衡，也可以從一次能源開始分析不同生物質(zhì)能用途之間的均衡。

對于傳統(tǒng)的能源模型，在生物燃料建模過程中遇到的最大問題是對資源需求和影響的描述。生物燃料的原料成本占很大比例，尤其是一代生物燃料，隨糧食和農(nóng)產(chǎn)品市場價格的變動有較大波動，所以，擅長用能源模型來解決問題的研究者們很快發(fā)現(xiàn)，生物燃料與傳統(tǒng)能源技術(shù)差距較大，必須輔以特定研究方法。于是越來越多的研究人員或者選擇與農(nóng)(林)業(yè)模型進(jìn)行軟連接 (Soft link)，或開發(fā)可與傳統(tǒng)能源模型相耦合的生物燃料子模塊。例如，美國能源部 NEMS模型的生物質(zhì)能系統(tǒng)模塊 (Biofuel supply submoduel，BSS) 的數(shù)據(jù)多來源自一個外部模型——農(nóng)業(yè)資源跨區(qū)域分析模型 (Agricultural resources interregional modeling system，ARIMS)。ARIMS模型由美國農(nóng)業(yè)部在上世紀(jì) 80年代開發(fā)，是用于進(jìn)行資源配置的線性規(guī)劃模型，可以重點(diǎn)分析生物燃料的原料成本[15]。

4 綜合評價模型 (Integrated assessment models)

20世紀(jì) 90年代，隨著人類對環(huán)境和氣候變化問題的關(guān)注，在以往模型的基礎(chǔ)上形成了能源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境(3E)模型，模型不斷完善和發(fā)展，逐漸囊括經(jīng)濟(jì)、社會、人口、自然、生物、能源、環(huán)境等多個方面，成為人類認(rèn)識氣候變化問題的有力工具。這類能源-經(jīng)濟(jì)-氣候 (Energy-Economic-Climate) 模型體系，嘗試兼容并包的跨學(xué)科研究理念，結(jié)合了農(nóng)(林) 業(yè)和能源模型的特點(diǎn)，同時嘗試模型化不同子系統(tǒng)之間的傳遞和反饋關(guān)系 (表 3)。例如，國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所 (IIASA) 開發(fā)的生態(tài)經(jīng)濟(jì)模型包括了 IIASA的農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域模型 (Agro-ecological zone，AEZ)，全球糧食系統(tǒng)模型 (Global food system model) 和大氣環(huán)流模型 (General circulation model，GCM) 等，構(gòu)成了一個具有反饋系統(tǒng)的全球糧食-飼料-生物燃料系統(tǒng) (Global food-feed-biofuel system)。綜合評估模型建模較為復(fù)雜，而且需要大量的數(shù)據(jù)支持。

表2 能源系統(tǒng)模型Table 2 Energy system models

表3 綜合評價模型Table 3 Integrated Assessment Models

5 微觀成本、能耗和排放分析模型

除以上4類模型外，還有一類模型在生物燃料的研究領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。盡管這一類模型并不著重于分析各類原料和技術(shù)的替代均衡關(guān)系，但是它們對于各類技術(shù)評價中關(guān)鍵的成本、能耗和排放數(shù)據(jù)的客觀計算可以提供重要的決策依據(jù)。此類模型的代表有美國可再生能源實驗室 (National renewable energy laboratory，NREL) 的成本分析模型和美國阿崗國家實驗室 (Argonne national laboratory) 的 GREET (Greenhouse gases，regulated emissions，and energy use in transportation) 模型。NREL開拓了用工程仿真模型分析生物燃料成本的研究框架[21]，很多研究人員基于這一框架開展分析。根據(jù)采用參數(shù)的不同，這類模型可以分為兩種，一種是利用近期的實驗數(shù)據(jù)為主要參數(shù)，另一種是基于對未來成熟技術(shù)的假設(shè)，以較為激進(jìn)的數(shù)據(jù)為主要參數(shù)，Yang和Lu[22]稱其為成熟技術(shù)模型 (Mature model)，如Lynd等[23]。在基于工程仿真模型的成本分析研究中，Yang和 Lu[22]采用這一模型框架對中國生物燃料工程成本進(jìn)行了估算。GREET模型是國際知名且被廣泛應(yīng)用的車用燃料的能源使用和污染物排放的微觀分析模型。其靈活的模型結(jié)構(gòu)和平臺為許多研究人員提供了“透明”的數(shù)據(jù)共享平臺。GREET模型在政策制定中發(fā)揮了越來越多的實質(zhì)作用。美國EPA的再生燃料標(biāo)準(zhǔn)和加州的低碳燃料標(biāo)準(zhǔn) (Low carbon fuel standard) 都是以該模型作為分析工具。EBAMM[24]和加州大學(xué)戴維斯分校的LEM (Lifecycle emissions model)[25]也是該領(lǐng)域較為知名的模型。清華大學(xué)中國車用能源研究中心對GREET模型進(jìn)行了模型結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)的本地化調(diào)整，形成中國版本的參數(shù)體系，并在此基礎(chǔ)上對生物燃料能耗和排放進(jìn)行WTW (Well-to-Wheel，從礦井到車輪) 分析[26]；同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院[27]和中國科學(xué)院廣州能源所[28]等機(jī)構(gòu)也都開展了全生命周期能耗和碳排放研究工作。我國農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計院與意大利都靈理工大學(xué)合作建立了能源作物能量平衡全生命周期評價模型 (E-CEBM)[29]，對我國燃料乙醇生產(chǎn)示范工程進(jìn)行了全面評價。

6 生物燃料專項宏觀分析模型

目前，國內(nèi)外生物燃料宏觀系統(tǒng)分析模型構(gòu)建思路有 2個分支：一是將生物燃料納入已有的系統(tǒng)分析模型中，如以上所介紹的農(nóng) (林) 業(yè)系統(tǒng)模型、能源系統(tǒng)模型和綜合評價模型；二是提煉重要的供求關(guān)系，構(gòu)建專項的生物燃料模型。生物燃料專項宏觀分析模型是綜合考慮農(nóng) (林) 業(yè)、能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境多維因素的具有創(chuàng)新性的跨學(xué)科分析模型，能夠提取重要的均衡關(guān)系加以描述，較為綜合地反映生物燃料系統(tǒng)。

6.1 BioTrans模型的背景、原理和主要結(jié)論

由荷蘭能源研究中心ECN開發(fā)，先用于歐盟委員會支持的 VIEWLS項目 (Clear views on clean fuels，NNE5-2001-00619) (2003~2005 年)，用以為歐盟生物燃料市場分析提供必要的數(shù)據(jù)支持和量化分析工具[30]，后用于REFUEL項目 (2006~2008年)。REFUEL項目由歐洲智能能源計劃 (Intelligent energy Europe program) 資助，由7個不同的歐盟研究機(jī)構(gòu)就資源潛力、成本、政策效應(yīng)等因素進(jìn)行合作研究，旨在構(gòu)建歐盟生物燃料技術(shù)路線圖，以實現(xiàn)歐盟內(nèi)部尋求生物燃料領(lǐng)域的合作及長期遠(yuǎn)景的制定。REFUEL技術(shù)路線圖側(cè)重于兩方面的研究，一是原料潛力，二是全鏈條生物燃料成本，基于這兩方面研究來尋找能夠?qū)崿F(xiàn) 2020年 10%生物燃料目標(biāo)的成本最優(yōu)的生物燃料技術(shù)組合[31]。

BioTrans模型既可以研究一代生物燃料技術(shù)，也可以研究二代生物燃料技術(shù)。到目前為止共包含18種原料和 24種轉(zhuǎn)化技術(shù)，僅處理生物燃料技術(shù)之間的競爭并不考慮生物燃料與化石燃料的競爭。BioTrans是一個近視 (Myopic) 的成本優(yōu)化模型[4]，其原理為一個網(wǎng)絡(luò)流模型，需要設(shè)定消費(fèi)目標(biāo)，然后尋找最優(yōu)的技術(shù)組合。在VIEWLS項目時，模型使用外生的技術(shù)進(jìn)步率，而在REFUEL項目時，增加了內(nèi)生的學(xué)習(xí)曲線[4]。分析結(jié)果包括生物燃料貿(mào)易流，成本和環(huán)境影響等。

REFUEL技術(shù)路線圖中該模型的分析結(jié)論認(rèn)為，歐盟具有足夠的土地和原料潛力來實現(xiàn)2020年10%生物燃料的目標(biāo)，而且只要發(fā)展傳統(tǒng)的一代生物燃料就可以。但是在現(xiàn)有政策條件下，傳統(tǒng)生物燃料和二代生物燃料的市場擴(kuò)散中將存在鎖定效應(yīng)，通過傳統(tǒng)生物燃料 (Conventional biofuel) 路徑(傳統(tǒng)油菜籽生物柴油) 就可以實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化?？紤]到傳統(tǒng)生物燃料的碳減排效應(yīng)不明顯，而且容易引起與糧食安全之間的沖突等問題，建議設(shè)置更為長遠(yuǎn)和更高的生物燃料目標(biāo)，將目標(biāo)提升至2020年14%，2030年為25%，只有在這種情況下，二代生物燃料才有可能占據(jù)較為重要的位置[32]。

6.2 生物燃料推廣模型 (Biofuels deployment model，BDM)

美國Sandia國家實驗室和GM公司聯(lián)合開發(fā)了專項研究生物燃料的模型，并開展了名為 900億加侖生物燃料推廣研究，評估未來美國纖維素乙醇的資源潛力和實際供應(yīng)潛力以及2030年生產(chǎn)900億加侖生物燃料，以替代 600億加侖汽油的可能性、限制和推動因素。

其模型機(jī)理為系統(tǒng)動力學(xué)模型。該模型考慮了從種子到加油站 (“Seeds to Station”) 的物流、能流和成本結(jié)構(gòu)，據(jù)稱這是實際意義上第一個基于生物燃料供應(yīng)鏈的模型[33]。

6.3 生物燃料情景模型 (Biofuel scenario model，BSM)

美國國家可再生能源實驗室 (NREL)，基于System of Sytems (SoS) 的理念，采用系統(tǒng)動力學(xué)方法，在STELLA軟件平臺上構(gòu)造了不同的生物燃料子系統(tǒng)，主要包括原料生產(chǎn)、原料物流、生物燃料生產(chǎn)、生物燃料分銷和生物燃料終端利用5個部分。他們同時將農(nóng)民、燃料生產(chǎn)者、汽車制造商和政策制定者作為重要的利益相關(guān)者，為模型提供前饋和反饋信息[34-35]。

6.4 生物質(zhì)-生物燃料模型 (Biomass-to-Biofuel，BTB)

為了能夠更好地分析未來我國生物液體燃料發(fā)展?jié)摿?，清華大學(xué)中國車用能源研究中心根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施條件，構(gòu)建了生物質(zhì)-生物燃料研究框架，這個研究框架具備的特點(diǎn)包括：1) 在資源分析環(huán)節(jié)，采取自底向上估測和資源平衡表方法，對原料地理潛力進(jìn)行分析；2) 采用工程仿真模型對技術(shù)成本構(gòu)成及變動機(jī)制進(jìn)行定量描述；3) 基于MESSAGE能源系統(tǒng)分析模型平臺，利用現(xiàn)有的能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)模型分析未來發(fā)展趨勢；4) 加入土地資源、水資源和 GHG排放影響分析模塊；5) 與車用能源研究的總模型具有輸入和輸出的接口。

基于這一模型體系，清華大學(xué)中國車用能源研究中心采用情景分析的研究方法，通過識別影響生物燃料發(fā)展的關(guān)鍵要素，模擬了不同政策和技術(shù)路徑的可能前景，并對其進(jìn)行了綜合評價。

7 結(jié)論

定量化系統(tǒng)分析模型是生物燃料潛力預(yù)測、技術(shù)路線圖研究和影響分析的重要工具。農(nóng) (林) 業(yè)系統(tǒng)模型側(cè)重于資源均衡和原料均衡的研究，更適用于研究一代生物燃料；能源系統(tǒng)模型側(cè)重于燃料均衡和能源均衡的研究；而綜合評價模型具有反饋系統(tǒng)，但技術(shù)含量較高，所需數(shù)據(jù)量較大。生物燃料專項模型可以提供專項生物燃料分析。應(yīng)根據(jù)研究問題的不同和模型適用性的不同，選擇具體的研究路線。

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Model-based biofuels system analysis: a review

Shiyan Chang1,2, Xiliang Zhang1,3, Lili Zhao1,3, and Xunmin Ou1,3
1 China Automotive Energy Research Center, Tsinghua University, Beijing 100084, China
2 Low Carbon Energy Laboratory, Tsinghua University, Beijing 100084, China
3 Institute of Nuclear and New Energy, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Received: November 26, 2010; Accepted: February 21, 2011

Supported by: Major International (Regional) Joint Research Project of the National Natural Science Foundation of China (No. 50520140517),National Natural Science Foundation of China (No. 91010016).

Corresponding author: Shiyan Chang. Tel: +86-10-62796207; Fax: +86-10-62796617; E-mail: changshiyan@tsinghua.edu.cn

國家自然科學(xué)基金重大國際合作研究項目 (No. 50520140517)，國家自然科學(xué)基金 (No. 91010016) 資助。