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农村新能源系统:分布式革命第一步

来源:中国科学报 作者:江亿 人气: 发布时间:2020-03-18 08:51:18

目前,我国农村(指以农林畜牧业为主要经济活动的村落)建筑用能总量为3.1亿吨标煤,约占我国建筑运行用能总量的1/3。其中,燃煤、燃气和电力等商品能源占农村用能总量的70%。尽管农村户均商品能消耗量低于城市居民,但目前农村户均用能总量却已经高于城市居民,并且生物质能比例逐年减少,煤、电和燃气户均用量不断提高。

为改善农民生活水平,消除散烧燃煤造成的大气污染,我国自2016年开始推动“清洁取暖”行动,在华北和周边“2+26”城市的农村地区开展大规模取消散煤的清洁取暖工程,通过改变能源种类和推广多种采暖方式,有效提高了冬季农民室内取暖水平,大幅减少了污染物排放,改善了室内外的空气质量。

清洁取暖仅是农村能源革命的开始,全国农村都面临用能结构和用能方式的变革。目前,电力部门在积极进行农网扩容,燃气部门在积极铺设燃气管道。农村的能源革命未来将走向何方?我们是否应按照城市标准建设农村的能源系统?

生物质材料将成主要燃料来源

在各类可再生能源中,生物质能是目前唯一的零碳燃料。据不完全统计,不包括城市垃圾中的生物质材料,我国目前尚未利用的生物质材料包括2.8亿吨农业秸秆、1.9亿吨林业枝条和枯叶、25亿吨牲畜和禽类粪便(湿)。这些生物质材料根据其性质可通过粉碎和压缩加工为成型颗粒燃料,或通过规模化方式生产沼气,再分离出CO2,从而成为95%以上甲烷含量的生物燃气。

采用“一村一厂、来料加工”的方式,可以在经济性可行的条件下实现干生物质材料的成型颗粒化;而以万亩农田为一个服务单元的大型生物质燃气站,还能处理大量湿生物质材料。目前生物质燃气的生产成本已经可以与普通天然气持平。初步测算,我国产自农牧林区的生物质材料加工成固体和气体燃料,可提供相当于7.5亿吨标煤的燃料。

传统的秸秆柴灶的热效率不到15%,而现在已开发并批量生产的生物质成型燃料的炊事炉具热效率可超过35%,取暖炉具热效率可超过80%,同样的炊事和采暖效果仅需原来1/3的秸秆。同时,这类新炉具的排放污染物基本满足燃气炉具的排放标准,只是NOx排放略显高。但是,由于这种NOx与燃煤、燃气燃烧所排放的不同,对大气污染贡献很小。通过生物法制备的生物燃气则完全可以和天然气一样利用,压缩后可作为汽车燃料或进入燃气管道。由于各种燃气设备的热效率都可达到90%以上,所以燃气法从生物质材料热值折算到最终的热利用效率也超过40%。生产沼气所产生的沼渣、沼液可以作为优质的有机肥,替代绿肥和秸秆直接还田,从沼气中分离出的CO2则可以再利用或填埋,从而实现CO2的负排放。

与来自矿物的化石燃料不同,生物质材料是为了满足人类各种需求而作为副产品所产出,必须全部消纳。秸秆还田或堆放绿肥的方式消纳,将产生和排放一定量的甲烷及其它温室气体。这些气体的温室气体效应是CO2的20~300倍,其危害远大于直接燃烧。而加工为成型燃料或生物质燃气,则可避免这些非二氧化碳温室气体的排放。因此,生物质材料作为燃料处理,即使不考虑其替代化石燃料的作用,仅从减少温室气体排放角度看,也非常必要。

我国新能源发展很快,生物质能却相对滞后。生物质材料的能源化利用率不到20%,很多地方甚至还在焚烧消纳。目前能源化利用最多的是秸秆发电,然而由于采集半径大,导致采集运输成本高。更严重的是,把秸秆从农民手中拿走替代电厂燃烧的煤,农民失去秸秆就只好去烧煤,支持这种不合理交换的是生物质发电的高上网电价,而这种交换的结果只是用农户散煤燃烧方式替代了电厂的集中烧煤,加重了污染。

生物质材料源于农村,就应优先服务于农村。农村炊事和热水用能、北方冬季采暖用能是目前主要的农村建筑用燃料型能源,而加工后的生物质能源恰好可用于此。初步测算,产粮区农户、畜牧禽业农户、林业农户生产过程所获得的生物质能都可以满足其炊事和生活热水需要。北方地区农户冬季采暖一半以上的燃料也可以从自产的生物质材料中获得。

光电、风电大有可为

农村的非生产用能的其他部分应依靠电力。进入本世纪以来,风力发电、光伏发电装置的成本已下降至最初的几十分之一,如果不包括对应的土地或空间成本,风电、光电的发电成本已经低于煤电。

从近10年前开始,光伏就被作为扶贫方式,通过上网高价售电,补贴贫困户。农村未能普遍推广光伏电池,是受限于光伏元件的高成本和上网权。现在,光伏元件本身的成本已不是障碍,如果有低成本的安装方式,并且自用而不是上网,就有可能迅速发展。风电也早已成为偏远地区获得电力的方式。

目前,农村发展风、光电需要解决的问题是蓄电和微电网系统。如果每户LED照明和晚上家电需要功率为300瓦,每晚使用4小时,则每户只要有2千瓦时的蓄电池就可保证基本需求。车辆充电、其它家电和农机具都尽可能在白天光电充裕时使用,搭建分户的全直流系统,则每个农户蓄电和配电微网投资可以在1万元以内。加上光伏或小型风电,每户2万元即可解决基本问题。

目前农村电网扩容,各地的扩容标准是每户5到8千瓦,为实现这样的容量户均农网改造费都高于2万元。改造后为了实现“煤改电”,再把谷间电价降低到每千瓦时0.1元,完全依赖地方政府和电力部门的补贴。如果取消这样的补贴电价,同时把电网改造费用投向农村微网改造,就可在农村建成分布式电力系统。而大电网在现有基础上,承担辅助和补充的作用,仅承担农用电的20%~50%。这种“分布式、半自给”的电力模式,不就是我们希望的从集中转为分布式的未来电力系统模式吗?

农村能源系统可成为能源革命的先行

能源革命的核心是由化石能源转为以可再生能源为主的低碳能源系统。如同化石能源系统依赖矿产资源,发展风电、光电和生物质能源依赖于土地空间资源。相比人口高密集的城市,我国农村拥有广大丰富的土地空间资源。农村建筑屋顶、农畜业设施表面,以及不能耕作的空地都可以安装太阳能光伏电池。在不影响生产和生活的条件下,也可以零星布局风力发电装置。一些山区还有发展小水电的条件。而作为农林畜牧业的副产品所产出的生物质材料,又是唯一的零碳燃料资源。能源产业是资源依赖型产业,而对低碳能源系统来说,农村恰恰可为可再生能源提供丰富的资源。

能源革命的又一特征是从集中的生产、运输和转换方式转变为分布式生产、产用同地。农村的可再生能源又正好符合这一特点。我们完全可以从农村的电力系统开始,探讨怎样实现基于可再生电力的分布式发电、分散式蓄电、就地用电新模式。农村用电负荷稀疏、集中的电力输配方式投资高、效率低。远距离输送天然气成本高、效率低、安全性差;继续使用燃煤会带来高污染、低效率,积攒的炉灰还会成为公害。采用新的分布式模式,依赖自身资源,建立起以可再生能源为基础的农村新能源系统,正好与农村的资源环境条件相符,又是未来能源发展的目标。为什么不可以在农村先行先试,迈出这一步呢?

作者:中国工程院院士 江亿

(编辑:逍遥客)

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