山西芮城能源转型探索:兼顾包容性与韧性

2022-09-27 17:27:53


导读:“农村有着丰富的土地资源,是发展太阳能、风能、生物质能等多种可再生能源的重要基础;发挥农村地区的资源禀赋、发展农村可再生能源,对于优化城乡能源供给结构、改善农民居住生活水平、推动农村经济建设等诸多方面都有重要意义。”中国工程院院士、清华大学建筑节能研究中心主任江亿教授2020年6月在山西芮城考察时曾对农村能源发展如是评价。

朱吕村基于墙体储热的光伏供暖技术现场施工图

(来源:清华大学建筑节能研究中心)

在江亿院士的统筹及领导下,清华大学建筑节能研究中心(以下简称:研究中心)正在与山西芮城县合作,采用“光储直柔”技术对朱吕村进行第一期的清洁取暖改造,经历过第一期的尝试和项目落地,大家对下一步的整村全面示范充满期待。
在全国农村能源低碳转型的浪潮中,已经有不少地方积极实践尝试。试点上述“光储直柔”技术的山西省芮城县就是其中的引领者之一。2020年,研究中心到山西省芮城县交流考察,确定可将芮城作为低碳发展的试点县,提出了2025年实现碳达峰,2035年实现碳中和的目标,并将韧性与包容性协同发展的理念融入到芮城碳达峰碳中和发展规划中。
协同发展低碳、韧性与包容性,或许是对抗能源转型中不确定性、保持稳定性和可持续性的关键。未来,芮城样板能够持续为地方的转型实践提供生动参考。

低碳发展试点县的优势
研究中心经过调研后发现,芮城县内无燃煤、燃油、燃气矿产资源,所有的化石能源全部依靠外购,同时具备非常可观的风电光伏发展潜力。其太阳总辐射量在4600~5040 MJ/m2·a之间,属于国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会于2019年发布的《太阳能资源评估方法》标准之下的资源丰富区。同时由于独特的地形条件,该县区域内风资源丰富。此外因为是农业大县,每年可收集的小麦和玉米秸秆都在60万吨以上,能够就地获取丰富的生物质资源。

朱吕村当地采图

(来源:清华大学建筑节能研究中心)

彼时芮城县内已建成了两期100万千瓦集中光伏基地,年发电11.6亿千瓦时;建成17万千瓦集中风电基地,年发电1.55亿千瓦时。
然而研究中心也发现,虽然当时芮城县的用电量已经小于其风光发电量,但县内仍有大量化石能源消耗。
基于此,研究中心以碳中和为目标,对芮城县进行了社会经济发展预测与规划:2035年芮城县总用电量为33亿千瓦时,生物质用量25.3万吨,煤炭、天然气、石油等化石燃料用量减为0,完全被零碳电力或生物质燃料取代。
碳中和目标的实施,受到了芮城当地政府的高度重视。2020年11月,芮城县委、县政府委托清华大学建筑节能研究中心研究编写芮城碳达峰碳中和发展规划,希望成为国家碳中和示范县,全面尝试创新的相关技术、政策、机制,并在相关工作上给予了大力支持。
自然资源优势和地方政策支持,使得碳中和的芮城样本成为可能。值得一提的是,研究中心为芮城规划的方案,是以达到满足动态实时意义上的碳中和为目标,而非简单将用能和产能做总量平衡。为此,研究人员们综合考虑能源结构中电力系统的时变性,定义了三种碳排放计算边界,对芮城能源体系整体的排放情况进行核算,规划出芮城逐年的碳排放曲线,并计划分阶段实现县域内的碳中和。
根据研究中心计划,芮城县需要从全面发展光电、化石燃料替代、解决电力调控三方面着手开展工作,基于“光储直柔”和“生物质能”技术建设农村新型能源系统。规划的第一步,就是通过充分开发利用当地房屋空闲屋顶,发展光伏发电,使其成为主要能源,实现全面电气化。
未来,芮城还要充分发挥产粮大县的优势,发展生物质能,除了解决冬季和连阴天电力供应及中心城区供热工作之外,加工的商品燃料还能满足部分工业生产需求,甚至进行能源外输。
研究中心还计划推动芮城县车辆和农机具电气化,并开发利用其储电功能,建设充电桩系统;改造部分引黄灌溉系统,成为既可灌溉,又可抽水蓄能的双功能系统;还有建筑柔性用电、工业用电自行调蓄与风光供给实现协同等。
充分利用芮城优势,发展光储直柔与生物质能技术
“要想保持芮城项目的可持续性,就在工程推进的过程中秉持‘先易后难,先小后大,先农村后城市’的原则,示范先行,有步骤地推进每一个示范项目,保证每一步走得扎实牢固。”清华大学建筑学院副院长杨旭东教授在评价芮城项目时表示,“对于农户光储直柔示范,首先就要解决农户的冬季取暖问题,然后再用光伏发电解决农户的全年用电问题,在此基础上建立整村的新型电力系统覆盖整村的生活、交通的用能。”在这过程中,“光储直柔”和“生物质能”技术是芮城碳中和的整体规划的基础和重点。
“光储直柔”是一种清洁能源综合利用新模式。“光”和“储”分别指分布式光伏和分布式储能,作为建筑配用电系统重要组成部分;“直”指建筑配用电网的形式发生改变,从传统的交流配电网改为采用低压直流配电网;“柔”则是指建筑用电设备具备可中断、可调节的能力,使建筑用电需求从刚性转变为柔性。
“‘光储直柔’不仅仅可以用在城市,农村也可以大力推广。”江亿院士曾经在采访中指出,“按照现在对农村房屋现状的调查统计,只要把现有屋顶的闲置空间都充分利用,安装光伏,不仅可以解决农民的生活用能、生产、交通用能,还可以有一部分电用来发电上网,成为农村新的经济收入。”
虽然面临着光伏产品成本高、电能质量不稳定和并网难的难题,但屋顶光伏的效果已经在芮城一期试点过程中有了直观的体现。“我们在种苹果的芮城县朱吕村选取的5户示范户进行基于墙体储热的光伏供暖技术示范,尽管由于部分示范户的房屋结构以及农户接受度等原因,没能全部按照模拟最佳方案的设计图纸进行施工,但是通过整个供暖季的室温监测,农户室内的黑球温度在60%以上的时间都高于16摄氏度,完全可以满足农户的供暖需求。”通过这5户示范,获得每户在整个供暖季的两千多个小时的测试数据,进而验证了这个技术的可靠性,研究中心的博士生职远对这个项目抱有信心。
农户进行住宅保温改造(上)和供暖系统的电力计量及控制模块(下)
(来源:清华大学建筑节能研究中心)
在实践应用“光储直柔”技术的同时,芮城还有广阔的“生物质能”技术发展空间。生物质能一般取材于农林废弃物、生活垃圾及畜禽粪便等,具有环境友好、成本低廉和碳中性等特点。但是,由于对生物质资源处理利用的核心技术存在瓶颈等,大部分生物质资源并未能有效资源化利用。
研究中心分析了芮城的生物质能资源应用情况后发现:芮城县生物质资源总量约25.3万吨标准煤当量(tce),即具备节约25.3万吨标准煤的潜力,目前却主要用于秸秆还田。
为此,研究中心规划了“生物质能”技术的三种应用场景。
首先是生物质清洁燃料加工,可以输出生物质燃料销售给大型工业锅炉或燃煤电厂进行混燃,这样不仅可以解决秸秆的就地消纳问题,而且能为农户增加种地收入, 待调峰型生物质热电厂建成后,还可采用直燃的方式与生活垃圾一起共同作为热电厂的燃料来源。其次是生物质热电厂,利用生物质发电、供热,还可以起到电力调峰的作用。
此外还可以利用生物质生产生物天然气,对于禽畜粪便类制沼气,采用“分布化发酵、集中化提纯”生产生物天然气的技术路线,最终在全县范围内建设分布式有机废物多相流沼气-微藻-有机肥生产集成站和生物天然气提纯站,用以生产优质燃气,满足工业需求,同时分离出的二氧化碳还可以用于食品、工业生产等领域,形成碳汇资源。
芮城农户用于做生物质原料的自加工桔梗压块
(来源:清华大学建筑节能研究中心)
在以“光储直柔”和“生物质能”技术为核心的碳中和项目落地芮城后,如何保持芮城项目的可持续性,并将芮城样本复制推广到其他地区,成为低碳发展过程中需要思索的问题。
在研究中心看来,先将农村示范做好,再结合农村项目的经验和基础解决城镇问题。另外,保持项目可持续性最重要的一点就是在项目设计环节要考虑到项目建成后的长期运行和维护的问题,包括权利归属、利益共享机制的建立等。要让项目发挥长久的作用,就要让参与方有长久的收益和积极性。
杨旭东认为,芮城规划的项目目前已具备推广的条件,但在推广时要注意因地制宜,不能简单地复制粘贴,要基于当地的实际情况结合合理的顶层设计甚至预测模型,做出符合当地条件和需求的“芮城方案”。
能源转型的韧性与包容性发展
当能源变革要求能源结构从化石能源为主体转变为可再生能源为主体,当气候变化风险日渐显著,能源系统面临的风险不仅限于自然环境风险加强,还有因气候变化加剧的极端天气给产能效率、产量甚至是供应输配设施带来的风险。在这些风险的威胁下,能源变革必须在实现低碳发展的同时实现韧性发展。
图片来源《能源转型的低碳、韧性、包容性发展》
“可再生能源面临的最大的问题就是不稳定”,正如杨旭东指出的那样,“而韧性发展可以在达到预期目标的同时兼顾稳定性和抗干扰能力,比如可以利用储能、负荷转移等手段使得极端天气也能保持能源稳定供给,满足人们生活与生产的能源需求;或建立自我消纳的新型电力系统,在外界电网出现故障的时候也能保证自身平稳运行。”
以芮城为例,采用储热技术以及分布式移动储电技术,可以克服天气对电力系统的影响,即使在夜间或阴雨天,也能保证农户的基本用电需求和供暖需求。分布式能源也十分符合乡村住宅分散、地区偏远的特点。在农村能源变革中,“分布式能源”将成为能源体系实现低碳转型和韧性发展的重要手段。
图片来源《能源转型的低碳、韧性、包容性发展》
芮城建设碳中和示范县是在各级政府部门、研究机构、企业、农户等多方合作和共同摸索中逐步推进的。兼顾各方需求,为各方可能受到的影响提供解决方案,实现成本的合理分担和收益的合理分配,践行包容性发展是能源转型项目顺利推进的重要保障。
图片来源《能源转型的低碳、韧性、包容性发展》
“包容性发展是达到预期目标的同时让更多方参与进来,带动更多的产业发展,让更多的人受惠。比如,通过建立农村新型电力系统,可以促进电器直流化、农机具电气化、清洁取暖等的发展。”杨旭东解释道,“发展可再生能源,促进能源转型,带动产业升级,同时降低污染物和碳排放,也是包容性的体现。”
江亿院士还进一步肯定了发展农村新型电力系统对于乡村振兴的重要意义:“低碳能源转型已是国家发展战略,建设新型农村配电网是发展大势所趋,要明确低碳能源转型方向,通过能源转型拉动乡村振兴建设。建设新型农村配电网将与乡村振兴建设战略紧密结合,未来将在农村开展‘光储直柔’系统,充分开发利用农村各类闲置屋顶资源,发展光伏发电。”
对芮城来说,光伏供暖、电动农机具、直流电器、智能充电桩等多领域的协调,不仅使该县居民获得了取暖和用电的实惠;通过剩余电量发电上网,还切实提高了居民的收入;减少化石能源排放带来的污染也有利于居民的身体健康;均展现了包容性发展理念。
尽管从目前来看,芮城县的能源转型尝试是成功的,并生动地体现了韧性和包容性发展,但由于每个地区的实际情况都有所不同,大面积推广单一的能源转型方案,势必会增加经济社会发展的风险。按照“试点先行,逐步推广”的原则,选取一个合适的地区作为示范地,小范围内推广,是化解能源转型带来的风险、降低成本与提高效率的重要手段。芮城县当前的积极探索无疑对其他地区的能源转型具有重要参考价值。
图片来源《能源转型的低碳、韧性、包容性发展》
在江亿院士看来,低碳转型是一场革命,从供给侧、转换环节、到用能方式都要有巨大变化,也将实现巨大进步!

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