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農村新能源系統將是分布式革命第一步

2020/3/24 16:12:22 作者:管理員

■中國工程院院士 江億

目前,我國農村(指以農林畜牧業為主要經濟活動的村落)建筑用能總量為3.1億噸標煤,約占我國建筑運行用能總量的1/3。其中,燃煤、燃氣和電力等商品能源占農村用能總量的70%。盡管農村戶均商品能消耗量低于城市居民,但目前農村戶均用能總量卻已經高于城市居民,并且生物質能比例逐年減少,煤、電和燃氣戶均用量不斷提高。

為改善農民生活水平,消除散燒燃煤造成的大氣污染,我國自2016年開始推動“清潔取暖”行動,在華北和周邊“2+26”城市的農村地區開展大規模取消散煤的清潔取暖工程,通過改變能源種類和推廣多種采暖方式,有效提高了冬季農民室內取暖水平,大幅減少了污染物排放,改善了室內外的空氣質量。

清潔取暖僅是農村能源革命的開始,全國農村都面臨用能結構和用能方式的變革。目前,電力部門在積極進行農網擴容,燃氣部門在積極鋪設燃氣管道。農村的能源革命未來將走向何方?我們是否應按照城市標準建設農村的能源系統?

生物質材料將成主要燃料來源

在各類可再生能源中,生物質能是目前唯一的零碳燃料。據不完全統計,不包括城市垃圾中的生物質材料,我國目前尚未利用的生物質材料包括2.8億噸農業秸稈、1.9億噸林業枝條和枯葉、25億噸牲畜和禽類糞便(濕)。這些生物質材料根據其性質可通過粉碎和壓縮加工為成型顆粒燃料,或通過規?;绞缴a沼氣,再分離出CO2,從而成為95%以上甲烷含量的生物燃氣。

采用“一村一廠、來料加工”的方式,可以在經濟性可行的條件下實現干生物質材料的成型顆?;?;而以萬畝農田為一個服務單元的大型生物質燃氣站,還能處理大量濕生物質材料。目前生物質燃氣的生產成本已經可以與普通天然氣持平。初步測算,我國產自農牧林區的生物質材料加工成固體和氣體燃料,可提供相當于7.5億噸標煤的燃料。

傳統的秸稈柴灶的熱效率不到15%,而現在已開發并批量生產的生物質成型燃料的炊事爐具熱效率可超過35%,取暖爐具熱效率可超過80%,同樣的炊事和采暖效果僅需原來1/3的秸稈。同時,這類新爐具的排放污染物基本滿足燃氣爐具的排放標準,只是NOx排放略顯高。但是,由于這種NOx與燃煤、燃氣燃燒所排放的不同,對大氣污染貢獻很小。通過生物法制備的生物燃氣則完全可以和天然氣一樣利用,壓縮后可作為汽車燃料或進入燃氣管道。由于各種燃氣設備的熱效率都可達到90%以上,所以燃氣法從生物質材料熱值折算到最終的熱利用效率也超過40%。生產沼氣所產生的沼渣、沼液可以作為優質的有機肥,替代綠肥和秸稈直接還田,從沼氣中分離出的CO2則可以再利用或填埋,從而實現CO2的負排放。

與來自礦物的化石燃料不同,生物質材料是為了滿足人類各種需求而作為副產品所產出,必須全部消納。秸稈還田或堆放綠肥的方式消納,將產生和排放一定量的甲烷及其它溫室氣體。這些氣體的溫室氣體效應是CO2的20~300倍,其危害遠大于直接燃燒。而加工為成型燃料或生物質燃氣,則可避免這些非二氧化碳溫室氣體的排放。因此,生物質材料作為燃料處理,即使不考慮其替代化石燃料的作用,僅從減少溫室氣體排放角度看,也非常必要。

我國新能源發展很快,生物質能卻相對滯后。生物質材料的能源化利用率不到20%,很多地方甚至還在焚燒消納。目前能源化利用最多的是秸稈發電,然而由于采集半徑大,導致采集運輸成本高。更嚴重的是,把秸稈從農民手中拿走替代電廠燃燒的煤,農民失去秸稈就只好去燒煤,支持這種不合理交換的是生物質發電的高上網電價,而這種交換的結果只是用農戶散煤燃燒方式替代了電廠的集中燒煤,加重了污染。

生物質材料源于農村,就應優先服務于農村。農村炊事和熱水用能、北方冬季采暖用能是目前主要的農村建筑用燃料型能源,而加工后的生物質能源恰好可用于此。初步測算,產糧區農戶、畜牧禽業農戶、林業農戶生產過程所獲得的生物質能都可以滿足其炊事和生活熱水需要。北方地區農戶冬季采暖一半以上的燃料也可以從自產的生物質材料中獲得。

光電、風電大有可為

農村的非生產用能的其它部分應依靠電力。進入本世紀以來,風力發電、光伏發電裝置的成本已下降至最初的幾十分之一,如果不包括對應的土地或空間成本,風電、光電的發電成本已經低于煤電。

從近10年前開始,光伏就被作為扶貧方式,通過上網高價售電,補貼貧困戶。農村未能普遍推廣光伏電池,是受限于光伏元件的高成本和上網權?,F在,光伏元件本身的成本已不是障礙,如果有低成本的安裝方式,并且自用而不是上網,就有可能迅速發展。風電也早已成為偏遠地區獲得電力的方式。

目前,農村發展風、光電需要解決的問題是蓄電和微電網系統。如果每戶LED照明和晚上家電需要功率為300瓦,每晚使用4小時,則每戶只要有2千瓦時的蓄電池就可保證基本需求。車輛充電、其它家電和農機具都盡可能在白天光電充裕時使用,搭建分戶的全直流系統,則每個農戶蓄電和配電微網投資可以在1萬元以內。加上光伏或小型風電,每戶2萬元即可解決基本問題。

目前農村電網擴容,各地的擴容標準是每戶5到8千瓦,為實現這樣的容量戶均農網改造費都高于2萬元。改造后為了實現“煤改電”,再把谷間電價降低到每千瓦時0.1元,完全依賴地方政府和電力部門的補貼。如果取消這樣的補貼電價,同時把電網改造費用投向農村微網改造,就可在農村建成分布式電力系統。而大電網在現有基礎上,承擔輔助和補充的作用,僅承擔農用電的20%~50%。這種“分布式、半自給”的電力模式,不就是我們希望的從集中轉為分布式的未來電力系統模式嗎?

農村能源系統可成為能源革命的先行

能源革命的核心是由化石能源轉為以可再生能源為主的低碳能源系統。如同化石能源系統依賴礦產資源,發展風電、光電和生物質能源依賴于土地空間資源。相比人口高密集的城市,我國農村擁有廣大豐富的土地空間資源。農村建筑屋頂、農畜業設施表面,以及不能耕作的空地都可以安裝太陽能光伏電池。在不影響生產和生活的條件下,也可以零星布局風力發電裝置。一些山區還有發展小水電的條件。而作為農林畜牧業的副產品所產出的生物質材料,又是唯一的零碳燃料資源。能源產業是資源依賴型產業,而對低碳能源系統來說,農村恰恰可為可再生能源提供豐富的資源。

能源革命的又一特征是從集中的生產、運輸和轉換方式轉變為分布式生產、產用同地。農村的可再生能源又正好符合這一特點。我們可以從農村的電力系統開始,探討怎樣實現基于可再生電力的分布式發電、分散式蓄電、就地用電新模式。農村用電負荷稀疏、集中的電力輸配方式投資高、效率低。遠距離輸送天然氣成本高、效率低、安全性差;繼續使用燃煤會帶來高污染、低效率,積攢的爐灰還會成為公害。采用新的分布式模式,依賴自身資源,建立起以可再生能源為基礎的農村新能源系統,正好與農村的資源環境條件相符,又是未來能源發展的目標。為什么不可以在農村先行先試,邁出這一步呢?

 

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