分布式能源在農(nóng)村的應(yīng)用

文 | 洪博文 李瓊慧 王偉

洪博文、李瓊慧供職于國網(wǎng)能源研究院 ；王偉供職于中農(nóng)綠能科技集團(tuán)有限公司

農(nóng)村人口眾多、能源資源開發(fā)潛力巨大，農(nóng)村能源已成為能源發(fā)展變革中的重大課題。僅秸稈一項，我國每年產(chǎn)量達(dá)到7.2億噸，占世界秸稈資源的30%，充分利用將帶來巨大的能源資源財富。

合理建設(shè)和優(yōu)化分布式能源系統(tǒng)組合和配置，形成可復(fù)制、可推廣的農(nóng)村分布式能源系統(tǒng)典型應(yīng)用模式，不僅能獲得較好的商業(yè)價值，還能有效提高綜合能效，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益的最大化。

但同時，農(nóng)村分布式能源系統(tǒng)也面臨諸多問題和挑戰(zhàn)。首先，我國農(nóng)村地理分布廣、人口密度低，村與村之間人口、資源、基礎(chǔ)設(shè)施等差異性較大，統(tǒng)籌建設(shè)難度大，難以采取統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)模式。其次，由于農(nóng)村能源資源利用同時涉及能源、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等多個行業(yè)部門，需要解決資源收集、土地性質(zhì)、技術(shù)融合、企業(yè)融資等多個難題。如何因地制宜開展農(nóng)村分布式能源系統(tǒng)的設(shè)計和建設(shè)成為一項重要課題。

一般而言，分布式能源系統(tǒng)包含源-網(wǎng)-儲等環(huán)節(jié)和冷、熱、電、氣等形式，其組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，典型的分布式能源系統(tǒng)包括分布式光伏發(fā)電、天然氣分布式供能、鍋爐、電儲能、蓄熱裝置等，農(nóng)村分布式能源系統(tǒng)中包含大量生物質(zhì)能，其生產(chǎn)和利用模式更加豐富，如生物質(zhì)熱電聯(lián)供、生物制氫、生物天然氣制取等。此外，農(nóng)村分布式能源系統(tǒng)還與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)有密切的關(guān)聯(lián)，有時甚至是一個不可分割的整體。

分布式能源系統(tǒng)的能量流動關(guān)系復(fù)雜，以一個簡單分布式能源系統(tǒng)為例，系統(tǒng)中包含風(fēng)機(jī)、光伏、儲能、熱電聯(lián)供機(jī)組和燃?xì)忮仩t等設(shè)備。熱電聯(lián)供機(jī)組在發(fā)電的同時，還輸出熱量供給熱負(fù)荷，當(dāng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的熱量不足時，剩余熱量由燃?xì)忮仩t補(bǔ)充。而電網(wǎng)、氣網(wǎng)等管網(wǎng)則起到調(diào)劑余缺的作用，是支持分布式能源系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。

農(nóng)村的分布式能源系統(tǒng)的三種典型應(yīng)用模式，本文以下分別論述。

生物天然氣+有機(jī)肥模式

生物天然氣是以畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈、城鎮(zhèn)生活垃圾、工業(yè)有機(jī)廢棄物等為原料，經(jīng)厭氧發(fā)酵和凈化提純后與常規(guī)天然氣成分、熱值等基本一致的綠色低碳清潔環(huán)保可再生燃?xì)?。生物天然?有機(jī)肥的發(fā)展模式，其定位是以農(nóng)業(yè)為主、能源為輔，需要解決秸稈收集、沼渣還原、沼氣利用等關(guān)鍵問題。

沼氣發(fā)酵方式是直燃發(fā)電（供熱）、露天焚燒、生物制氫等諸多生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)的一種，與直接填埋、露天堆置等農(nóng)業(yè)廢棄物處理方式相比，兼具能源和農(nóng)業(yè)利用價值。沼氣發(fā)酵優(yōu)點是廢棄物排放少，產(chǎn)氣率高，通常達(dá)到1.5倍容積率；氮、磷等元素基本保留在沼渣之中。缺點是單純利用秸稈發(fā)酵的技術(shù)難度較大,國內(nèi)相關(guān)技術(shù)發(fā)展起步較晚，很多關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備對進(jìn)口依賴性較高。

綜合比較，目前受到推崇的秸稈還田方式由于未經(jīng)過發(fā)酵工藝處理，存在細(xì)菌和作物病害的潛在問題，加大了農(nóng)藥的用量；直燃發(fā)電（供熱）的方式則僅利用了秸稈的能源價值，造成農(nóng)業(yè)資源的浪費(fèi)。從農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)平衡的角度，生產(chǎn)生物天然氣的沼氣發(fā)酵技術(shù)只有17%的碳轉(zhuǎn)化率，氮和磷基本保留在剩余物制作的有機(jī)肥中，能更好的實現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的循環(huán)利用。

在有機(jī)肥利用方面，該模式的有機(jī)肥利用方式與禽畜糞便直接澆灌和施用化肥等方式相比，在生態(tài)環(huán)境和食品安全方面的優(yōu)勢也較為明顯。有機(jī)肥的優(yōu)點是不改變當(dāng)?shù)赝寥澜Y(jié)構(gòu)，長期對保持當(dāng)?shù)丨h(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)平衡極為有利；有機(jī)肥制作過程中經(jīng)過發(fā)酵和堆埋，溫度可達(dá)到70度以上，可實現(xiàn)較好的消毒殺菌效果；能夠獲得農(nóng)業(yè)部門的政府性補(bǔ)貼。缺點是見效慢，一般3年才能看到成效，3年后減少化肥使用量30%。綜合比較，有機(jī)肥雖然不能立竿見影，但對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)保的長期價值顯著。

世界部分國家城市垃圾填埋比例

城鎮(zhèn)生活垃圾綜合處理模式

目前，國內(nèi)外垃圾處理的主要方式包括填埋、焚燒和綜合處理（多級分揀、氣化）3種。美國以填埋為主，日本焚燒為主（占世界焚燒76%），德國焚燒為輔綜合處理為主。

我國垃圾處理的問題越來越嚴(yán)重，以大城市周邊為例，垃圾填埋能力已趨于飽和，已成為制約城市發(fā)展的主要問題之一。直接焚燒的方式問題可能更為嚴(yán)重，其對環(huán)境污染一直存在廣泛爭議，實施監(jiān)管的難度也很大，混合垃圾焚燒則危害更為嚴(yán)重。盡管一些專家提出噴活性炭的方式吸收二惡英，但后期處理也缺乏監(jiān)管，此外焚燒還會產(chǎn)生大量飛灰和重金屬。

垃圾氣化的技術(shù)源于煤炭氣化處理，可采用四種不同工藝：①固定床氣化，如太原重機(jī)，主要采用上吸式或下吸式進(jìn)行高溫裂解，其中，下吸式占地面積小，上吸式需要進(jìn)行焦油處理，綜合效率較低；②粉煤氣化，如航天萬源和天津RDCC，氣化率高；③水煤漿氣化；④循環(huán)流化床氣化，國外主要采用加壓循環(huán)流化床氣化。

綜合來看，以垃圾氣化為主的方式可以將城鎮(zhèn)生活垃圾完全資源化利用，并實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，最終達(dá)到“資源化、減量化、無害化”的三化處理效果。相比垃圾焚燒發(fā)電處理模式上億元的投資，垃圾填埋占用大量土地且污染環(huán)境，生活垃圾分選及綜合利用處理模式的投資額僅為同等焚燒項目的一半，且可采取PPP合作模式和BOT運(yùn)作模式，能夠顯著降低當(dāng)?shù)刎斦С霾⒐?jié)約用地。

生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)模式

利用生物質(zhì)能源方面的科技優(yōu)勢，開發(fā)生物質(zhì)成型燃料，開發(fā)和利用電廠余熱、熱電聯(lián)產(chǎn)以及多種技術(shù)、多種形式熱源，為城鎮(zhèn)居民采暖及工業(yè)企業(yè)供熱提供綜合能源服務(wù)。與單一的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)相比，生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)通過能源梯級利用，具有更高的能源效率，是我國生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)轉(zhuǎn)型的方向，是未來發(fā)展的主流。

農(nóng)村生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)優(yōu)選以樹皮等林業(yè)廢棄物為原料，與焚燒秸稈進(jìn)行生物質(zhì)熱電聯(lián)供的方式相比，能夠更好的兼顧經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。一方面，利用當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)林廢棄物，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益；另一方面，與農(nóng)作物秸稈不同，一些農(nóng)林資源無法還田還林，和熱電聯(lián)產(chǎn)結(jié)合能更好的發(fā)揮其剩余價值。

三大模式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

本文選取中農(nóng)綠能科技集團(tuán)有限公司（以下簡稱“中農(nóng)綠能”）的項目為例，分析農(nóng)村三大模式的應(yīng)用場景特征和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

中農(nóng)綠能定位于中國生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)者和城鎮(zhèn)化清潔能源綜合供應(yīng)商，其核心業(yè)務(wù)涵蓋了農(nóng)村三大典型應(yīng)用模式。中農(nóng)綠能的三類典型項目均以生物質(zhì)為原料，通過“資源化、減量化、無害化”的三化處理技術(shù)，實現(xiàn)生物制氣和有機(jī)肥生產(chǎn)等，充分發(fā)揮生物質(zhì)資源的綜合價值。

（1）生物天然氣+有機(jī)肥

該模式的項目采用中農(nóng)綠能公司與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)合作開發(fā)的“纖維素水解+ CSTR厭氧發(fā)酵+沼氣凈化提純利用+沼渣有機(jī)肥綜合利用”技術(shù)為本項目的主體工藝，總投資1.2億元，占地面積60余畝，建設(shè)內(nèi)容包括原料預(yù)處理及進(jìn)料系統(tǒng)、CSTR厭氧發(fā)酵罐以及配套的固液分離系統(tǒng)、沼氣凈化提純系統(tǒng)和沼氣利用系統(tǒng)等一整套生物天然氣生產(chǎn)設(shè)備，并同期建設(shè)一座生物有機(jī)肥車間和一套育秧盤生產(chǎn)線。該工程完工后日產(chǎn)沼氣3.6萬方，生物天然氣2萬方，年消耗秸稈2萬噸，年產(chǎn)天然氣700萬方。

項目建成后極大改變了當(dāng)?shù)氐哪茉蠢矛F(xiàn)狀，使農(nóng)業(yè)廢棄物得以回收利用，降低秸稈焚燒帶來的環(huán)境問題，同時能有效減少當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥化肥的使用，促進(jìn)農(nóng)業(yè)健康發(fā)展。為我國將農(nóng)村養(yǎng)殖、種植廢棄物處理轉(zhuǎn)化成分布式能源清潔能源提供了一個清潔樣本。

（2）城鎮(zhèn)生活垃圾綜合處理

中農(nóng)綠能的該模式項目主要采取下吸式固定床氣化方式處理垃圾，適合縣域及以下推廣應(yīng)用。所采取的“村收集、鎮(zhèn)、縣分別處理”的兩級模式（鎮(zhèn)處理、縣填埋），與我國目前大力推廣的“村收集、鎮(zhèn)轉(zhuǎn)運(yùn)、縣處理”三級處理模式相比，可進(jìn)一步降低運(yùn)輸?shù)哪芎暮臀廴荆绕涫菍ξ鞑亍幭?、甘肅等一些地廣人稀的地區(qū)，成本和環(huán)境優(yōu)勢更為明顯。以50萬以上人口、日產(chǎn)350噸生活垃圾的縣域為例，原有的生活垃圾年度收運(yùn)（垃圾中轉(zhuǎn)站和運(yùn)輸）和填埋費(fèi)用在5000萬至1億元之間，實行兩級處理模式后，可節(jié)省近一半的收運(yùn)和填埋費(fèi)用。

中農(nóng)的垃圾綜合處理系統(tǒng)實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、集裝箱化，包含兩種規(guī)格的產(chǎn)品。①日處理50噸垃圾的系統(tǒng)，適用于人口5萬左右的普通鄉(xiāng)鎮(zhèn)；②日處理150噸垃圾的系統(tǒng)，適用于人口10萬左右的普通縣城。鄉(xiāng)鎮(zhèn)級系統(tǒng)每日運(yùn)行10小時，每小時處理垃圾1.5噸、制氣3000方，通過氣膜存儲。系統(tǒng)本身由有機(jī)物質(zhì)制成的可燃?xì)怏w可發(fā)電自用，也可提供給外部使用。如采用150kW內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，或單獨鋪設(shè)管道運(yùn)輸，地方環(huán)保部門會提供部分財政支持。一套鄉(xiāng)鎮(zhèn)級系統(tǒng)占地5畝，成本約600萬元，主要盈利點是每噸八十至一百元的垃圾處理費(fèi)，由政府承擔(dān)。目前，中農(nóng)已在內(nèi)蒙古、遼寧等多地落地項目，從運(yùn)行效果看，該工藝具有運(yùn)行費(fèi)用低、分析效果好、分散與集中處理相結(jié)合，具有很好的推廣價值。

（3）生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)項目

中農(nóng)在山東高密建設(shè)了生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)項目，通過燃燒樹皮進(jìn)行發(fā)電、供熱，電廠和供熱管網(wǎng)均為自建，占地面積10萬平方米，項目一期建設(shè)規(guī)模為1×130t/h水冷振動爐排生物質(zhì)鍋爐，配1×30MW抽凝汽輪發(fā)電機(jī)組，在2018年年底投產(chǎn)，建成后將向高密裝飾材料產(chǎn)業(yè)園供工業(yè)熱負(fù)荷約124萬吉焦，向周邊民用采暖供熱負(fù)荷約5萬吉焦，年發(fā)電量約1.944億千瓦時，其供暖期年平均熱電比達(dá)到185%，工業(yè)用氣年平均熱電比達(dá)178%，完全符合熱電聯(lián)產(chǎn)年平均熱電比不小于100%的要求；項目一期投資約2.9億元，投產(chǎn)后預(yù)計上繳利稅約4700萬元。

結(jié)論

本文分析了農(nóng)村三種典型分布式能源商業(yè)應(yīng)用模式，總結(jié)了三大模式的特征，對不同模式的特征及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較，得出以下結(jié)論：

1、在秸稈等生物質(zhì)資源豐富地區(qū)，優(yōu)先采用生物質(zhì)天然氣利用方式，與有機(jī)肥等相結(jié)合，可以提高農(nóng)村生物質(zhì)資源的綜合利用效率，避免燃燒發(fā)電等對環(huán)境和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的破壞，有利于促進(jìn)農(nóng)村循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展；

2、在林業(yè)資源豐富地區(qū)，優(yōu)先采用熱電聯(lián)供方式利用樹皮等生物質(zhì)資源，在發(fā)電同時解決當(dāng)?shù)鼐用竦墓┡瘑栴}，相比散燒煤供暖污染降低，同時與鋪設(shè)綜合熱力管網(wǎng)更為經(jīng)濟(jì)；

3、與城鎮(zhèn)生活垃圾處理相結(jié)合的能源資源利用方式，既可實現(xiàn)廢物利用，又能有效降低焚燒的污染，在農(nóng)村地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景。