農(nóng)村新能源系統(tǒng)：分布式革命第一步

江億

清潔取暖僅是農(nóng)村能源革命的開始，全國農(nóng)村都面臨用能結(jié)構(gòu)和用能方式的變革。

目前，我國農(nóng)村（指以農(nóng)林畜牧業(yè)為主要經(jīng)濟活動的村落）建筑用能總量為3.1億噸標(biāo)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(nóng)村用能總量的70%。盡管農(nóng)村戶均商品能消耗量低于城市居民，但目前農(nóng)村戶均用能總量卻已經(jīng)高于城市居民，并且生物質(zhì)能比例逐年減少，煤、電和燃氣戶均用量不斷提高。

為改善農(nóng)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(nóng)村地區(qū)開展大規(guī)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(nóng)民室內(nèi)取暖水平，大幅減少了污染物排放，改善了室內(nèi)外的空氣質(zhì)量。

清潔取暖僅是農(nóng)村能源革命的開始，全國農(nóng)村都面臨用能結(jié)構(gòu)和用能方式的變革。目前，電力部門在積極進行農(nóng)網(wǎng)擴容，燃氣部門在積極鋪設(shè)燃氣管道。農(nóng)村的能源革命未來將走向何方？我們是否應(yīng)按照城市標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)農(nóng)村的能源系統(tǒng)？

生物質(zhì)材料將成主要燃料來源

在各類可再生能源中，生物質(zhì)能是目前唯一的零碳燃料。據(jù)不完全統(tǒng)計，不包括城市垃圾中的生物質(zhì)材料，我國目前尚未利用的生物質(zhì)材料包括2.8億噸農(nóng)業(yè)秸稈、1.9億噸林業(yè)枝條和枯葉、25億噸牲畜和禽類糞便（濕）。這些生物質(zhì)材料根據(jù)其性質(zhì)可通過粉碎和壓縮加工為成型顆粒燃料，或通過規(guī)?；绞缴a(chǎn)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(jīng)濟性可行的條件下實現(xiàn)干生物質(zhì)材料的成型顆粒化;而以萬畝農(nóng)田為一個服務(wù)單元的大型生物質(zhì)燃氣站，還能處理大量濕生物質(zhì)材料。目前生物質(zhì)燃氣的生產(chǎn)成本已經(jīng)可以與普通天然氣持平。初步測算，我國產(chǎn)自農(nóng)牧林區(qū)的生物質(zhì)材料加工成固體和氣體燃料，可提供相當(dāng)于7.5億噸標(biāo)煤的燃料。

傳統(tǒng)的秸稈柴灶的熱效率不到15%，而現(xiàn)在已開發(fā)并批量生產(chǎn)的生物質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)，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(shè)備的熱效率都在90%以上，所以燃氣法從生物質(zhì)材料熱值折算到最終的熱利用效率也超過40%。生產(chǎn)沼氣所產(chǎn)生的沼渣、沼液可以作為優(yōu)質(zhì)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(xiàn)CO2的負排放。

與來自礦物的化石燃料不同，生物質(zhì)材料是為了滿足人類各種需求而作為副產(chǎn)品所產(chǎn)出，必須全部消納。秸稈還田或堆放綠肥的方式消納，將產(chǎn)生和排放一定量的甲烷及其他溫室氣體。這些氣體的溫室氣體效應(yīng)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(zhì)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(zhì)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(fā)展很快，生物質(zhì)能卻相對滯后。生物質(zhì)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(fā)電，然而由于采集半徑大，導(dǎo)致采集運輸成本高。更嚴(yán)重的是，把秸稈從農(nóng)民手中拿走替代電廠燃燒的煤，農(nóng)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(zhì)發(fā)電的高上網(wǎng)電價，而這種交換的結(jié)果只是用農(nóng)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(zhì)材料源于農(nóng)村，就應(yīng)優(yōu)先服務(wù)于農(nóng)村。農(nóng)村炊事和熱水用能、北方冬季采暖用能是目前主要的農(nóng)村建筑用燃料型能源，而加工后的生物質(zhì)能源恰好可用于此。初步測算，產(chǎn)糧區(qū)農(nóng)戶、畜牧禽業(yè)農(nóng)戶、林業(yè)農(nóng)戶生產(chǎn)過程所獲得的生物質(zhì)能都可以滿足其炊事和生活熱水需要。北方地區(qū)農(nóng)戶冬季采暖一半以上的燃料也可以從自產(chǎn)的生物質(zhì)材料中獲得。

光電、風(fēng)電大有可為

農(nóng)村的非生產(chǎn)用能的其他部分應(yīng)依靠電力。進入21世紀(jì)以來，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)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(yīng)的土地或空間成本，風(fēng)電、光電的發(fā)電成本已經(jīng)低于煤電。

從10年前開始，光伏就被作為扶貧方式，通過上網(wǎng)高價售電，補貼貧困戶。農(nóng)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(wǎng)權(quán)?，F(xiàn)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(wǎng)，就有可能迅速發(fā)展。風(fēng)電也早已成為偏遠地區(qū)獲得電力的方式。

目前，農(nóng)村發(fā)展風(fēng)、光電需要解決的問題是蓄電和微電網(wǎng)系統(tǒng)。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、其他家電和農(nóng)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(tǒng)，則每個農(nóng)戶蓄電和配電微網(wǎng)投資可以在1萬元以內(nèi)。加上光伏或小型風(fēng)電，每戶2萬元即可解決基本問題。

目前農(nóng)村電網(wǎng)擴容，各地的擴容標(biāo)準(zhǔn)是每戶5千瓦到8千瓦，為實現(xiàn)這樣的容量戶均農(nóng)網(wǎng)改造費都高于2萬元。改造后為了實現(xiàn)“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(wǎng)改造費用投向農(nóng)村微網(wǎng)改造，就可在農(nóng)村建成分布式電力系統(tǒng)。而大電網(wǎng)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，承擔(dān)輔助和補充的作用，僅承擔(dān)農(nóng)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(zhuǎn)為分布式的未來電力系統(tǒng)模式嗎？

農(nóng)村能源系統(tǒng)可成為能源革命的先行

能源革命的核心是由化石能源轉(zhuǎn)為以可再生能源為主的低碳能源系統(tǒng)。如同化石能源系統(tǒng)依賴礦產(chǎn)資源，發(fā)展風(fēng)電、光電和生物質(zhì)能源依賴于土地空間資源。相比人口高密集的城市，我國農(nóng)村擁有廣大豐富的土地空間資源。農(nóng)村建筑屋頂、農(nóng)畜業(yè)設(shè)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(chǎn)和生活的條件下，也可以零星布局風(fēng)力發(fā)電裝置。一些山區(qū)還有發(fā)展小水電的條件。而作為農(nóng)林畜牧業(yè)的副產(chǎn)品所產(chǎn)出的生物質(zhì)材料，又是唯一的零碳燃料資源。能源產(chǎn)業(yè)是資源依賴型產(chǎn)業(yè)，而對低碳能源系統(tǒng)來說，農(nóng)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(chǎn)、運輸和轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际缴a(chǎn)、產(chǎn)用同地。農(nóng)村的可再生能源又正好符合這一特點。我們完全可以從農(nóng)村的電力系統(tǒng)開始，探討怎樣實現(xiàn)基于可再生電力的分布式發(fā)電、分散式蓄電、就地用電新模式。農(nóng)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(xù)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(chǔ)的農(nóng)村新能源系統(tǒng)，正好與農(nóng)村的資源環(huán)境條件相符，又是未來能源發(fā)展的目標(biāo)。為什么不可以在農(nóng)村先行先試，邁出這一步呢？