“双碳”目标下可再生能源在乡村的应用进展.pdf

综述123NO.12 2023节能 ENERGY CONSERVATION“双碳”目标下可再生能源在乡村的应用进展冯泽权 李润（河北工程大学能源与环境工程学院，河北 邯郸 056038）摘要：通过介绍我国乡村能源消费现状综述中小型水力发电系统、小型风电系统、生物质能利用技术、分布式光伏和地热能开发利用技术在农村低碳减排方面的应用进展，并对未来可再生能源在乡村发展的模式进行分析，以期为乡村能源转型提供参考。关键词：碳中和；碳达峰；可再生能源；乡村地区；节能减排中图分类号：X322 文献标志码：A 文章编号：1004-7948（2023）12-0123-03 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.0361乡村能源消费现状根据国家统计局普查数据，截至2021年底我国乡村常住人口近49 835万人，人口占比35.28%，农村居民人均可支配收入达到18 930.9元。随着经济收入的增加，我国农村居民生活中对能源的需求逐步增长。农村生活能源仍主要以煤炭、薪柴等传统能源为主，造成农村能源利用效率低、传统资源的总量减少、生态环境污染等问题。农村能源消费可分为家庭生活用能和生产用能。根据20102020年中国能源统计年鉴，20102020年我国乡村能源折合标准煤消费总量如图1所示。生活能源消费量包括取暖、烹饪、照明等，数值由2010年的15 414万吨标准煤上升至2020年的25 649万吨标准煤，2020年是2010年的1.66倍。我国农村家庭能源消费已经从传统的生物质能源转向商业能源消费1。生产用能方面，2020年我国农、林、牧、渔业能源消费量约9 263万吨标准煤，是2010年的1.27倍，呈缓慢上升趋势。能源消费量增加意味着减排任务加剧。2018年中国共产党中央委员会、国务院印发的乡村振兴战略规划（20182022年）明确指出，农村环境及生态问题较为突出。因此，有必要开展对中国农村能源消费碳排放的深入研究。可再生能源作为一种清洁能源，为解决乡村供能和绿色发展提供了新途径。2乡村可再生能源利用技术进展我国农村地区有丰富的太阳能、风能、生物质能等可再生资源，对其进行开发和利用，能够改善环境污染，减少传统能源消耗。在“双碳”背景下，我国农村非化石能源消费比例将在 2025 年达到 85.3%，2035 年达到92.9%。其中，风电、光电比重将快速增长，预计2035年我国农村分布式光伏装机量达到3.2亿kW。农村绿色转型和能源发展对我国农业农村现代化建设具有重要意义。2.1小型水力发电乡村水能利用以小型水力发电项目为主。小型水力发电指装机容量小于50 MW的水电项目，该工程一般不需要蓄水，自然径流即可通过涡轮机将水压转换为机械轴功率，驱动发电机进行发电，不同特性站点使用的涡轮机类型不同，分为脉冲涡轮机和反作用涡轮机两大类。Pang等2对我国西藏地区27处小型水力发电进行实地调研，结果显示，该地区小型水力发电项目总装机容量26.9 MW，可为该地区约8万农户提供电力。Zhang3等对我国西南地区乡村小型水力发电站营运期间的二氧化碳排放进行核算，与柴油发电厂发电相比，每千瓦装机容量的二氧化碳排放量每年可减少16.33 t。小型水力发电站具有工程简单、建设周期短、投资较小、发展潜力巨大的优势。但受制于早期经济技术水平因素，目前小型水力发电站的问题主要聚焦在小型水力发电站对项目周边生态环境产生破坏。Lai等4利用层次分析法制定模糊综合评估模型，对研究区域的小型水力发电项目进行评估，结果表明，小型水力发电项目在降低河流流量和河道内物种种群丰富度方面具有负面影响。2.2小型风力发电风力发电系统的工作原理是风带动风力涡轮机的叶图120102020年我国乡村能源折合标准煤消费总量作者简介：冯泽权（1998），男，硕士，研究方向为低碳减排。收稿日期：2023-03-21引用本文：冯泽权，李润.“双碳”目标下可再生能源在乡村的应用进展 J.节能，2023，42（12）：123-125.综述124节能 ENERGY CONSERVATIONNO.12 2023片旋转，转子捕获风的动能驱动发电机发电，单台装机容量1 MW风能发电机每年可减少2 000 t二氧化碳排放。农村小型风电系统一般采用垂直轴风力机，其优点是不受风向影响，并且农村环境平均风速相对较高，使涡轮机的工作效率较高。风能发电的主要挑战是应对风的不稳定特性，农村小型风力涡轮机受气候和气压影响尤为明显。此外，风力涡轮机运行会产生噪声5。Shen6等通过调查公众对待风能涡轮机的态度发现，居民希望风能涡轮机的安装位置远离住宅，对风能利用持支持的态度。Leary7等总结了多地小型风电系统的发展，小型风力涡轮机在乡村地区仍可发挥作用，但考虑较高的维护成本与当地环境条件，小型风电系统在与光伏设备的竞争中处于劣势。2.3生物质能利用技术生物质包括作物残留物、木材工艺残留物、专用能源作物和森林资源等植物生物质，也包括生活污水、动物粪便、固体废物等。生物质能具有原料来源广泛、污染低、可重复性强的优势。生物质发电。生物质发电主要包括农林生物质、垃圾焚烧和沼气发电，农林发电是最有价值的生物质发电方式之一8。生物质能具有发电输出稳定、避免资源浪费、降低乡村秸秆燃烧而造成的雾霾危害等优势。Liu9等通过建立系统动力学模型对生物质发电的环境效益进行分析，结果表明，利用生物质燃烧发电排放的氮氧化物、二氧化硫、烟尘颗粒分别是火电厂排放标准的1/5、1/10和1/28。He10等对生物质发电项目进行全生命周期评价分析，结果表明，生物质发电项目在投产后半年内即可实现净减排，而风电和太阳能实现净减排的平均时间分别为1.16 a和3.79 a。因此，生物质发电适宜在农村发展。生物质气化。利用微生物厌氧降解有机废弃物（如农作物秸秆、牲畜粪便和生活垃圾），在经历水解、产酸、产乙酸/脱氢和甲烷化的反应过程后，产生的沼气（生物甲烷）可替代化石燃料。沼气技术按照其规模分为户用沼气池和中大型沼气厂。Song11等对两种沼气池进行对比分析，在人口密度较小的西部地区适用家用沼气池，而在人口密度较高的东部农村适用中大型沼气厂。截至2019年底，我国农村户用沼气池数量达3 380.3万户，沼气工程数量10.27万处，中大型沼气工程产气量逐年增长。生物质成型。生物质成型利用湿压、减压或温室成型等物理挤压方式将农业废弃物制备成致密固体燃料，该技术所制的成型燃料的燃烧必须配备专用锅炉或高效除尘设施。因此，在乡村主要用作生物质热力锅炉的燃料以供农户取暖12。目前，生物质成型技术发展主要是在低污染的基础上寻求高热值的原料配比和高效率的锅炉改进。Deng13等对传统烟煤加热炉、无烟型煤加热炉、半焦加热炉和生物质颗粒加热炉进行对比测试，结果显示，生物质颗粒加热炉在加热过程中释放的PM2.5、CO和SO2浓度低于其他3种加热炉。生物质能作为我国可再生能源的重点发展方向之一，但是生物质能在乡村的应用存在以下障碍：生物质回收和长距离运输成本限制了生物质利用的发展，由于秸秆、农林废弃物这类原料具有季节性，加剧了原料供应问题；生物质利用产出的产品直接经济成本高于传统能源利用产品的成本，光伏、风能发电成本的下降导致生物质产品的竞争力进一步下降。2.4分布式光伏发电分布式光伏是在终端用户处安装和运行小型模块化的光伏设备，利用太阳能进行发电。随着各国对气候变化问题逐渐重视，各国制定了多项促进可再生能源发电的相关产业进步条例，可再生能源发电成本逐步下降，其中以光伏发电成本下降尤为明显。分布式光伏具有就地自用、多点互联、运行灵活等优点，适合在人均面积广、土地成本低的乡村发展。在经济效益方面，光伏产业可以通过减少能源消费和提高光伏余电并网创收等方式提高收益。Wang14等研究发现，应用分布式光伏技术后，20132017年木柴、煤炭消耗分别减少 10.47%和 11.25%，电力消耗增加 53.52%，该项技术在农村应用可以达到生态效益和经济效益的协同发展。在技术层面，我国光伏产业产出增长的驱动力从要素驱动转变为技术创新驱动，在国际市场上具有较大的优势。Wu 等15利用模糊 Dematel-ISM 方法从政策、技术、经济和社会4个方面分析了农村分布式光伏发展的制约因素，研究表明，相关条例不完善、初始投资高等是阻碍分布式光伏发展的关键。2.5地热能开发利用我国适宜开发利用的浅层地热能集中分布在华北和西北地区，可开采总量相当于71012 kg标准煤16。地热能开发是基于地理环境，利用地下产生的热量作为可开发利用能源，通过热泵机组提取和交换热量，将其用于建筑的加热或冷却。地热能源利用效率与热泵系统发展程度密切相关，农村地热能利用以建筑物供暖和制冷为主。Wang17等对华北农村新型分体式地源热泵系统运行情况进行分析，该系统季节性能系数均值为2.59，冬季采暖期运行稳定，满足调研区域内97%用户的供暖需求，极大减少了煤炭使用。Zhao18等提出一种适合农村的新型地热梯级利用系统，系统在满足标准利用率的基础上，与传统的“板式换热+热泵”形式相比，成本节省高达60%。地热能利用存在资源调控不合理、地热能源利用率低、部分地热开发不可持续等问题。Xu等16指出，环境影响评价和保护是推动浅层地热能源应用的必要条件。综述125NO.12 2023节能 ENERGY CONSERVATION此外，地热发电项目需要预勘探、钻井等，导致其开发风险大、前期成本高。3未来乡村可再生能源技术应用模式探索3.1多能互补单一的能源供应存在不稳定性，难以应对负荷变化。为了改善农村能源消费结构、提高清洁能源的比重，必须依据地方资源特点进行多元化发展。针对农村可再生能源互补系统，学者开发了多种新型用能模式。He19等基于MULTIMOORA-TOPSIS方法，对宁夏农村供暖能源消费真实案例的多项供暖方案进行综合排名，结果表明，在该研究区域，光伏-风能-地热多能源混合系统的利用量化排名优于单一能源利用。丛宏斌20等提出了可供北方农村适用的生物质热解炭气油联产供暖模式，其中生物质热解气燃烧可用于供暖，热解分离的液相产物可作为杀虫剂，而固相产物生物炭也可用作炭基肥或出售，每年可以有效减少农村供暖而产生的温室气体达2 304 t。3.2多场景应用可再生能源在乡村的利用需要多场景应用。在能源规划过程中，Statuto21提出了能源景观的概念，综合考虑了景观内能源供应需求和基础设施复杂度对农村景观产生的影响，在能源利用和人文景观综合考虑的规划过程中，通过跨学科研究分析将可再生能源作为乡村的能源驱动力，满足乡村绿色低碳发展。关于可再生能源应用新场景，除了目前应用广泛的屋顶光伏、户用沼气等技术外，众多学者积极拓展可再生能源在农业领域的利用途径，如渔光互补、光伏温室等。这些技术将能源供应和农业生产相结合，更好地凸显了能源转型与经济增长的协同发展。4结语在“双碳”目标的背景下，应积极推广能源转型，结合我国乡村地区的发展战略，未来可再生能源必然成为乡村能源供应来源的主导。在解决各项技术缺点的基础上，实现多能综合利用，积极拓展应用场景，进而使可再生能源更好地服务于乡村能源转型和低碳发展。参考文献1 Wu S，Zheng X，You C，et al.Household energy con4sumption in rural China：Historical development，present pattern and policy implication J.Journal of Cleaner Production，2019，211：981-991.2 Pang M，Zhang L，Bahaj A B S，et al.Small hydropower development in Tibet：Insight from a survey in Nagqu Prefecture J.Renewable and sustainable energy reviews，2018，81：3032-3040.3 Zhang J，Luo C Y，Curtis Z，et al.Carbon dioxide emission accounting for small hydropower plantsA case study in southwest ChinaJ.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2015，47：755-761.4 Lai R，Chen X，Zhang L.Evaluating the impacts of small cascade 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