山西黃河流域生態(tài)環(huán)境突出問題（美麗黃河協(xié)同治理）

發(fā)布時間：2024-09-16閱讀(11)

導讀“農(nóng)村有著豐富的土地資源，是發(fā)展太陽能、風能、生物質(zhì)能等多種可再生能源的重要基礎(chǔ)；發(fā)揮農(nóng)村地區(qū)的資源稟賦、發(fā)展農(nóng)村可再生能源，對于優(yōu)化城鄉(xiāng)能源供給結(jié)構(gòu)、改善....

“農(nóng)村有著豐富的土地資源，是發(fā)展太陽能、風能、生物質(zhì)能等多種可再生能源的重要基礎(chǔ)；發(fā)揮農(nóng)村地區(qū)的資源稟賦、發(fā)展農(nóng)村可再生能源，對于優(yōu)化城鄉(xiāng)能源供給結(jié)構(gòu)、改善農(nóng)民居住生活水平、推動農(nóng)村經(jīng)濟建設(shè)等諸多方面都有重要意義。”中國工程院院士、清華大學建筑節(jié)能研究中心主任江億教授2020年6月在山西芮城考察時曾對農(nóng)村能源發(fā)展如是評價。

朱呂村基于墻體儲熱的光伏供暖技術(shù)現(xiàn)場施工圖（來源：清華大學建筑節(jié)能研究中心）

在江億院士的統(tǒng)籌及領(lǐng)導下，清華大學建筑節(jié)能研究中心（以下簡稱：研究中心）正在與山西芮城縣合作，采用“光儲直柔”技術(shù)對朱呂村進行第一期的清潔取暖改造，經(jīng)歷過第一期的嘗試和項目落地，大家對下一步的整村全面示范充滿期待。

在全國農(nóng)村能源低碳轉(zhuǎn)型的浪潮中，已經(jīng)有不少地方積極實踐嘗試。試點上述“光儲直柔”技術(shù)的山西省芮城縣就是其中的引領(lǐng)者之一。2020年，研究中心到山西省芮城縣交流考察，確定可將芮城作為低碳發(fā)展的試點縣，提出了2025年實現(xiàn)碳達峰，2035年實現(xiàn)碳中和的目標，并將韌性與包容性協(xié)同發(fā)展的理念融入到芮城碳達峰碳中和發(fā)展規(guī)劃中。

協(xié)同發(fā)展低碳、韌性與包容性，或許是對抗能源轉(zhuǎn)型中不確定性、保持穩(wěn)定性和可持續(xù)性的關(guān)鍵。未來，芮城樣板能夠持續(xù)為地方的轉(zhuǎn)型實踐提供生動參考。

低碳發(fā)展試點縣的優(yōu)勢

研究中心經(jīng)過調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，芮城縣內(nèi)無燃煤、燃油、燃氣礦產(chǎn)資源，所有的化石能源全部依靠外購，同時具備非常可觀的風電光伏發(fā)展?jié)摿ΑＦ涮柨傒椛淞吭?600～5040 MJ/m2·a之間，屬于國家市場監(jiān)督管理總局、中國國家標準化管理委員會于2019年發(fā)布的《太陽能資源評估方法》標準之下的資源豐富區(qū)。同時由于獨特的地形條件，該縣區(qū)域內(nèi)風資源豐富。此外因為是農(nóng)業(yè)大縣，每年可收集的小麥和玉米秸稈都在60萬噸以上，能夠就地獲取豐富的生物質(zhì)資源。

朱呂村當?shù)夭蓤D（來源：清華大學建筑節(jié)能研究中心）

彼時芮城縣內(nèi)已建成了兩期100萬千瓦集中光伏基地，年發(fā)電11.6億千瓦時；建成17萬千瓦集中風電基地，年發(fā)電1.55億千瓦時。

然而研究中心也發(fā)現(xiàn)，雖然當時芮城縣的用電量已經(jīng)小于其風光發(fā)電量，但縣內(nèi)仍有大量化石能源消耗。

基于此，研究中心以碳中和為目標，對芮城縣進行了社會經(jīng)濟發(fā)展預測與規(guī)劃：2035年芮城縣總用電量為33億千瓦時，生物質(zhì)用量25.3萬噸，煤炭、天然氣、石油等化石燃料用量減為0，完全被零碳電力或生物質(zhì)燃料取代。

碳中和目標的實施，受到了芮城當?shù)卣母叨戎匾暋?2020年11月，芮城縣委、縣政府委托清華大學建筑節(jié)能研究中心研究編寫芮城碳達峰碳中和發(fā)展規(guī)劃，希望成為國家碳中和示范縣，全面嘗試創(chuàng)新的相關(guān)技術(shù)、政策、機制，并在相關(guān)工作上給予了大力支持。

自然資源優(yōu)勢和地方政策支持，使得碳中和的芮城樣本成為可能。值得一提的是，研究中心為芮城規(guī)劃的方案，是以達到滿足動態(tài)實時意義上的碳中和為目標，而非簡單將用能和產(chǎn)能做總量平衡。為此，研究人員們綜合考慮能源結(jié)構(gòu)中電力系統(tǒng)的時變性，定義了三種碳排放計算邊界，對芮城能源體系整體的排放情況進行核算，規(guī)劃出芮城逐年的碳排放曲線，并計劃分階段實現(xiàn)縣域內(nèi)的碳中和。

根據(jù)研究中心計劃，芮城縣需要從全面發(fā)展光電、化石燃料替代、解決電力調(diào)控三方面著手開展工作，基于“光儲直柔”和“生物質(zhì)能”技術(shù)建設(shè)農(nóng)村新型能源系統(tǒng)。規(guī)劃的第一步，就是通過充分開發(fā)利用當?shù)胤课菘臻e屋頂，發(fā)展光伏發(fā)電，使其成為主要能源，實現(xiàn)全面電氣化。

未來，芮城還要充分發(fā)揮產(chǎn)糧大縣的優(yōu)勢，發(fā)展生物質(zhì)能，除了解決冬季和連陰天電力供應及中心城區(qū)供熱工作之外，加工的商品燃料還能滿足部分工業(yè)生產(chǎn)需求，甚至進行能源外輸。

研究中心還計劃推動芮城縣車輛和農(nóng)機具電氣化，并開發(fā)利用其儲電功能，建設(shè)充電樁系統(tǒng)；改造部分引黃灌溉系統(tǒng)，成為既可灌溉，又可抽水蓄能的雙功能系統(tǒng)；還有建筑柔性用電、工業(yè)用電自行調(diào)蓄與風光供給實現(xiàn)協(xié)同等。

充分利用芮城優(yōu)勢，發(fā)展光儲直柔與生物質(zhì)能技術(shù)

“要想保持芮城項目的可持續(xù)性，就在工程推進的過程中秉持‘先易后難，先小后大，先農(nóng)村后城市’的原則，示范先行，有步驟地推進每一個示范項目，保證每一步走得扎實牢固。”清華大學建筑學院副院長楊旭東教授在評價芮城項目時表示，“對于農(nóng)戶光儲直柔示范，首先就要解決農(nóng)戶的冬季取暖問題，然后再用光伏發(fā)電解決農(nóng)戶的全年用電問題，在此基礎(chǔ)上建立整村的新型電力系統(tǒng)覆蓋整村的生活、交通的用能。”在這過程中，“光儲直柔”和“生物質(zhì)能”技術(shù)是芮城碳中和的整體規(guī)劃的基礎(chǔ)和重點。

“光儲直柔”是一種清潔能源綜合利用新模式。“光”和“儲”分別指分布式光伏和分布式儲能，作為建筑配用電系統(tǒng)重要組成部分；“直”指建筑配用電網(wǎng)的形式發(fā)生改變，從傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)改為采用低壓直流配電網(wǎng)；“柔”則是指建筑用電設(shè)備具備可中斷、可調(diào)節(jié)的能力，使建筑用電需求從剛性轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝浴?/p>

“‘光儲直柔’不僅僅可以用在城市，農(nóng)村也可以大力推廣。”江億院士曾經(jīng)在采訪中指出，“按照現(xiàn)在對農(nóng)村房屋現(xiàn)狀的調(diào)查統(tǒng)計，只要把現(xiàn)有屋頂?shù)拈e置空間都充分利用，安裝光伏，不僅可以解決農(nóng)民的生活用能、生產(chǎn)、交通用能，還可以有一部分電用來發(fā)電上網(wǎng)，成為農(nóng)村新的經(jīng)濟收入。”

雖然面臨著光伏產(chǎn)品成本高、電能質(zhì)量不穩(wěn)定和并網(wǎng)難的難題，但屋頂光伏的效果已經(jīng)在芮城一期試點過程中有了直觀的體現(xiàn)。“我們在種蘋果的芮城縣朱呂村選取的5戶示范戶進行基于墻體儲熱的光伏供暖技術(shù)示范，盡管由于部分示范戶的房屋結(jié)構(gòu)等原因，沒能全部按照理想情況下的設(shè)計圖紙進行施工盡管由于部分示范戶的房屋結(jié)構(gòu)以及農(nóng)戶接受度等原因，沒能全部按照模擬最佳方案的設(shè)計圖紙進行施工，但是通過整個供暖季的室溫監(jiān)測，農(nóng)戶室內(nèi)的黑球溫度在60%以上的時間都高于16攝氏度，完全可以滿足農(nóng)戶的供暖需求。”通過這5戶示范，獲得每戶在整個供暖季的兩千多個小時的測試數(shù)據(jù)，進而驗證了這個技術(shù)的可靠性，研究中心的博士生職遠對這個項目抱有信心。

農(nóng)戶進行住宅保溫改造（左）和供暖系統(tǒng)的電力計量及控制模塊（右）（來源：清華大學建筑節(jié)能研究中心）

在實踐應用“光儲直柔”技術(shù)的同時，芮城還有廣闊的“生物質(zhì)能”技術(shù)發(fā)展空間。生物質(zhì)能一般取材于農(nóng)林廢棄物、生活垃圾及畜禽糞便等，具有環(huán)境友好、成本低廉和碳中性等特點。但是，由于對生物質(zhì)資源處理利用的核心技術(shù)存在瓶頸等，大部分生物質(zhì)資源并未能有效資源化利用。

研究中心分析了芮城的生物質(zhì)能資源應用情況后發(fā)現(xiàn)：芮城縣生物質(zhì)資源總量約25.3萬噸標準煤當量（tce），即具備節(jié)約25.3萬噸標準煤的潛力，目前卻主要用于秸稈還田。

為此，研究中心規(guī)劃了“生物質(zhì)能”技術(shù)的三種應用場景。

首先是生物質(zhì)清潔燃料加工，可以輸出生物質(zhì)燃料銷售給大型工業(yè)鍋爐或燃煤電廠進行混燃，這樣不僅可以解決秸稈的就地消納問題，而且能為農(nóng)戶增加種地收入, 待調(diào)峰型生物質(zhì)熱電廠建成后，還可采用直燃的方式與生活垃圾一起共同作為熱電廠的燃料來源。其次是生物質(zhì)熱電廠，利用生物質(zhì)發(fā)電、供熱，還可以起到電力調(diào)峰的作用。

此外還可以利用生物質(zhì)生產(chǎn)生物天然氣，對于禽畜糞便類制沼氣，采用“分布化發(fā)酵、集中化提純”生產(chǎn)生物天然氣的技術(shù)路線，最終在全縣范圍內(nèi)建設(shè)分布式有機廢物多相流沼氣-微藻-有機肥生產(chǎn)集成站和生物天然氣提純站，用以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)燃氣，滿足工業(yè)需求，同時分離出的二氧化碳還可以用于食品、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，形成碳匯資源。

芮城農(nóng)戶用于做生物質(zhì)原料的自加工桔梗壓塊（來源：清華大學建筑節(jié)能研究中心）

在以“光儲直柔”和“生物質(zhì)能”技術(shù)為核心的碳中和項目落地芮城后，如何保持芮城項目的可持續(xù)性，并將芮城樣本復制推廣到其他地區(qū)，成為低碳發(fā)展過程中需要思索的問題。

在研究中心看來，先將農(nóng)村示范做好，再結(jié)合農(nóng)村項目的經(jīng)驗和基礎(chǔ)解決城鎮(zhèn)問題。另外，保持項目可持續(xù)性最重要的一點就是在項目設(shè)計環(huán)節(jié)要考慮到項目建成后的長期運行和維護的問題，包括權(quán)利歸屬、利益共享機制的建立等。要讓項目發(fā)揮長久的作用，就要讓參與方有長久的收益和積極性。

楊旭東認為，芮城規(guī)劃的項目目前已具備推廣的條件，但在推廣時要注意因地制宜，不能簡單地復制粘貼，要基于當?shù)氐膶嶋H情況結(jié)合合理的頂層設(shè)計甚至預測模型，做出符合當?shù)貤l件和需求的“芮城方案”。

能源轉(zhuǎn)型的韌性與包容性發(fā)展

當能源變革要求能源結(jié)構(gòu)從化石能源為主體轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍偕茉礊橹黧w，當氣候變化風險日漸顯著，能源系統(tǒng)面臨的風險不僅限于自然環(huán)境風險加強，還有因氣候變化加劇的極端天氣給產(chǎn)能效率、產(chǎn)量甚至是供應輸配設(shè)施帶來的風險。在這些風險的威脅下，能源變革必須在實現(xiàn)低碳發(fā)展的同時實現(xiàn)韌性發(fā)展。

圖片來源《能源轉(zhuǎn)型的低碳、韌性、包容性發(fā)展》

“可再生能源面臨的最大的問題就是不穩(wěn)定”，正如楊旭東指出的那樣，“而韌性發(fā)展可以在達到預期目標的同時兼顧穩(wěn)定性和抗干擾能力，比如可以利用儲能、負荷轉(zhuǎn)移等手段使得極端天氣也能保持能源穩(wěn)定供給，滿足人們生活與生產(chǎn)的能源需求；或建立自我消納的新型電力系統(tǒng)，在外界電網(wǎng)出現(xiàn)故障的時候也能保證自身平穩(wěn)運行。”

以芮城為例，采用儲熱技術(shù)以及分布式移動儲電技術(shù)，可以克服天氣對電力系統(tǒng)的影響，即使在夜間或陰雨天，也能保證農(nóng)戶的基本用電需求和供暖需求。分布式能源也十分符合鄉(xiāng)村住宅分散、地區(qū)偏遠的特點。在農(nóng)村能源變革中，“分布式能源”將成為能源體系實現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型和韌性發(fā)展的重要手段。

圖片來源《能源轉(zhuǎn)型的低碳、韌性、包容性發(fā)展》

芮城建設(shè)碳中和示范縣是在各級政府部門、研究機構(gòu)、企業(yè)、農(nóng)戶等多方合作和共同摸索中逐步推進的。兼顧各方需求，為各方可能受到的影響提供解決方案，實現(xiàn)成本的合理分擔和收益的合理分配，踐行包容性發(fā)展是能源轉(zhuǎn)型項目順利推進的重要保障。

圖片來源《能源轉(zhuǎn)型的低碳、韌性、包容性發(fā)展》

“包容性發(fā)展是達到預期目標的同時讓更多方參與進來，帶動更多的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，讓更多的人受惠。比如，通過建立農(nóng)村新型電力系統(tǒng)，可以促進電器直流化、農(nóng)機具電氣化、清潔取暖等的發(fā)展。”楊旭東解釋道，“發(fā)展可再生能源，促進能源轉(zhuǎn)型，帶動產(chǎn)業(yè)升級，同時降低污染物和碳排放，也是包容性的體現(xiàn)。”

江億院士還進一步肯定了發(fā)展農(nóng)村新型電力系統(tǒng)對于鄉(xiāng)村振興的重要意義：“低碳能源轉(zhuǎn)型已是國家發(fā)展戰(zhàn)略，建設(shè)新型農(nóng)村配電網(wǎng)是發(fā)展大勢所趨，要明確低碳能源轉(zhuǎn)型方向，通過能源轉(zhuǎn)型拉動鄉(xiāng)村振興建設(shè)。建設(shè)新型農(nóng)村配電網(wǎng)將與鄉(xiāng)村振興建設(shè)戰(zhàn)略緊密結(jié)合，未來將在農(nóng)村開展‘光儲直柔’系統(tǒng)，充分開發(fā)利用農(nóng)村各類閑置屋頂資源，發(fā)展光伏發(fā)電。”

對芮城來說，光伏供暖、電動農(nóng)機具、直流電器、智能充電樁等多領(lǐng)域的協(xié)調(diào)，不僅使該縣居民獲得了取暖和用電的實惠；通過剩余電量發(fā)電上網(wǎng)，還切實提高了居民的收入；減少化石能源排放帶來的污染也有利于居民的身體健康；均展現(xiàn)了包容性發(fā)展理念。

盡管從目前來看，芮城縣的能源轉(zhuǎn)型嘗試是成功的，并生動地體現(xiàn)了韌性和包容性發(fā)展，但由于每個地區(qū)的實際情況都有所不同，大面積推廣單一的能源轉(zhuǎn)型方案，勢必會增加經(jīng)濟社會發(fā)展的風險。按照“試點先行，逐步推廣”的原則，選取一個合適的地區(qū)作為示范地，小范圍內(nèi)推廣，是化解能源轉(zhuǎn)型帶來的風險、降低成本與提高效率的重要手段。芮城縣當前的積極探索無疑對其他地區(qū)的能源轉(zhuǎn)型具有重要參考價值。