农村新能源系统：分布式革命第一步

目前，中国农村地区(以农、林、牧为主要经济活动的村庄)建筑总能耗为3.1亿吨标准煤，约*国建筑运行总能耗的1/3。其中，煤、气、电等商业能源占农村能源消费总量的70%。虽然农村居民的平均商品能源消费低于城市居民，但农村居民的总平均能源消费已经高于城市居民，生物质能的比重逐年下降，煤、电、气的平均消费不断增加。

为了提高农民的生活水平，消除散烧煤炭造成的空气污染，中国从2016年开始推行“清洁供暖”运动。中国北方农村和周边“2+26”城市开展了大规模清洁供热项目，以消除散落的煤炭。通过改变能源类型和推广多种供暖方式，农民冬季室内供暖水平得到有效提高，污染物排放量大幅减少，室内外空气质量得到改善。

清洁供暖只是农村能源革命的开始。全国农村地区正面临能源使用结构和方法的变化。目前，电力部门正在积极扩大农村电网，燃气部门正在积极铺设燃气管道。未来农村能源革命将走向何方？我们应该按照城市标准建设农村能源系统吗？

生物质材料将成为主要燃料来源

在各种可再生能源中，生物质能是目前唯一的零碳燃料。据不完全统计，不包括城市垃圾中的生物质材料，我国尚未利用的生物质材料包括2.8亿吨农业秸秆、1.9亿吨森林枝叶和25亿吨畜禽粪便(湿)。根据它们的性质，这些生物质材料可以被粉碎并压缩成成型的颗粒燃料，或者可以大规模生产沼气，并且可以分离出CO2，从而成为甲烷含量超过95%的沼气。

采用“一村一厂、来料加工”的方法，可以在经济可行的条件下实现干生物质原料的造粒。然而，以10，000亩农田为服务单元的大型生物质气站也可以处理大量湿生物质材料。目前，生物质气的生产成本可与普通天然气相当。根据初步计算，中国国内农牧林区生物质原料生产的固体和气体燃料可提供相当于7.5亿吨标准煤的燃料。

村级小型生物质成型燃料加工厂

传统秸秆炉的热效率不到15%，而现在开发和批量生产的生物质型煤炉灶的热效率可超过35%，采暖炉的热效率可超过80%。同样的烹饪和加热效果只需要1/3的原始稻草。与此同时，这些新炉灶排放的污染物基本符合燃气灶的排放标准，但氮氧化物排放量略高。然而，由于氮氧化物与煤和天然气燃烧排放物之间的差异，对空气污染的贡献非常小。生物法制备的沼气可以像天然气一样得到充分利用，可以作为汽车燃料或压缩后进入燃气管道。由于各种燃气设备的热效率可达到90%以上，因此燃气法从生物质材料热值到最终热利用效率的转化率也超过40%。沼气生产产生的沼渣和沼液可作为优质有机肥替代绿肥和秸秆直接还田，从沼气中分离出的CO2可再利用或填埋，实现CO2的负排放。

与矿物化石燃料不同，生物质材料是作为满足人类各种需求的副产品生产的，必须被充分吸收。秸秆还田或堆放绿肥进行消化会产生并排放一定量的甲烷和其他温室气体。这些气体的温室气体效应是二氧化碳的20~300倍，其危害远远大于直接燃烧。加工成成型燃料或生物质气体可以避免这些非二氧化碳温室气体的排放。因此，即使不考虑生物质材料作为化石燃料替代品的作用，仅从减少温室气体排放的角度来看，也非常有必要将生物质材料视为燃料。

中国新能源发展迅速，但生物质能落后。生物质材料的能源利用率不到20%，许多地方甚至将其烧掉。目前，最主要的能源利用是秸秆发电。然而，由于收集半径大，收集和运输成本高。更严重的是，从农民那里拿走的稻草代替了发电厂燃烧的煤，所以农民们在失去稻草时不得不燃烧煤。支持这种不合理交换的是生物质发电的高上网电价。这种交换的结果只是发电厂集中燃煤被农民分散燃煤所取代，从而加剧了污染。

生物质原料来源于农村，应优先服务于农村。农村烹饪和热水能源以及北方冬季取暖能源目前是农村建筑的主要燃料能源，加工过的生物质能可用于此。据初步测算，产粮区、畜禽业和林农在生产过程中获得的生物质能可以满足他们的烹饪和生活热水需求。北方地区农民冬天取暖所用的燃料一半以上也可以从自产的生物质材料中获得。

光电和风能潜力巨大

农村非生产性能源使用的其他部分应该依赖电力。自本世纪初以来，风力发电和光伏发电设备的成本已降至原始成本的十分之一。如果不包括相应的土地或空间成本，风力发电和光伏发电的成本低于煤电。

近10年前，光伏发电被用作一种扶贫方法，通过在网上高价出售电力来补贴贫困家庭。光伏电池在农村地区普及的失败受到光伏元件高成本和上网权的限制。目前，光伏组件的成本不再是一个障碍。如果有一个低成本的安装方法，如果它是用于个人使用，而不是网上冲浪，它可能会迅速发展。长期以来，风力发电一直是偏远地区获取电力的一种方式。

目前，储电和微网系统是农村发展中需要解决的问题。如果每个家庭在晚上需要300瓦的功率用于发光二极管照明和家用电器，并且每晚使用4小时，每个家庭只需要2千瓦小时的蓄电池来满足基本需求。白天有足够的光和电时，车辆充电、其他家用电器和农业机械都尽可能多地使用。如果建立以家庭为基础的全DC系统，每个家庭在储能和配电微电网上的投资不到1万元。有了光伏或小型风力发电，每户2万元就能解决基本问题。

目前，农村电网的扩展标准是每户5至8千瓦。为实现这一能力，农村电网改造的成本每户高于2万元。改造后，为了实现“煤电转换”，将谷间电价降低到每千瓦时0.1元，完全依靠地方*和电力部门的补贴。如果取消这种补贴电价，将电网改造成本投资于农村微电网改造，就可以在农村地区建设分布式电力系统。另一方面，大电网在现有电网的基础上，承担辅助和补充功能，仅承担20%~50%的农业用电。这种“分布式、半自给自足”的电力模式难道不是我们希望从集中式向分布式转变的未来电力系统模式吗？

农村能源系统可以成为能源革命的先行者。

村级分布式光伏电站

能源革命的核心是从化石能源转向由可再生能源主导的低碳能源系统。正如化石能源系统依赖矿产资源一样，风力发电、光伏发电和生物质能的发展也依赖于陆地空间资源。与人口密集的城市相比，中国农村拥有广阔而丰富的土地空间资源。太阳能光伏电池可以安装在农村建筑的屋顶、农业和畜牧业设施的表面，以及无法耕种的空地上。在不影响生产和生活的情况下，风力发电设备也可以零星分布。一些山区仍有条件发展小水电。作为农业、林业和畜牧业的副产品，生物质材料是唯一的零碳燃料资源。能源产业是一个资源依赖型产业，对于低碳能源系统，农村地区可以为可再生能源提供丰富的资源。

能源革命的另一个特征是从集中生产、运输和转化转向分布式生产以及生产和使用的共同定位。农村地区的可再生能源正符合这一特点。我们可以从农村电力系统开始，讨论如何实现基于可再生能源的分布式发电、分散储能和本地用电的新模式。电力负荷稀疏集中的农村输配电模式投资高、效率低。天然气长距离输送成本高、效率低、安全性差。继续使用煤会带来高污染和低效率，积累的灰烬也会成为公害。采用新的分布式模式，依靠自身资源，建立基于可再生能源的农村新能源系统，符合农村资源和环境条件，也是未来能源发展的目标。为什么我们不能先在农村尝试一下，然后采取这一步呢？(作者是中国工程院院士)