我国农村能源发展现状及开发利用模式

2020-07-25孙若男杜松怀郑永乐

中国农业大学学报 2020年8期

孙若男杨曼苏娟* 杜松怀李鹏郑永乐

(1.中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083；2.国网河南省电力公司经济技术研究院，郑州 450052)

农村能源涵盖了农村地区的能源消费、生产及当地资源的利用，即为农村地区的能源供给与消费，包括农村地区工农业生产和农村生活多个方面。在我国，农村能源主要有生物质能、水能、太阳能、风能、地热能等可再生能源，以及国家供给的煤炭、电力等商品能源。我国是一个农业大国，农村能源问题涉及到全国近1/2以上人口的生活用能供应和生活质量问题[1]。

随着我国经济的快速发展，环境污染和能源利用问题变得尤为突出。保护生态环境、实施大气污染联防联控、减排CO2、加快开发可再生能源是全面推进我国能源革命的重要内容[2]。农村能源作为我国能源体系的重要组成部分，开展农村能源变革对于综合解决能源与环境、能源与农村发展的问题，实现能源发展方式由粗放型增长向集约型增长转变变得尤为重要。2018年9月26日，中共中央、国务院正式印发《乡村振兴战略规划(2018—2022年)》，对实施乡村振兴战略第一个五年工作做出具体部署。其中在加强农村基础设施建设中明确，要构建农村现代能源体系，因地制宜建设农村分布式清洁能源网络，开展分布式能源系统示范项目[3]。

已有研究对农村能源开发、农村能源消费、农村能源政策等方面进行了大量研究。文献[4]对我国农村能源消费的可获得历史数据进行整理，系统分析了农村能源消费的时空分布特点及其政策演变。文献[5]以我国30个省市(自治区)为研究单元，以能源接入与能源服务作为能源贫困的度量指标，利用Theil指数及空间自相关分析法刻画我国农村能源贫困的时空演变特征，并利用空间杜宾模型(SDM)分析其影响因素，为我国制定有效的农村能源政策提供依据和参考。文献[6]通过对农村能源消费时序的混沌辨识，指出我国农村能源消费时序是一个具有类似随机现象的混沌系统。文献[7]梳理了改革开放以来我国农村能源政策的变迁，对我国农村能源政策提出建议。

由于农村能源的供给与消费模式随着我国经济、能源、政策的变革出现了新的特征，而上述研究都是针对我国农村能源体系展开论述，对于我国农村能源开发利用模式的研究相对较少。因此，本研究拟采用国家统计局对我国农村地区的划分方式，系统梳理我国农村能源结构、农村能源开发利用现状，根据东部、中部、西部、东北等不同区域提出农村能源开发利用模式，并对技术手段和商业模式进行分析，根据现状指出面临的问题，以期为实现乡村振兴提供依据。

1 我国农村能源开发利用现状

1.1 农村能源供给与消费结构

我国农村能源开发利用主要为供给与消费2方面，而供给与消费体系主要包括能源供给和能源消费2部分，体系结构见图1。其中，能源供给主要指农村可再生能源的开发以及农村电力的供应，例如：风能、水能、太阳能、地热能、生物质能等；而能源消费主要指农民生活用能和生产用能2方面，例如：照明、取暖、种植、养殖、农产品加工等。

图1 我国农村能源供给与消费体系Fig.1 China’s rural energy supply and consumption system

1)农村电网。农村电网是我国国家电网的重要组成部分，由于我国农村大多分布在偏远地区，农村电网设施严重落后，农村居民用电户数量庞大，用户分布广泛，负荷分散，发展不平衡。与城市负荷和供电范围相对集中的特点相比，农村电网具有地域分布广、范围大、负荷分散的特点[8-10]。县、乡镇及以下是我国农村电力供应范围，主要由国家电网公司和南方电网公司所属的县供电企业提供。目前，农网建设正在朝着“坚强、智能”的方向发展。农村电力消费快速增加，带动了农村消费升级和农村经济社会发展，农村电力普遍服务能力持续增强。

2)农村可再生能源。我国农村地区资源十分丰富，每年可作为能源利用的生物质资源约7×108吨标准煤，共有水能资源理论蕴藏量10 MW，河流 11 477条，陆地表面每年接收到的太阳能辐射能理论储量约为50×1018kJ，相当于1.7×1012吨标准煤[11]。可再生能源不同于常规化石能源，开发和利用可再生能源是我国建设资源节约型、环境友好型美丽乡村的重要举措。

3)农村用能。伴随着我国工业化、信息化、城市化和农业现代化的发展，农村地区的能源生产与消费是我国能源战略的重要组成部分。2016年，我国农村能源消耗量为6.68×108吨标准煤，占全国能源消耗总量的20.6%，而可再生能源利用量为1.45×108吨标准煤，仅占农村能源消耗量的21.7%，可见，我国农村能源消耗大部分仍使用传统能源，可再生能源利用率不高。图2为2016年农村能源消费占比情况。

数据来源于2017农业资源环境保护与农村能源发展报告[12]。Data source: 2017 report on agricultural resources, environmental protection and rural energy development[12].图2 2016年我国农村能源消费占比Fig.2 Proportion of rural energy consumption in 2016

从能源消费品种上，煤炭在农村居民生产生活能源消费中还占据着主要地位，清洁能源和可再生能源使用较少。可见，当前农村能源消费结构不合理，能源消费层次低，应大力开发和推广清洁能源的使用。我国农村能源生产主要包括太阳能、风能、小水电、生物质能等清洁能源的开发利用，近年来，农村能源产业总体表现出良好的发展态势。

由于我国地大物博，农村用能在能源结构和需求结构上存在一定的地区差异。2016年末，第三次全国农业普查对全国农村进行了调查，将我国农村划分为东部、中部、西部、东北4个地区，东部指沿海发达地区(北京市、天津市、河北省、上海市、江苏省、浙江省、福建省、山东省、广东省、海南省)；西部指西南、西北地区(内蒙古自治区、广西壮族自治区、重庆市、四川省、贵州省、云南省、西藏自治区、陕西省、甘肃省、青海省、宁夏回族自治区、新疆维吾尔自治区)；东北为黑龙江、吉林、辽宁三省地区；其他作为中部地区(山西省、安徽省、江西省、河南省、湖北省、湖南省)；各地区按主要生活能源划分的农户数量见图3。

数据来源于第三次全国农业普查[13]。Data source: The third national agricultural census[13].图3 2016年各地区按主要生活能源划分的农户数量Fig.3 Number of farmers by major domestic energy in 2016

东部地区多处于沿海地带、经济发达，能源使用较其他地区更加多元化，除生物质能外，媒、电力和液化石油气的消费也分别占有一席之地；中西部地区地域辽阔、人口众多，农户多使用柴草、电力能源；东北地区温度低、气候严寒，农户多使用柴草；东部地区取暖比重较中西、东北地区低，热水比重较其他地区高。总体来讲，全国农村农户的主要生活能源依次为电力、煤气天然气、柴草、煤、沼气、太阳能、其他。可见，农村家庭能源消费选择品种日益多样化，农村居民对电力、液化石油气等清洁能源的需求迅速增猛，总体上能源消费结构不断改善。

以上数据表明，随着农村居民生活水平的提高和生活条件的改善，农村居民人均生活能源消费量显著提高，针对不同地区能源开发利用情况，在规划下推行乡村绿色发展方式，构建现代农业能源体系，加强农村人均环境整治，构建人与自然和谐共生的乡村发展新格局，实现百姓富、生态美的统一。

1.2 我国农村能源开发利用现状

1.2.1农村水电开发利用现状

农村水电可再生、无污染，运行费用低，便于进行电力调峰，是农村重要基础设施和公共设施，对于提供灌溉用水、控制洪水泛滥、改善河流航动具有积极的促进作用。我国农村水电站主要分布在西部、中部和东部沿海地区。云南、四川的装机容量位居全国第一、第二，整个西部地区的装机容量占全国的一半以上，与我国的河流流域、区域气候等自然条件密切相关。因此，加快西部水力资源开发、实现西电东送，对于解决国民经济发展中的能源短缺问题、改善生态环境、促进区域经济的协调和可持续发展，无疑具有非常重要的意义。

1.2.2农村太阳能开发利用现状

我国拥有丰富的太阳能资源，资源量折合每年1.7×1012吨标准煤，全国2/3以上国土面积年日照小时数超过2 200 h。从我国太阳能总量的分布来看，西藏大部分、新疆南部以及青海、甘肃和内蒙古的西部等西部地区由于地理位置较好，太阳辐射总量很大，均属于太阳能资源极丰富带，东部沿海、西部偏南地区云雾雨多，而且，西部地区因地理面积广阔，集中式大型地面电站建设较多，装机容量领先，总体西部太阳能开发利用情况优于其他地区。由于分布式光伏发电规模快速增长，河北、浙江、安徽、湖南等中东部地区增长明显。在东北地区，全年日照分布不均，夏季太阳总辐射最大，春季次之，冬季最小，太阳能在东北地区的开发利用还不普遍。

1.2.3农村风能开发利用现状

我国幅员辽阔、海岸线绵长，风能资源丰富，海陆50 m高度处风能潜在可开发量约为25.8×108kW，开发潜力巨大。目前我国农村小型风力发电主要用于解决偏远地区农、牧、渔民生活、生产用能。我国风能资源丰富地区主要分布在西北、华北、东北、华东地区，即“三北”和东南沿海风能资源丰富带。西部地区内蒙古风电建设水平处于国内领先地位，新疆、宁夏、甘肃等省/自治区风电的开发和利用对当地能源结构形成必要补充；东部地区风能资源相对匮乏，供电结构中火电、水电的比重较高[14]，风电并不具备能源的供给优势；吉林、辽宁、黑龙江东北三省风能资源丰富，可开发风电资源规模大。总之，不同区域的风电建设水平差距很大，风电建设规模与风能资源禀赋相适应。

1.2.4农村沼气开发利用现状

沼气是由畜禽粪便、作物秸秆等有机物在一定条件下经微生物厌氧发酵产生的气体。沼气技术复杂性低，原料来源广泛，可实现产业化发展，因此成为国家重点发展的生物质能技术之一。不同区域沼气工程发展程度不同，例如东北地区、东部地区的河北、山东等省，中部地区的河南、安徽等省，西部地区的云南、广西等省/自治区是粮食主产区，贫困集中连片区域对户用沼气需求大，适宜发展沼气工程。而像东部地区北京、天津、上海、浙江等省市人口密集，经济条件优越，西部地区的青海、西藏、宁夏、新疆等省/自治区属于生态脆弱区以及水源保护地，环保压力大，这些地方可适度发展沼气工程。发展农村沼气，能够有效处理农业农村废弃物、减少温室气体排放和雾霾产生、改善农村环境“脏、乱、差”状况等，留住绿水青山。

2 我国农村能源开发利用模式

我国农村地域辽阔，类型多样，农村能源供给与消费模式差异显著。传统的农村能源供能主要形式为利用农村电网为用户提供电能，通过燃烧传统能源煤炭、秸秆等一次性能源来提供热能。农村能源传统利用模式见图4。

图4 我国农村能源传统利用模式Fig.4 Traditional utilization mode of rural energy in China

传统供能模式能源利用率低，环境污染严重，供能安全性低。目前，我国越来越多的农村正在实现城镇化，电网、天然气、石油的建设实现了西电东送、西气东输。但是这多针对于我国东南沿海经济发达地区，采取集中供能和用能方式。在中部、西部和东北等农村，不少偏远地区用能的稳定性，甚至供电可靠性都不高，与大电网联网困难，无法集中供能供电[15]。因此，科学发展农村能源，探索多种能源综合利用模式，构建清洁低碳的农村用能系统，是促进农村产业兴旺、实现农村生态宜居、达到农村生活富裕的重要举措。我国农村能源总体开发利用模式见图5。

图5 我国农村能源开发利用模式Fig.5 Development and utilization model of rural energy in China

农村能源传统供能模式与综合能源供能系统对比见表1。可见，构建农村能源综合供能系统，充分利用当地能源，实现多种分布式能源的互联互补，在居民用能节余时，分布式能源发电通过当地的配电网并网上网；在供能不足时，通过大电网向当地的用户输送电能，解决农村用能问题。现考虑东部、中部、西部、东北不同地理位置，提出适合不同类型农村能源开发利用模式。

2.1 东部地区农村能源开发利用模式

东部地区经济发展水平高，冬季时间短，气候炎热多雨，沿海地区太阳能、风能资源一般，可重点发展生物质能等清洁能源，有大量秸秆产生的村庄可考虑建设相对集中、规模较大的沼气系统。像北京、天津、河北、山东等寒冷带地区，可考虑开发风能、光能、地源热泵等，而福建、广东、海南等夏热冬暖地区，由于冬季采暖率不高，使得地源热泵的节能效率不高，不建议采用地热资源。另外，在电力网架比较完善的基础上，重点提升全面感知量测能力以及供电服务能力，大力推广电力、天然气等清洁能源。东部地区的能源使用较其他地区更加多元化，图6为东部地区农村能源开发利用模式。

表1 农村能源传统供能模式与开发利用模式对比Table 1 Comparison between traditional energy supply mode and development and utilization mode of rural energy

图6 东部地区农村能源开发利用模式Fig.6 Development and utilization model of rural energy in eastern China

2.2 中部地区农村能源开发利用模式

中部地区气候适中，秸秆资源丰富，结合畜牧业可重点推广沼气工程，发展沼气等生物质能，推动沼气发电和集中供气。太阳能、风能资源一般，由于部分地区存在冬季取暖需求，可考虑开发地源热泵、清洁炉灶等技术。另外，继续实施农村电网完善工程，对农网薄弱地区进行改造。中部农村能源开发利用模式见图7。

图7 中部地区农村能源开发利用模式Fig.7 Development and utilization model of rural energy in central China

2.3 西部地区农村能源开发利用模式

西部地区包括西北严寒地区和西南四季温和地区。西北严寒地区冬季漫长严寒，农户能源消费主要用途为冬季取暖，而太阳能、风能、秸秆等可再生能源丰富，大力发展生物质能、光伏、风电、清洁炉灶利用，适当发展地热利用。西南温和地区夏季炎热多雨，水电资源丰富，太阳能资源较丰富，风能资源一般，开发小水电、光伏等利用。总之，西部地区在完善电力基础网架的基础上，应大力发展光伏、风电、水电等利用，有条件的地区发展生物质能，解决部分新能源资源禀赋较丰富地区的能源供给问题。西部农村能源开发利用模式见图8。

图8 西部地区农村能源开发利用模式Fig.8 Development and utilization model of rural energy in western China

2.4 东北地区农村能源开发利用模式

东北地区四季分明、寒冷期长、日照丰富，农村采暖季较长，农户生活用能主要用途就是采暖。由于该地区属于太阳能较丰富地区，可开发建设太阳能热水器提供生活热水，减少薪柴或者矿物燃烧；秸秆资源丰富，利用秸秆开发生物质能等清洁能源利用向农户供应燃气用于生活；开发地源热泵与其他冷热源结合使用的复合式能源系统解决冬季采暖问题。图9为东北农村能源开发利用模式。

图9 东北地区农村能源开发利用模式Fig.9 Development and utilization model of rural energy in northeast China

3 我国农村能源开发利用技术及商业模式

3.1 我国农村能源开发利用技术

我国农村能源开发利用模式从组成上看，包含分布式电源、热源、气源、储能装置等等，包含冷、热、电、气等多种可调节负荷。作为一个以电力为中心、多种能源耦合的综合能源体系，打破了既有的电、热/冷、气独立供能模式，是一种提升农村能源效率的新型能源开发利用模式。因地制宜地开发利用农村能源，通过科学的转换技术为农民生产、生活提供能源。

我国农村能源开发利用能量流图见图10。在农村能源开发利用模式中，农民生产、生活用能主要通过生物质能利用、太阳能集热、分布式电源、农村电网等技术手段获取[16]。

农村能源开发利用模式能量流动关系复杂，供能系统中包含风机、光伏、储能、冷热电三联供机组、燃气锅炉、地源热泵等设备。分布式电源、冷热电三联供机组在发电的同时，输出冷/热量供给冷/热负荷，多余的电量还可以并网上网；在供能不足时，可由燃气锅炉、地源热泵等提供热负荷，大电网向当地用户输送电能[17]。

从能源开发利用的技术上，主要使用了分布式发电技术、生物质转换技术、太阳能集热技术、储能技术4大类，特点及难点对比见表2。

1)分布式发电技术。在我国农村，分布式发电技术应根据当地的实际情况，发挥能源优势，采用合理科学的分布式电源组建分布式发电技术，将太阳能、风能结合使用，推进风、光、生、储一体化运作，因地制宜的组建微网为农户提供生产、生活用能，多余电能还可并网上网，获得经济效益[18]。但是，农民对分布式发电认识程度不高，政策扶持不明显，加深了农村分布式发电发展的难度。

2)生物质能转换技术。生物质能是我国农村的传统能源，摒弃直接燃烧的方式，建设沼气池、沼气工程、秸秆气化工程，发展以沼气为纽带的能源开发利用模式，通过转换技术获得沼气，还可利用沼气发电获得电能。根据研究表明，农户建设一个沼气池，每年可节省农药、化肥支出近200元，生活炊事燃料近400元，经济收入增加3 000～7 000元，产生的沼气可另2 333 m2的森林免遭砍伐，还可使农户节省秸秆薪柴收集时间，增加劳动时间，改善家庭收入[19]。沼气池在日常生产和维护中，需要农户具有一定的技术水平。

图10 我国农村能源开发利用能量流图Fig.10 Energy flow chart of rural energy development and utilization in China

表2 我国农村能源开发利用技术的特点及难点Table 2 Technical characteristics and difficulties of rural energy development and utilization in China

3)集热技术。通过集热技术可以有效的利用太阳能，主要为太阳能热水器。但是，太阳能热水器水温取决于天气，而且北方冬天水管容易冻结，成为太阳能热水器在农村发展的瓶颈。

4)储能技术。由于分布式能源发电具有随机性、波动性特点，为保障电能供需平衡，利用储能技术在电能充沛时，多余电力储存起来，在晚上或者大风发电机组停运时，释放出储存电能满足负荷需求。储能装置的成本过高是限制其在农村大量推广应用的瓶颈。

3.2 我国农村能源开发利用商业模式

农村地区用能分散，分布式能源项目单体量小、总体量大，针对城市园区的综合能源服务商业模式不适用于农村能源发展。现提出一种“BT-能源合作社”商业模式，带动农村能源发展。

BT(Build-Transfer)即为“建设-移交”，是政府利用非政府资金来进行非经营性基础设施建设项目的一种融资模式。指一个项目的运作通过项目公司总承包，融资、建设验收合格后移交给业主，业主向投资方支付项目总投资加上合理回报的过程[20]。

“能源合作社”是指由若干个用户公共拥有的能源设施，这些设施仅对产权拥有者提供电能、热能以及其它能源。由于合作社不是法人，所以需要大家共同委托一个专业公司进行运营管理，并向各会员代收代付相关费用[21-22]。

将2种模式结合，即政府通过招标，与中标能源建设公司签订BT协议，将能源项目委托项目中标人前期建设，政府向建设公司支付总投资，并对建设全过程进行监督。在建设完成后能源项目产权移交给农民用户，农民对能源自发自用(图11)。

图11 “BT-能源合作社”商业模式Fig.11 “BT-energy cooperative” mode

在农村地区引入“BT-能源合作社”模式，通过村民联合自治，解决供能问题，降低用能成本。比如农村建设光伏发电项目，由政府投资建设，通过项目招标选择光伏企业建设分布式光伏电站，政府对项目建设进行监督。建设完成后，向光伏企业支付建设资金，将项目产权移交给农民，农民拥有该项目产权，日常管护运费费用由农民负责。农民自发自用，多余电能并网销售给电网公司，收益归农民所有。图12为新建光伏电站“BT-能源合作社”商业模式。

图12 新建光伏电站“BT-能源合作社”商业模式Fig.12 Business model of “BT energy cooperative” for new PV power station

4 我国农村能源体系建设的主要问题及建议

我国经济已进入新的发展时期，在国民经济持续快速增长、工业现代化进程加快的同时，资源和环境制约趋紧，能源供应出现紧张局面，生态环境压力持续增大，农村能源体系建设也存在一些问题。为了能够在《乡村振兴战略规划》要求下，推进农村能源消费升级，大幅提高电能在农村能源消费中的比重，推广农村绿色节能建筑和农用节能技术、产品，本研究针对农村能源体系建设的主要问题提出相应的建议。

4.1 农村能源体系建设主要问题

1)农村能源推广落后。近些年，我国农业生态环境保护工作不断加强，各省在农业行政主管部门陆续增设了相关机构。截止到2016年年底，全国各地区乡镇、农村文化教育设施也未达到100%普及。可见，农民文化素质的提升是一项投放大、见效慢的长期性、系统性的工程。

农村能源推广利用主体是农民，文化水平低、观念落后、思维定势是农民和农村技工的通病[23]。在农村能源建设中，专业技术人才的缺乏，科学技术水平的低下，使得一些新型能源项目无法在农村推广利用，农村能源建设不能顺利开展。因此，发展壮大农村能源人才队伍，加强农村农民文化教育，是推动农村能源事业可持续发展的当务之急。

2)农村能源发展基础设施建设落后。农村能源发展基础设施建设缓慢。天然气作为一种高效、优质、清洁、经济的能源，在居民炊事、取暖、发电等方面均具有较强的综合利用价值。然而，截止到2016年，全国却仅有1/10的乡村通有天然气，其中，西部地区的陕西、四川、新疆天然气储量最为丰富、产量也最高，也仅仅只有不到20%的乡村通天然气。可见，发展技术及资金投入不足，导致农村能源基础设施老化，难以满足能源的发展需求。

3)农村能源开发制度政策落后。1980年第一次全国农村能源研讨会是农村能源建设的重要转折点，直到1982年才最终确定农村能源政策框架，此后确定了农村能源的建设方针“因地制宜，多能互补，综合利用，讲求效益”。我国农村能源管理上涉及水电、农业、林业以及发改等多个部门，针对农村能源管理工作各司其职、各负其责，其由于政出多门的管理体系造成了相互衔接不良的问题[24]。另外，我国农村能源政策目标模糊，意图在于缓解农村能源的供应短缺，但究竟如何解决农村能源问题却是不清楚的。由此带来农村能源政策推进困难，导致农村能源建设缺乏有力政策支撑，使我国农村能源建设举步维艰。