吉林省新能源与农业农村电气化协同发展路径研究

李宇星杨怡楠王鑫红王鼎衡夏语婕苏钧驿李昊

(1.国网吉林经研院，吉林 长春 130000；2.国网吉林供电公司经济技术研究所(设计院)，吉林 吉林市 132000；3.吉林大学，吉林 长春 130022；4.合肥工业大学，安徽 合肥 230009)

引言

2020年7月，习近平总书记在吉林省考察时指出，东北是世界3大黑土区之一，是“黄金玉米带”、“大豆之乡”，黑土高产丰产，同时也面临着土地肥力透支的问题。一定要采取有效措施，保护好黑土地这一“耕地中的大熊猫”[1]。吉林省地处东北亚合作中心枢纽，在国家粮食安全、生态安全和能源安全方面的战略地位十分重要。吉林省委省政府贯彻新发展理念，提出“三个五”发展战略，从农业现代化和新型城镇化、生态文明建设等5方面做出重要部署。吉林省新能源储量大、化石能源储量不足、火电规模大，但电煤依赖外运，随着“碳达峰、碳中和”目标提出，大力发展新能源既是资源禀赋和经济发展要求，也为新能源与农业农村电气化协同发展奠定坚实基础。

1 吉林省新能源与农业农村电气化协同发展潜力分析

1.1 新能源驱动能源转型发展的潜力巨大

吉林省风光资源质优量足，全省风光资源可开发容量约为1.15亿kW，而现有风光装机仅为920万kW，不到储量的10%。人均用电量及人均生活用电量将显著提升，2020年吉林省全社会用电量805.4亿kWh，人均用电量和人均生活用电量分别为3346kWh/人和586kWh/人，处于工业化阶段后期[2]，随着全省经济社会发展的不断提升，用电需求将逐步增强。非化石能源消费占比存在提升空间，2020年吉林省非化石能源消费占比11.5%，低于全国15.9%的平均水平，随着“碳达峰、碳中和”方案的稳步实施，以电为中心的非化石能源消费量将显著增加。同时，全省能源供需仍面临以下挑战：对化石能源的依赖大，同时本地供给不足，2020年，全省煤炭自给率为10.8%，原油自给率为39.6%[3]。以热电联产为主的煤电仍是主导电源，电源结构以煤电为主体，装机占比超过50%，灵活性调峰电源比例较低。但风电的波动性和间歇性对调峰需求大，需求侧调节能力尚未充分挖掘。

1.2 农业农村能源消费模式转变空间较大

2020年吉林省粮食产量达到380.3亿kg，连续8a稳定在350亿kg以上阶段性水平，稳居全国第5位，粮食单产居全国第4位。乡村生产生活存在以下特点：农业机械化发展不平衡不充分问题突出，农机装备生产制造水平有待提高[4]，截至2019年底，省内农业机械总拥有量达到883万台，农业机械总动力1.097亿kW，主要类型涵盖拖拉机及配套机械、种植业机械等，受作业规模、组织方式等因素限制，农机技术相对落后，传统的机械化作业难以满足农业精准作业的需要。传统农机基本由柴油、内燃机驱动[5]，农业机械动力依赖化石能源，全省农业机械动力基本以柴油、汽油等一次化石能源为主，占比达到96.1%；粮食加工、饲料加工等少部分农业机械以电动机为动力，占比仅为0.7%。农村电网可靠性、稳定性、智能化检测控制及电力调度能力仍较低[6]，吉林省农村电网网架结构相对薄弱，以辐射式为主，单线或单变占比高；10kV线路联络不足，对上级电网支撑能力有待加强，存在部分“卡脖子”和老旧设备，智能化水平有待加强，与分布式电源接入需求之间的矛盾突出。

2 吉林省新能源与农业农村电气化协同发展形势分析

2.1 新能源发展形势分析

2.1.1 吉林省新能源发展现状分析

2010年以来，吉林电网新能源装机容量快速增长[7]。截止到2019年底，全省新能源装机容量已突破8×300MW，年均增长率达16.2%，占全省电源装机总容量的26.6%。而在新能源装机容量高速增长的同时，往往会出现弃风、弃光率居高不下的情况，主要原因有2个，调峰限电与网架限电。调峰限电是由于新能源装机占比高，电网调峰能力不足，受电力平衡条件限制，无法消纳新能源发电电力；网架限电是由于电网输送能力不满足新能源发电送出需求，受电网稳定条件约束，限制新能源发电电力。

2.1.2 吉林省新能源发展形势分析

2021年1月25日，吉林省第十三届人民代表大会第四次会议听取了政府工作报告[8]。在新能源产业方面，报告指出，吉林将积极打造国家级消纳基地、外送基地、制氢基地。开发建设白城、松原2个新能源产业示范园区，抓好松原长青等12个生物质热电联产项目建设。在重大项目建设方面，将打造“两横两纵双环”电网，完善500kV电网结构，启动“陆上风光三峡”工程，推动“吉电南送”特高压通道建设。将启动二氧化碳排放达峰行动，加强重点行业和重要领域绿色化改造，全面构建绿色能源、绿色制造体系，建设绿色工厂、绿色工业园区，加快煤改气、煤改电、煤改生物质，促进生产生活方式绿色转型。

2.1.3 新能源技术特性及源荷匹配度分析

新能源发电具有高度的间歇性和不确定性，为保证电力发、用电电力实施匹配，需要从电源侧及负荷侧提升电力调度能力。电源侧调节方面，当新能源电力处于高发时期，应及时压低火电机组或水力机组出力，适时将具有储能功能的电力设施由发电状态转变为用电状态；相反，当新能源电力处于低发时期，应及时提高火电或水力机组出力，将储能设施由用电状态转变为发电状态。负荷侧调节方面，通过需求响应、有序用电，实现负荷侧用电积极响应新能源出力，目前，省内外针对负荷侧提升调节能力，主要从电力交易机制予以实现，通过峰谷电价、需求响应电价机制等手段，规定低用电成本的时段，以价格信号间接引导负荷侧参与电网调节；随着负荷侧用电智能化水平的逐步提升，如分布式储能、制氢、蓄热式电采暖等设施的规模提升，未来负荷侧参与电网调节的规模和能力将显著增强。

2.2 乡村生产生活电气化需求分析

2.2.1 农业现代化及新型城镇化建设对电力需求提升

农业现代化涉及农田排灌、作物烘干、农机作业、设施农业和粮食储运等各个环节，相关设备设施目前仍以柴油、内燃机驱动为主导，同时，随着新型城镇化建设的有序推进，农村电网网架结构将进一步完善，农业农村电气化水平将得到较大提升。

2.2.2 保护性耕作及碳减排驱动农机向电气化发展

电气化相较于传统能源有控制精确、结构简单、用能高效、低碳环保等特点，同时电池、电机、电控以及动力电池充换电技术成熟，实施农机电气化可以提高作业精度、节约种子和化肥。农机动力设备的电气化，可以降低对化石能源的过度依赖，减少二氧化碳和污染物排放。

2.2.3 清洁取暖有待向农村延伸推广

农村地区取暖方式较为粗放，以燃烧秸秆和散煤为主，随着清洁取暖设施的大力推广，清洁取暖技术水平不断提升，设备成本呈显著降低趋势。考虑到当前农村建筑节能仍处于较低水平、清洁取暖设备投资及运行成本仍处于高位，清洁取暖技术将以特定区域应用为主，并逐步推广应用。

2.2.4 农村分布式电源发展空间较大

吉林省西部、中部地区风光资源储量丰富，农村闲置土地资源体量庞大，电力交易品种有待进一步丰富。随着农村电网架构的不断完善，分布式风电、光伏可进一步应用于农村生产生活，与民居、设施农业、养殖业结合建设发展。

2.2.5 移动式能源供给将是农业生产用能的有力补充

电网企业近年来完成了“井井通”和“村村通”动力电工作，较好地保障了农民生产生活用电，切实转变了十几个户使用一个机井灌溉农作物的局面。然而“井井通”资源在吉林省仅用于农田灌溉，在播种施肥、田间植保、农作物收获等环节，且仅应用于部分地区，发挥作用有限。随着未来农业生产电力需求的提升，“井井通”模式难以进一步扩大规模，因此，有必要探索动力电池作为移动式能源供给设施，从时间和空间上，灵活满足农业生产电力需求。

2.3 乡村生产生活电气化技术特性分析

实现碳达峰、碳中和，能源系统减排将发挥主导作用。随着能源转型，电力系统新能源装机占比不断增高，新能源发电的波动性和间歇性要求电力系统的调节能力与之相适应。农业生产和农村生活对成本敏感，可通过机制发挥新能源低边际成本优势，因此，需要激励灵活性资源的调节能力，深度适应新能源波动性。

2.3.1 电气化农业机械具有较强的用电可控性

农业机械作业时间段较为规律，在农忙时节一般在白天频繁实施作业，在夜晚时段可放置在农机合作社或村民住宅集中充电。由于对动力电池充电的时间跨度较长，可充分结合农村电网负荷状态及所在台区的变电站负载率，对充电功率和时段进行智能化控制，充分发挥充电设施可控性参与到电网削峰填谷调节中，同时，可通过电力辅助服务降低终端用电成本。

2.3.2 电动农机动力电池可作为分布式储能

农业生产季节性强，一般情况下，同一类农机作业周期仅7～14d，各类农机全年累计不超过2个月，电动农机动力电池可以充分利用农闲季节发挥储能作用。据不完全统计，吉林省现有农机总动力超过1亿kW，将相关动力环节实施电能替代，并于农闲季节作为分布式储能，则农村电网参与电网调节的能力将十分可观。

2.3.3 粮食烘干储运电气化

农作物烘干、农产品加工储运等作业，具有能源需求量大、紧迫程度不高的特点。相关设备设施，可以通过合理安排作业工序、优化用电时间，有效降低作业能耗。同时，对于相同区域、同一类型的作业设备，可以实施细化能源调度，以更长时间窗口的有序用电策略，参与到区域电网调度，削减区域电网峰谷差。

2.3.4 以清洁取暖提高电力系统调节能力

随着新型城镇化建设，农村传统散煤或燃煤锅炉取暖模式，有望向生物质、电能清洁取暖方式转变。小型生物质热电联产设施、以蓄热式电采暖为代表的电能清洁取暖，将一定程度上改变现有农村热电解耦的能源消费模式。在有效响应电网调度需求的同时，保障区域供暖需求，减少二氧化碳及烟气粉尘排放。

2.4 农业农村电气化典型场景

根据应用场景，未来在农业农村实施电气化提升可主要应用在农业种植、农业机械、电采暖等方面[9]。

2.4.1 农业种植

农业种植电能替代技术主要包括大棚电卷帘、电补光技术。电动卷帘技术主要是指对农业大棚覆盖物、遮盖物进行电动卷放的设备。此技术控制高效便捷，减轻劳动强度；缩短卷放保温被时间，延长光照时间，提高作物产量。电补光技术是利用特定光谱为温室植物光合作用提供生长发育所需能量的一种电能替代术。此技术配光合理均匀，光输出稳定，节能环保。

2.4.2 农业机械

电动农机可以广泛应用于玉米播种、收获、运输、田间植保等各个环节，如电动播种机、电动三轮车、自走式喷药机。电动农机相较于传统农机有控制精确、结构简单、用能高效、低碳环保等特点，能够减少农业机械对土壤的扰动、降低不必要的化肥等农资浪费。同时电池、电机、电控以及动力电池充换电技术成熟，具备应用于农机领域的条件。

2.4.3 电采暖

农村取暖以散煤和秸秆燃烧为主，以取暖和热电联产为主的煤炭消费量常年居高不下。针对此现象，电网公司大力推进电采暖技术的应用。电采暖技术根据“电-热”转换技术、技术路线等的不同，可分为直热式、蓄热式、热泵式3类。电采暖技术综合热效率可达到80%以上，远高于其它类型采暖方式，节能减排，运行成本经济实惠。

3 新能源与农业农村电气化协同发展路径分析

吉林省委省政府提出建设“陆上风光三峡”工程，助力打造松辽清洁能源基地，积极推动乡村振兴和黑土地保护，构建现代农业产业体系、生产体系、经营体系。在此背景下，深度挖掘农业农村电力调节能力，推动新能源发展，打造以电为中心的乡村能源应用体系，具有重要的现实意义和引领作用。新能源与农业农村电气化互有需求，相得益彰，但在现实发展中存在重大障碍，动力电池的高成本严重阻碍了农业电气化进程。为破解发展难题，本文基于大量调研和分析，提出新能源与农业农村电气化协同发展方案。

3.1 统一农机电池标准，创新“循环利用”应用体系

电动农机发展仍处于初始阶段，相关标准体系仍未健全。因此，有必要做好顶层设计，统一建立外形尺寸、补能方式及通信规约等标准体系。考虑不同类别农机只用于特定季节的特点，通过标准化体系的构建，促进农机动力电池在农业作业季节高度适配、利用率提升，实现动力电池在各类机械上循环利用，提升动力电池价值。

3.2 大力推进电动农机发展，探索“共享利用”商业模式

农机动力电池的“循环利用”应用体系为电池拆卸、集中充放电提供了技术保障。在此基础上，可延伸探索“共享利用”商业模式，在农忙季节，将动力电池或电动农机租赁给农户，以租金的形式获取基本收益；在农闲季节，通过农机动力电池集中调控参与新能源消纳，大幅提升电力系统调节能力。同时，通过“机电分离”降低农机购置成本，以电能替代降低农机运行成本。

3.3 发展分布式电源及电能取暖，通过参与电力调节降低成本

蓄热式电锅炉调节能力强、技术成熟，通过集约管理，参与电力调节获得低价电力，可进一步降低运营费用，能够较好地满足新型城镇化取暖需要。在具备条件的区域发展分布式电源，充分发挥农村闲置土地资源，降低分布式电源配套成本，推动乡村分布式电源发展。

4 总结与展望

目前，吉林省甚至全国范围内，以电为中心的乡村能源应用体系仍处于初始阶段，针对于电动农机、蓄热式电采暖、分布式储能等政策引导和财政支持有待加强，相关市场机制仍需逐渐完善，技术创新和机制创新的潜能需要进一步释放。因此，需要加强顶层规划设计，结合各地区乡村发展水平和特点，因地制宜制定不同形式的乡村能源发展路线，推动新能源与农业农村电气化协同演进。