光伏、热泵和电动汽车融合应用将有利于中国和德国农村地区的能源转型

农村能源转型研究——以中德两个村庄为例

Energy transition in rural areas, source: shutterstock

与城市或工业部门的低碳转型相比，农村能源转型往往受的关注较少，尽管农村地区在分散式可再生能源发电方面有巨大的潜力，并有可能实现高能源自给率。《中德低碳农村能源转型之路》研究报告分享了德国伍珀塔尔大学和伍珀塔尔研究所以及中国科学院应用生态研究所的两个研究小组围绕农村低碳能源转型的相关结果。该报告以中德两个乡村（中国山东省的东桥头村和德国巴伐利亚州的施瓦格村）作为案例，开展比对研究。研究结果显示，将太阳能、热泵和电动汽车的智能充电融合应用起来，可以提高农村地区的能源供应自给率，增加能源供应自身韧性，降低电网成本。

该研究在德国联邦经济和气候保护部（BMWK）委托、德国国际合作机构实施的中德能源转型研究项目框架下开展。

研究背景：为什么开展农村低碳能源转型研究？

在中国，围绕能源转型的相关讨论往往集中在工业或城市领域。鉴于中国快速发展的城市化，以及城市和工业部门的高比例能源消耗，人们很容易忽视中国广大的农村地区，尽管这些地区拥有超过5.09亿人口，占总人口的36%。实现农村地区的低碳能源转型是实现中国在2030年前碳达峰和2060年碳中和这一国家气候战略和目标的一个重要部分。

而德国已经设立了2045年实现气候中和的目标，实现这一目标，德国必须大力发展可再生能源。德国实现气候目标还意味着需实现交通和供热部门的电气化，这些部门目前仍然依赖化石燃料。供热和交通的电气化将进一步增加电力需求，这也就突出了分布式可再生能源对减少能源进口和电网升级需求的重要性。

分布式风能和太阳能光伏处于德国低碳能源转型的最前沿，通常由个人或小型社区直接拥有。与城市地区相比，中国和德国的农村地区往往拥有更多的本地可再生能源资源和更多的空间来部署可再生能源发电技术。因此，农村地区更有可能利用当地的可再生能源资源实现高度的能源自给自足。但德国农村能源转型也是一项持续推进中的工作。农村地区有足够的空间来采用和推广电动出行和高效的供热和制冷。

一般来说，与城市地区相比，农村地区往往存在各种结构性弱点，反映在收入较低，就业机会较少。例如，2019年巴伐利亚州农村地区的人均收入比城市地区的人均收入低9.3%。在中国，城乡收入的差异则比德国更明显。

这项研究试图通过量化今天的能源生产和消费，以及分析未来的能源情景，来理解和比较中德乡镇和农村地区的不同清洁能源未来。我们对位于慕尼黑机场附近的巴伐利亚州施瓦格村和山东省的东桥头村进行了比对案例研究。两者都是典型农业村镇，但德国农村地区的人均收入远远高于中国，并且安装了更多的分布式能源发电设施。东桥头村的能源供给目前以煤炭、电力和石油为主，但大多数村民住宅上安装了太阳能热水器。该地区的光伏发电量很小，只有大约5%的家庭安装了光伏发电设备。

研究方法：2030年农村家庭能源系统模型

两个研究小组都采用了在村庄里收集的问卷调查数据。研究人员收集了两个村庄的能源生产、消费和村民家庭能源相关行为的数据。这些调查数据结果在一定程度上得到了公开统计数据的补充和验证。为了开发能源自给潜力和可能的未来发展路径模型，两个研究小组对2030年之前的能源转型速度和雄心进行了不同的情景假设。情景涵盖了太阳能光伏发电的扩张以及热泵和电动汽车使用的渗透程度。研究团队绘制了家庭电力负荷曲线，从而能够预估典型的夏季和冬季能源生产和消费模式，并显示出在不同的情景下，可再生资源能够满足多少能源需求。

研究建模和分析成果汇总

分布式能源和能源自给自足无论在德国还是中国都有吸引力。

在德国的农村地区，分布式光伏发电、电动汽车和热泵可能会继续增加，从而为该地区提供了很高的能源自给自足潜力。同样，我们发现中国山东的东桥头村有潜力通过电动汽车和光伏发电提高其能源自给率，即使其能耗可能因未来地区经济发展、收入增加而上升得更快。

在德国，热泵的广泛应用和建筑的隔热性能有助于减少太阳能可变性的影响。

采用分布式可再生能源发电将使日常的电力供应和负荷更加不稳定--鉴于光伏发电可能占当地发电量的四分之一，并在夏季远远超过所有家庭月度用电总负荷。热泵和隔热性能良好的住宅建筑在帮助稳定家庭电力净负荷方面有很大潜力。虽然目前施瓦格村的热泵安装率较低，但到2035年，62%的家庭有可能安装热泵。电动汽车的普及和定时充电也可发挥一定的作用，但由于电动汽车的负荷预计只占总能耗的4-5%，而供热和制冷的负荷则为16-17%，所以作用相对要小得多。由此可见，为热泵的灵活应用创造技术和监管的先决条件是非常重要的；同时这一点也可涵盖储能，从而充分利用富余的光伏电力。德国的太阳能光伏出力较中国山东省季节性波动更强，这意味着在德国农村地区，对季节性平衡或季节性储能技术的需求相对更大。

在中国的农村地区，未来分布式能源发电技术普及的确定性更低一些，但潜力巨大。

在中国，生物能源将在促进乡村可再生能源消纳方面继续发挥更大的作用。虽然分布式光伏、热泵或电动车的普及存在不确定性，但本研究中采用的情景和预测显示，到2030年，这些技术的应用将大幅提高，特别是光伏。与德国相比，山东的太阳能受季节性影响较弱，这意味着将太阳能与储能结合起来应该相对更有吸引力--无论是通过电池储能或电动汽车的车辆到用户或车辆到电网（V2G）技术来实现。对那些既需要制冷又需要供热的家庭而言，热泵是一种经济的选择，这也适用于山东省。在现有的发展模式下，2020年该村的能源自给率为16.8%，代表一年内生产的能源与消耗的能源的比率。根据乐观发展情景，能源自给自足率到2025年可能达到80.70%，2030年达到126.16%。

未来发展潜力和政策建议

施瓦格和东桥头的研究表明，尽管中国和德国的经济发展水平不同，能源转型所处的阶段也不同，但两国的农村地区都有潜力在本国的能源转型进程中发挥重要作用。

虽然农村的能源自给率可以达到相当高的程度，但由于白天可能出现大量的光伏发电过剩，但夜间却无法满足用电需求，最终阻碍实现100%的能源自给自足。白天光伏发电与夜间电力需求的错位在某种程度上可以通过储能技术来弥补，如白天利用热泵加热热水，或利用电池储存富余电力。然而，结合目前的电池储能技术成本，即使技术上可行，想要有效储存所有的富余电力经济性较低。

一个更平衡的方法是，不以实现100%能源自给自足或电力孤岛为目标，而是将稳步增加当地的可再生能源输出，逐步升级当地电网，并通过智能化热泵利用和电动车智能充电来激励平衡峰值负荷。这种方法有几个优点：村庄可以大大减少对电力和燃料进口的依赖，并可以从夜间较低的电价中受益，来补偿他们无法通过当地资源来满足的电力需求部分，这就释放了此前被捆绑在能源支出上的家庭资源，用于其他如教育、投资或国内消费等目的，这将有助农村发展和生活水平的提高。

在德国，电网运营商应调整电网，使其适应越来越多分布式发电设备日益增长的馈电量，并加强其向高压电网馈电的能力。这也包括推动电力基础设施的数字化，以便电网公司能够灵活、快速地管理日益分散和波动的电力系统。对分布式光伏业主的激励措施应促进在负荷峰值期的自我消纳或馈入，并优化此类系统接入电网的操作友好性。

激励机制应通过减少或完全消除因储存剩余电力而产生的任何费用来有效推动家庭储能装置的应用，并使储能用户在高电力需求时以辅助服务的形式出售平衡电力。车辆到电网（V2G）技术可以发挥一定的作用，在没有光伏发电或光伏发电量较低的情况下，将电动汽车电池中的电力反向回馈到电网中，理想情况下可以减少电网的成本。然而，车辆到电网（V2G）对汽车和充电基础设施有一系列技术条件要求，并需要清晰的法律和市场框架支持，才能真正有助于电网的运行。通过项目试点和政策倡议可以推动这一技术的推广。

在中国，重要的是扩大和调整配电网，以实现更多的分布式可再生电力的馈入。电网运营商应加强与社区协调和规划，共同确定规划时间框架内预期的可再生能源新增容量。一方面，电网的扩建必须在可接受的成本范围内跟上步伐；另一方面，电网容量瓶颈不应阻碍分布式可再生能源的进一步扩展。

通过热泵普及实现供热电气化是农村能源转型的一个重要部分，如果在此基础上能够与自产的光伏电力和一定程度的储热技术相结合，从而在夜间提供热力，那么热泵技术则将特别具有吸引力。由于热泵的前期成本较高，可能需要政府财政支持和更严格的建筑能效标准来推广该技术。在农村地区，如果村民采用电动车（两轮、三轮、四轮），特别是在白天利用大量的太阳能光伏电力为车辆充电，那么他们几乎可以抵消当地对能源进口的需求。

这项研究表明，在农村地区，利用光伏、热泵和电动车来补充集中电力生产和电网潜力巨大，在助力加速能源转型的同时，降低投资成本，增强能源系统的自身韧性，同时增加农村生活的便利性。

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