中德低碳农村能源转型之路-中德能源转型研究项目.pdf

1 中德低碳农村能源转型之路 村庄能源自给自足及部门耦合案例研究 中德能源转型研究项目 2 出版信息 中德农 村低碳 能源转 型之路 介绍 了中德 两国农 村低 碳清洁能 源转型 潜力的 平行 研究成果 ，并提 出了促 进清 洁能源政 策、加速 能源转型 的相 关建 议。该报 告在德 国联邦 经济 和气候保 护部（BMWK ） 支持 的中德 能源转 型研究 项目 框架内发 布，中德 能源转 型研究 项目 是德国联 邦经济 和气候 保护 部（BMWK ）与中 国国家 发 展改革委 和国家 能源局 在能 源领域的 官方合作 机制 中德 能源 与能效合 作伙伴 关系的一 部分 。德国 国际合 作机构 GIZ 、德国智库 Agora 能 源转 型论坛和 德国能源 署（dena ）受 BMWK 委托，与 中方相 关合作 伙伴共同 实施该 项目。 作为一家 德国联 邦企业 ，德 国国际合 作机构 为德国 政府 实现可持 续发展 国际合 作目 标提供相 应支持 。 出版 方 中德能源 转型研究 项目 受德国联 邦经济 和气候 保护 部（BMWK ）委托 北京朝阳 区亮马 河南路 14 号塔园外 交办公 大楼 1- 15-1 邮编100600 德国国际 合作机 构 GIZ Torsten Fritsche 科特纳大街 2 号 德国柏林 10963 项目 负 责人 Anders Hove 侯安德 德国国际合作机构 GIZ 作者 薛冰，李宏庆，中国科学院应用生态研究所 Michael Popp, Markus Zdrallek, Jessica Stephan, Sven Pack, 伍珀塔尔大学 Ulrich Jansen, Thorsten Koska，伍珀塔尔机构 Anders Hove 侯安德，Philipp Geres，德国国际合作机构 （GIZ） 设计 刘雪玲，德国国际合作机构（GIZ） edelman.ergo（受德国联邦经济和气候保护部委托） 图片 德国联邦经济和气候保护部/封面，P 12 Shutterstock_108342809/P 10 北京，2022 年 5 月 本报告全 文受版 权保护 。所 包含信息 由编者 结合所 知， 遵循良好 科学实 践原则 编撰 而成。作 者相信 报告中 的信 息是正确 、完整 和最新 的， 但不会对 任何明确 或隐含 的 错误承担 责任。 本出版 物中 链接的外 部网站 内容将 由其 各自出版 商全权 负责。 本文 件的陈述 不一定 反映客 户的 意见。德 国国际 合作机 构（GIZ ）对报告 引 用的地 图是 否是最新 、准确 或完整 的不 承担任何 责任，也 不承 担因 其使用而 导致的 任何直 接或 间接损害 责任。3 目录 执行摘要 4 引言 . 5 东桥头村和施瓦格村的比较 6 巴伐利亚 州施瓦 格村 6 东桥头村 6 施瓦格村 和东桥 头村的 比较 8 中国和德国的现状和政策框架 11 德国的政 策 . 11 中国的政 策 . 11 方法和分析 13 分析 施瓦格 村 . 21 研究问题 、假设 和方法 东桥头村 . 28 调查结果东 桥头村 33 分析 东桥头 村 . 34 关于两种 研究方 法的差 别的 讨论 . 39 2030 年德国和中国的一个村庄 . 40 政策建议 41 结论 . 44 附件 . 45 参考文献 48 4 执行摘要 农村 地区在低碳能源转型中发挥着至关重要的作用， 因为他们有充足 的开放空间和相当大的能源消耗。然而， 许多关于低碳技术应用或低碳能源系统预测的分析都 忽 略了 农村社区 ， 而 更多的关注富裕地 区、 城市社区或 已 成规模的 可再生 能源生 产和 存储的公 用设施 。 中德能源转型项目在 报告编写过程中，汇聚了能源 建模和农村生态学相关学者， 对 清洁能源技术如何影响 德国和中国农村地 区的能源流动和碳排放开展了调研和 分析 。 本 报告 是 基 于对两个村庄中国山东省东桥头 村和德国巴伐利亚州施瓦格村（Schwaig ）的案例 研究 结果， 分析了 如何加速农村地区清洁能源转型， 研 究 了 农村社 区通过提高能源供应自给自足能力 来 提高 自 身韧性、 降低用能 成本 的潜 力。 在山东省东桥头村的案例中，研究者考察了整个村 庄，通过访谈并 结合 自上而下和自下而上的分析 方 法， 开发出了东桥头 村当前及未来能源系统的能量流动模型， 并 进行了情 景分析。通过分析发现， 东桥头村具备依靠 光伏和热泵（用于 供热以及供冷）满足其大部分用 电及 供热/ 供冷需求的潜力。随着电动汽车占比的不断提高， 村民可以在日间时 段利 用太阳能给车辆充电，省下购买 燃料的支出。加速 推进村庄采用光伏板和太阳能路灯的 计划，不仅可以帮 助居民节省能源成本，也能推动低碳 社会的发展。未来 ，通过采用电能和热能储存技术，可 以进一步 提高自 给自足 能力 。 在 施瓦格村的案例中，研究者综合利用村庄的 调查 数据、当地公共事 业机构的能源数据以及情景分析，打 造了一个能量流动 模型，完成了情景分析。研究 发现 施 瓦格 村 已经 实现了较高比率的清洁能源自给自足，采用 户用热泵和 电动汽 车可以进一步提高自给自足率。季节 性储能和 电网的 平衡电 力仍 是必不可 少的。 尽管在收入、职业以及当前供热和电力燃料方面存 在显著的差别，但中德两个村庄在清洁能源潜力方面仍 存在着共 同之处 。 通过情景 分析和 预测， 得出 以下结论 分布式能源和自 给自足在 中 德 农村都有吸引力 在 德国，分布式太阳 能、电动汽车和热泵的应用会延续， 从而 使农村 地区拥 有实现能源自给自足的巨大潜力。东 桥头 村具备 使用电 动汽车和太阳能光伏提高其自给自足 程度 的潜力 ，随着 收入的增加，其能耗增长速度会变得 更快。 在德国，热泵和房屋保温有助于降低太阳能可变性 的影响 采 用分布式清洁能源使得日常电力供应和负荷 更 加 不稳定鉴于光伏发电可以占到当地能源产量的 四分之一，远超所有家庭在夏季的月度用电负荷总量 ， 我们估计热泵以及保温良好的德国房屋，在减小 家 庭净 负荷方面具有很大的潜力。虽然奥伯丁（Oberding ）目 前的热泵使用率较低，但根据“dena 95 情景”，到 2035 年会有 62的家庭安装热泵。 电动汽 车的使 用和 定 时充电可能也会发挥作用，但作用会小得多，因为电动 汽 车的负荷预计只占总能耗的 4-5 ， 而 供热和制 冷 负 荷则占到 16-17。 在中国农村地区，分布式能源技术的应用具有更大 的不确定性，但潜力也大 在中 国， 生物 能将 继续 在提 高农村可再生能源占比方面发挥更大的作用。尽管分布 式光伏、热泵或电动汽车的使用存在不确定性，但本 研 究采用的 情景和 预测表 明， 到2030 年，这些技术的应 用 将大幅提高，尤其是光伏。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。基于现有发展 模型，2020 年该村庄的能 源自给自 足率为 16.8；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。 中德两国进行的分析都采用了混合方法，基于现有 数据集、源自国家或地方数据的预估、源 自 施瓦格村 配 电网的数据以及家庭调查，量化了目前的能源生产和消 耗。在进行家庭能源调查时，施瓦格村/ 奥伯丁的调查 回复率为19，东桥 头村的 调查回复 率为18.8。德国使 用光伏、电动汽 车和热泵的情景结 合 了多 种 来源 ， 包括 与当地官员和专家、德国能源署 dena 、Agora 、德国联 邦工业联合会（BDI ）和德国行业协会（BWP ） 的讨 论 。 中国的情景 预估来源于当地调查信息，以 及 对电动汽车 和热泵的 全国及 区域性 预期 发展分析 。 研究人员在两个村庄案例中使用的建模方法有所不 同，所以，最终得出的对两个村庄能源自给自足率的估 计值不能直接比较。例如，在东桥头村，研究人员考虑 了农业废弃物以及所有能源消耗，而在施瓦格村， 分析 中只考虑 了电网 电力和 家庭 电力。 农村能源转型在中德两国都是重要的政策优先事项， 因为农村社区在积极推动能源转型方面发挥着重要作用， 政策制定者 需要确保能源转型能够延伸到农村社 区 。未 来，与此类似的研究可能进一步提高农村居民的意识， 并 促进与政策制定者就如何确保农村地区的公平能源转 型进行的 交流。 5 引言 农村地区参与低碳能源转型并从中受益是至关重要 的。迄今为止，中 国能源转型包括大规模部署风能和太 阳能 、 对煤 电 厂和工业行业进行 能效升级改造以及在主 要城市对电动汽车 等新能源技术进行商业化推广 。 德国 是最早大规模部署 风能和太阳能的国家之一，农村社区 已经从能源设施所 有权的能源转型方式中受益。为了实 现能源转型，中德 两国将 加快部署可再生能源，实现交 通和 供 热 领域的电 气化，并以电热泵或其他低碳方案取 代化石燃料供热 。这些措施将如何影响农村居民的生 活 ， 仍 是一个开 放性 问 题，特别是人们担心电气化趋势可能 需要对农村配电网 进行重大升级。如果分布式能源和 储 能 能够实现 更大程度 的自给自足，这对于农村地区来说 是非常有利的，因 为可以减少基础设施成本，从而降低 电网费用 ，并能 提高农 村地区 整体的 气候韧性 。 中国 对 中国能源转型的 探讨主要聚焦于能源行业或者城 市区域， 在快速 城市化 的背 景下，即 便有 5.1 亿人口生 活在农 村，占中国人 口总数的 36，中国广阔的农村地 区 依然常常被忽视。实现农村地区的能源转型是实现 “能源革命”、“ 乡村振兴”、“美丽中国战略”以及 碳达峰碳 中和在 内的中 国国 家战略和 目标的 重要一 环。 中国农村地区面临着诸多挑战，例如人口老龄化、 土壤和水污染，以 及与大城市之间的巨大收入和贫富差 距。中国农村地区 收入水平较低、技术 陈旧，例 如 二冲 程柴油三轮车或者 使用散煤或生物质取暖等 。很 多 农村 房屋使用的是老旧 的建造方法，保温隔热效果不佳； 电 网 接入有限 。中国 目前正专注于提升农村地区的生活品 质，清洁能源转型 是其中的一部分， 在提高本地空气质 量和日常生活能效 方面有很大潜力。尽管农村地区的人 均能 耗量低 于城市地区，但农村在碳中和方面也能 发挥 重要作用， 不仅可以 通过建设大型能源项目实现 ，也 可 以通过分 布式清 洁能源 技术 以及能效 升级措施 来实 现。 德国 德国能源 转型的 初期动 力源 自1970 年代的石油危机， 但关键的 转折点 是1997 年 签署的 京都议 定书 ，其 中 设定了工业化国家 减少温室气体排放的最早气候政策目 标。 1 2007 年，欧 盟（EU）据 此设定 了减少 温室气 体排 放的气候 、可再 生能源 和能 效目标。 欧盟根 据2015 年巴 黎 协定 和欧盟 绿色协 议稳 步收 紧并 更新了 自身的 目标 。 2 2011 年福岛核反应 堆灾难 发生后， 德国决 定加快 进程 ， 在2022 年之前淘汰核 能。 3 2020 年，德国政府决定 最迟 在2038 年之前关停所 有燃 煤电厂， 而于2021 年12 月当 政 的新联 邦政府 有意 在 2030 年达成 此 目标 。 4 德国旨 在 于 2045 年之前实现气候中 和。 要 实现这一目标，德国必须使用大量的可再生能源， 并大规模扩张分布式能源（DERs ）。这些目标也表明交 通运输和供热部门 必 须实现电气化，摆脱目前所主要依 赖的化石燃料。能源 转型将进一步加大用电需求，这也 将凸显尽可能安装更多分布式可再生能源， 以减 少 对输 入能源及网络升级需求的重要性。分布式风能和太阳能 处于德国低碳能源转型的最前沿，其 产权 往往是归个人 或小型社区所有。德国的农业能源转型也正在进行中， 例如农业地区具 有采用电动交通和高效供热及供冷的充 足空间。 农村能源转型比较 能源转型正在创造机会，尤其是 农业地区的机会。 相比城市地区，中德农村地区往往有更多的本地可再生 能源，也有更大的空间用于部署可再生能源发电设施 。 因此，农村地区具 有采用本地可再生能源实现高度自给 自足的潜 力。 相比城市，农村往往存在各种结构性短板，体现在 较低的收 入以及 较少的 工作 岗位方面 ，例如 ，2019 年巴 伐利亚州 农村地 区的人 均收 入比城市 地区低了 9.3左右。 5 本研究通过对当前能源生产和消耗的量化以及对未 来能源情景的分析，对中德两国农村地区 迥然不同的清 洁能 源 发展进行比较， 研究了巴伐利亚州施瓦格村 （位 于慕尼黑机场附近）以及山东省东桥头村。 这两 个 村 都 是农业村镇，但施瓦格村的人均收入远高于东桥 头 村， 分布式能源设施的安装数量也更多。东桥头村 严重依赖 于煤炭、电和燃 油，但大多数家庭也安装了太阳能热水 系统，东 桥头村 对光伏 的利 用极少， 只有大约 5的家 庭 安装了光 伏系统 。 两个村庄尽管处于不同的发展阶段，但它们都是各 自国家能源转型的一部分，在未来十年都将发生转变 ， 本研究旨在促进对这一转变的 可能方向的认知，并预测 两个 村庄在各自背景下为能源转型目标做出贡献的潜力。6 东桥头村和施瓦格村的比较 巴伐利亚州施瓦格村 施瓦格村 位于德 国巴伐 利亚 州慕尼黑 东北30 公里处， 隶属于奥 伯丁社 区，该 社区 由 7 个小村庄组成 奥夫 克 尔辰（Aufkirchen ）、尼泊丁（Niederding ）、诺津 （ Notzing ）、奥伯丁（Oberding ）、施瓦格 （Schwaig ）、施瓦格洛夫（Schwaigerloh ）和施瓦格 慕斯（Schwaigermoos ） ， 慕尼黑机场也是奥伯丁社区 的一部分。 6 该 社区常住人口 6,455 人，其 中施瓦格村 1140 人。 7 下图为 奥伯丁 社 区的不同 土地用 途。 图奥伯 丁 QGIS 地图， 标 识土地用 途 来源伍 珀塔尔 大学，2021 施瓦格村 住宅用地占比高，商业用地占比低， 周围 主要为农业 用地 。奥伯 丁社 区共有 1,416 栋住宅建筑， 其中 253 栋在施瓦 格村。 8 施瓦格村几 乎没有 工商企 业， 约有30 家本地公司 都是与 机场相关 的，例 如酒店 、商 业 停车 场、 物流 和运输 公司 。 9 本研 究 未包 含 农业 企业 ，因 为它们并没有列入 工商业联合会名单。 从 土地使用图 可 以看出此 区域存 在农业 企业 。 施瓦格村人 均收入 约 25,000 欧元。 10 基于 E-Werk Schweiger oHG 的数据，截至 2021 年末，施瓦格有 978 千瓦光伏 装机容 量。 东桥头村 东桥头村 位于山 东省， 距省 会济南市 200 公里，距 重要的沿 海城市 青岛市约 350 公里。东桥头村 有 446 户 private residences commerce, industry agriculture 慕尼黑机场 施瓦格慕斯 施瓦格洛夫 施瓦格 伯丁 尼泊丁 诺津 奥夫克尔辰 私人住宅 商业、工业 农业7 村民，总 人口1,832。长期生活在村 外的人 口为380，包 括 210 名务工人员 和 170 名学生；约 40-50 人在村内 及 附近公司 或工厂 工作， 人均 年收入人 民币22,500 元 ，相 当于 3,000 欧元。 图东桥 头村的 位置和 卫星 图像 来源中 国科学 院应用 生态研 究所 下 图展示了东桥头村家庭收入分布情况。90以上家庭主要收入来源为 农业，只有小部分收入来自村外务工 （7 ）、 服务行业 （2）和水产 养殖 （1）。 图 东 桥头村 家庭收 入构成 和来源 来源 中国科 学院应 用生态 研究所 10 50 25 15 100,000 元 90 7 2 1 农业 其他就业 服务业 水产养殖业8 施瓦格村和东桥头村对比 图月平 均太阳 辐射量 （左 ）和温度 （右） 来 源 美国 国家可 再生能 源实验 室（NREL）PVWatts ，2022 图人均 能耗（ 左）和 收入 （右） 来源德 国国际 合作机 构（GIZ ） ，2022 0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 施瓦格 东桥头 欧元 0 1 2 3 4 5 6 7 一月 二月 三月 四月 五月 六月 七月 八月 九月 十月 十一月 十二月 kWh/m 2 / 天 施瓦格 东桥头 -5.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 一月 二月 三月 四月 五月 六月 七月 八月 九月 十月 十一月 十二月 ℃ 施瓦格 东桥头 0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 施瓦格 东桥头 欧元 0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 14,000 16,000 18,000 施瓦格 东桥头 兆焦9 图燃料 构成,2022 年（左）和 2030 年（右） 注排除 在施瓦 格村案 例之外 的电 网电力和 液体燃 料。 来源德 国国际 合作机 构（GIZ ） ，2022 表施瓦 格村和 东桥头 村的 社会经济 及能源 数据比 较 德国 中国 村/ 镇 名称 施瓦格村 东桥头村 隶属 省/ 州 巴伐利亚州 山东省 人口 1,140 1,832 家庭 户数 388 446 人 均收入 25,000 欧元 22,500 元人民币 年 人均能源 消耗 4,529 千瓦时 2,377 千瓦时 年 人均电力 消耗 1,082 千瓦时 1,257 千瓦时 电 力在能源 消耗中 的占比 23.89 52.88 煤 炭消耗/ 占比 无 41.54 油 消耗/ 占比 1,769 兆瓦时 6.49 燃 气消耗/ 占比 590 兆瓦时 12.67 生 物能消耗/ 占比 751 兆瓦时 10.50 太 阳能发电 消耗/ 占比 1,209 兆瓦时 风 电消耗/ 占比 0 兆瓦时 0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000 40,000 施瓦格 东桥头 吉焦 光伏 天然气 生物质 石油 电网 液化石油气 煤炭 其他 0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000 40,000 施瓦格 东桥头 吉焦 光伏 天然气 生物质 石油 电网 液化石油气 煤炭 其他10 德国 中国 水 电消耗/ 占比 22,240 兆瓦时 能 源使用- 供冷/ 供热（ ） 10 33.10 能 源使用- 交 通（ ） 78.22 10.81 能 源使用- 其 他（ ） 11.78 56.09 人 均碳排放 5,500 千克（巴伐利亚州） 11 5,005 千克 汽 车拥有率 （家庭 拥有 ，不 含两 轮车或三 轮车） 99 49.33 太 阳辐照量 （年， 千瓦时/ 平 方米/ 天） 3.42 3.85 太 阳辐照量 （夏季 ） 5.35 瓦/ 平方米 4.47 瓦/ 平方米 太 阳辐照量 （冬季 ） 1.42 瓦/ 平方米 2.89 瓦/ 平方米 平 均温度（ 年度） 8 13 平 均温度（ 夏季） 16.5 24.5 平 均温度（ 冬季） -1 0.3 主 要职业 农业（90） 主 要本地行 业 农业、工业、服务业、物流（机 场） 农业 11 中德政策框架 德国政策 为了实现本国气候目标，德国建立了一个包括法律 及 各类资金渠道的框架。该框架始建 于 2000 年生效的 可再生能源法（EEG ），不久前，该法进行了重大 修订 。 可再生能源法为扩大分布式能源在发电领域 的应用提 供了激 励措施 ，2001 年之前安装的光 伏系统 可 以 得到至少 0.506 欧元/ 千瓦时的上网电价，12 该电价 每年都在 下降， 因为光 伏系 统的成本 也在下 降。2022 年， 光伏系统 上网电 价至少为 0.0475 欧元/ 千瓦时。13 固定 上网电价 制度在20 年后到 期。除了 固定上 网电价 以外 ， 分布式能源也享有 优先接 入电网权，也就是说，一般不 会被限电 。 由于分布式能源上网电价下降，目前大多数光伏系 统所有者都投资建设了储能系统，将自用耗电量最大化， 因为在大多数情况 下，“只能 接 入电网”的选择不再有 利可图。因此，仍 需要通过政策来 激励更多家庭投资 建 设储能系 统。 热电联产法 （KWKG ）为支持可再生能源在各部 门的应用奠定了基础 ； 14 交通和供热部门的法案推动了 能源转型； 德国可再生能源热利用法 （EEWrmeG ） 和 节能条例 （EnEV ） 在过去有力的推动 了 可再生能 源供热和供冷效率的升级 ，2020 年 建筑能源法 （GEG ）取代了这两项措施。针对新 建 建筑及 既 有建筑 的 改造， 建筑能源法规聚焦于能效提升，同 时 也针 对用于供热和供冷 的可再生能源的占比设定了约束性 目 标。建 筑能源 法禁止2026 年之后新建或 翻修的 建筑 在新的供热系 统中使用燃油供热。 15 2021 年， 建 筑电 动交通基础设施法 （GEIG）生效，为电动交通充电基 础设施的扩张提供 了支持。以上 政策工具都大力 地 推动 了德国的 能源转 型。 16 德国通过各类融资机会，支持可再生能源的发展和 扩张，从而推动能源转型。联邦经济和出口管制局 （BAFA ） 为完全或部分使用可再生能源的供热系统的安 装或升级 提供补 贴，最 高可 达60,000 欧元，燃油供热 系 统被排除在资助计 划之外。联邦经济和出口管制局的另 一个资助计划是支 持电动交通 ， 购买或者租用电动汽车 的消费者 可收到 最高 6,000 欧元的环保津 贴。德 国复 兴 信贷银行（KfW ）提供进一步补贴，为节能住宅的翻修 或新建提 供最高 75,000 欧 元的经济 支持。 风 能在扩大利 用可再生能源方面 也 发挥着重要作用 ， 尽管如此，本研究 并未在施瓦格村案例中考虑风能， 因 为 施瓦格村 紧邻欧洲最繁忙机场之一的跑道。近年来， 在扩大风能应用方面，德国遇到了挑战 ， 主要原因包括 审批程序漫长复杂 ， 可能要花费多年时间才能完成，缺 少用于建筑项目的空间，还有本地居民的接受程度不高， 往往对风力涡轮机的噪音或者外形产生顾虑。这些挑战 严重阻碍了风能在德国的扩张，甚至威胁到了风能行业 在德国的存在。另一个巨大挑战是可用于建造风力涡轮 机的地点， 德国各州往往都通过法令规定了风力涡轮机 和住宅建筑之间的最小距离。例如，在巴伐利亚州，风 力涡轮机和住宅建筑之间的距离必须是涡轮机高度的十 倍（一个 200 米高涡轮 机的 建设距离为 2 千 米）。 因为 德国人口密度高，所以这 项规定大幅度减少了可用于安 装新风力涡轮机的空间，也危及了很多老旧涡轮机的改 造。 17 中国政策 2016 年 12 月，中国发布 了能源发 展“十 三五” 规 划，其中强调了家庭和工业能源电气化，尤其是在北京、 天津、河北及周边区域的受污染地区。规划中提到了以 电力供热取代煤炭，推广分时电价，改造农村配电网。 计划中包括推广农村地区可再生能源的措施，其中提到 了太阳能、风能、小水电、农林废弃物转能以及地热能。 规 划也强调了农村电力系统 可靠率，目标是到 2020 年， 在农村地区达到 99.8 的供电可靠率，户均配变容量不 低于 2 千伏安。 18 2022 年初发布的“ 十四五 ”现代能 源体系 规划重 点 提及了农村能源发展。规划的目标是进入电网建设和 升 级的第二阶段，提高农村地区的电力保障水平 ， 包 括推 广农村微电网试点以及农村地区的可再生能源电力供应。 中国通过“千家万户沐光行动”和“千乡万村驭风行 动”，推广分布式光伏和小型风电。规划中也将农业光 伏、生物质能以及地热能列为优先选择，规划中包括 了 提高农村地区天然气供应、减少散煤供热、推广农用节 能技术以 及打造 “零碳 村庄 ”试点等 措施。 19 中国政府反复强调加强农村公共基础设施，尤其是 在能源部 门。2021 年，在传统的年 度农业 政策一 号文 件 中，政策制定者把实施乡村清洁能源建设工程、加大农 村电网建设力度和提升农村电力保障水平作为目标。该 文件也支持建设乡村供气基础设施和储气罐站、发展农 村生物质 能源以 及加强 煤炭 清洁化利 用。 20 在 2022 年的 一号文件中，中央政府再一次强调升级农村电网，在农 村地区推 广光伏 和生物 质等 清洁能源 。 21 12 2021 年，中国国务 院办公 厅印发了 关于 推动城 乡 建设绿色发展的意 见，列出了有助于打造绿色生态宜 居的美丽乡村、提 升农村生活品质的各种优先事项， 包 括完善水、电、气 、厕配套附属设施；加强既有农房节 能改造；提高镇村 设施建设水平；推进农村生活垃圾、 污水、厕 所粪污 、畜禽 养殖 粪污治理 。 22 山东省政策 山东省一直在推动打造绿色生态宜居的美丽山东， 在此基础 上发展 农村绿 色能 源。 总的来说，山东省农村电气化水平大幅度 提高了 农村地区 户均配 变容量 达到2.71 千伏安，年人均电 力消 耗为427 千瓦时，达到城 镇 平均水平的80以上； 冰箱 、 洗衣机和空调的拥 有量大幅增加，电磁炉和电饭锅已成 为常见的烹饪工具 ； 摩托车和农用车辆正逐步被电 动汽 车所取代 。 能源使用的清洁度提高了 在炊事用能中，沼 气、 液化石油 气、煤 气、生物 气占48.2，电能占29.1，煤 炭占 8.2，柴薪等其他占 14.5；山东农村清 洁取暖 户 510 万户，占农户 总数 的40，其中沼气 取暖265 万户 ， 电力取 暖 155 万户，生物 质、太阳 能等其 他取 暖 90 万 户。 近年来，山东农村清洁能源发展也实现了快速增长 ， 全省户用 分布式 光伏 58.5 万户，装 机容量 1041 万千瓦， 光伏装机容量超过了大多数国家； 农林生物质发电装机 规模 183 万千瓦，年利用农作物秸秆及林业剩余物等 1800 多万吨；生物 气发电 装机规 模 9.5 万千瓦 ，其中 利 用畜禽粪 污制生物 气发 电装 机规模 2.5 万千瓦，年利 用 畜禽粪污 557 万吨。 23 13 研究方法和分析 风能和太阳能在德国农村地区的广泛应用，表明德 国能源转型已经对农村地区产生了巨大影响。 24 在分析 施瓦格村 能源转型时，本研究致力于（1 ）目前农村 能源转型的发展阶段；（2 ）农村能源转型发展中期预 测 ，尤其 强调农村家庭的电气化，例如供热和家庭交通。 为了回答这些问题， 本 研究使用了公开可获取的数 据，并与 伍珀塔 尔研究 所（Wuppertal Institute） 合作 对村 庄开展调查，计算得 出 能源转型发展现 状， 并 对 未 来农村能源转型各种 情景进行了分析。 本 研究 采 用 三步 法 第一步 定义情 景框架，第二 步 将情景数据应用于 具 体 村庄，第三 步 处理能源数据及调查结果，得出未 来不 同能源情 景下的 能流图 。 德国的情景框架 为了预测未来农村能源生 产和 用电量，首先确定了 各种关键技术情景。本 研究尤其侧重于电动汽车、 热泵 和光 伏 在 未来的渗透率。在设定 情景时，评估了针对每 一类 情景的 现有研究。例 如，开发电动汽车情景 的 流程 如下图所示 图德国 电动汽 车情景 的开 发流程 来源伍 珀塔尔 大学，2022 对德国的研究采用了统计的概念与方法（meta- analysis ） ， 详细阐述了“悲观”、“中等”及“乐观” 的 电动汽车 应 用 场景。为了使研究更具可比性，使用插 值法得出了五年的数据。 本 研究针对电动汽车和热泵的 发展都采 用了类 似的方 法。 鉴于光伏已得到了广泛应用，四个输电系统运营商 会定期发布电网发 展计划并提交联邦电网局审核，本研 究 基于该计划中已确认的情景，开发了光伏情景。 25 电 网发展计划确认了 德国光伏的三条发展路径，彼 此 间只 有最低程 度的差 别自2019 年起，不同 情境下 年度光 伏 的装机容 量应在 3.8 吉瓦 到 4.4 吉瓦之间。鉴于 德国 新 一届联邦 政府是 在2021 年 电网发展 计划报 告发布 之后 才 执政，因此更高的年度装机量也是有 可能的。根据当前 的联盟协 议，德 国应 在2030 年之前达 到200 吉瓦以 上 的 光伏装机 容量。 26 根据德国国家层面的发展数据，如下图所示，选择 人口密度和建筑存量数据，将这些国家数据细分到各联 邦州及社 区层面 。 优先关键研究 2030 年电动车市场发展，德国汽车 管理中 心（CAM ） 00 区域电力发展需求和负荷曲线，弗劳 恩 霍夫系统与创新研究所（Fraunhofer ISI 2018 年 进度报 告，国 家电动 车平台 （NPE ） 电动车临界点，波士顿咨询集团 2018 年电动车展望，彭博新能源财经 到 2050 年的电动车预测及入门，加拿 大皇家银行资本市场 2018 年 德国能源署（DENA ） 牵头研究 所有经评审的关于电 动车发 展的研究（S ） 25 个情景作为潜在 发展路径的基础 扫描使用数据基础的过程14 表用于 施瓦格 村 情 景的 潜在 电动汽 车、热 泵和光 伏情 景数据概 览 来源伍 珀塔尔 大学, 2022 ； 德国 能源署（dena ） 27 ； 德 国联邦 网络 管理局（Bundesnetzagentur ） 28 区域化方法 基于情景框架及每一情景的总体国家预测，将数据 外推到选定的村庄，例如，下图 展示了用于电动汽车 的 方法 ， 用于热泵和光伏的方法基于输入数据而有所不同。 以下数据 展现了 电动汽 车采 用区域化 方法的 一般流 程 图以电 动汽车 为例的 区域 化方法原 则 来源伍 珀塔尔 大学 在估算热泵的普及度时，区域化程序考虑了联邦州 和 社区的建 筑结构，认为独立式住宅和半独立式住宅是 最适合使用热泵的 建筑类型。因为缺乏详细的数据， 例 如 实际楼龄 和保温 隔热程度等参数，所以 假定建筑物 具 有统一的能效，建 筑物 特征的差异可能不会影响对热泵 分布的估 算。 研究基于人口和家庭规模，对奥伯丁社区不同村庄 的 电动汽车 和热泵数量进行了加权处理 ， 奥伯丁在其官 方网站上发布了人口分布数据。 29 基于电网运营商 E- Werk Schweiger oHG 提供 的村庄现 有装机 容量， 假设 了 未来光伏 装机分 布。 市场份额和组合 发展研究数据 人口 登记电动车 人口密度 土地使用 建筑存量 筹资项目 德国电动车发展 各州电动车发展 各社区电动车发展 各区电动车发展 建筑存量 人口 登记车辆 人口 登记车辆 各年龄组机动化 家庭纯收入 技术 情景 年份 2030 2035 电动汽车 悲观 353 万 735 万 趋势 416 万 865 万 乐观 540 万 1125 万 热泵 德国能源署 TM95 390 万 477.5 万 德国能源署 EL95 790 万 1010 万 光伏 电网发展计划情景 A 90.8 吉瓦 110.1 吉瓦 电网发展计划情景 B 96.3 吉瓦 117.8 吉瓦 电网发展计划情景 C 97.4 吉瓦 120.1 吉瓦 15 德国的模拟假设 为了将奥伯丁的情景数据转变为电动汽车充电基础 设施和热泵的能源 与电力数值，能量流动模型必须解释 光伏系统输出和热 泵能耗的剧烈季节性波动。针对电动 汽车 的充电 负荷，只考虑私人充电基础设施，因此只专 注于交流充电技术 。假设大多数电动汽车充电的功率水 平是 11 千瓦或 22 千瓦。在计算电 动汽车 的能源 需求 时， 对充电行 为的预估 具有 重要 意义，因此 采用2017 年德 国交通研究 中的 用户行为随机数据作为输入参数，并 基于研究中的停车情况建立了充电情景 ， 30 形成社区内 每一充电车辆在一 整年内的个体充电概况，从而估算出 电动汽车 在分钟 级别的 能源 需求。 与 电动汽车所 具 有的不可预测的负荷曲线不同，热 泵往往呈现出非常相似的 用 能行为，并会受到季节的强 烈影响。热泵的耗 能严重依赖于环境温度，而 同 一 社区 的环境温 度并不 会出现 显著 差异。基于 Wintzek 等 人的 研究 31 ， 考虑到建筑 的用热需求和热水需求，模拟中假 设了热泵 的三种 功率等 级3 千瓦、6.5 千瓦 和9 千瓦 。 为了 反映季 节性影响，模拟中使用了不同的标准热泵时 间序列，分辨率为 一分钟。时间序列反映了老旧房屋和 现代化房屋的热泵 负荷概况，以及有无阻断期（电网运 营商关闭 热泵以 减少系 统负 荷）行为 。 分析使用时间序列数据确定光伏系统输 入电网的能 量 ， 只需要 一个具有代表性的时间序列就够了，因为所 研究的社区或村庄 内的天气情况不会呈现出任何巨大差 异。E-Werk Schweiger oHG 提供了 自 2020 年起的测 定 时间序列 ，分辨 率为15 分钟，本研 究对其 进行了 标准 化 处理，用作进一步 考虑光伏电力分布的依据。此外， 研 究中也比较并验证了基于“巴伐利亚能源图集” 32 信息 生成的情 景数据 。 除了电动汽车和热泵的新负荷之外，还需要对典型 的家庭和商业负荷 进行建模，以形成对能量流动的全 面 了解 。 由于 缺乏任何关于家庭具体能耗的可用数据，所 以建模依赖于已发 布的不同家庭规模的平均能耗，并基 于奥伯丁人口普查 所发布的家庭规模，推倒出每户的电 力消耗， 33 平均电力消耗可以分为低 、 中 和 高 三级。典 型家庭的能 耗也会 受到季节因素的影响 ， 因此模拟基于 Tjaden 等人研究的时间序 列，使用 了随机 分配的 家庭 概 况。 34 鉴于可用的信息有限，本 研究深入的细节程度达不 到工 业 能 耗 或负荷相同的水平。总的来说，之前的研究 表明德国工业和商业负荷与家庭电力消耗大体类似。 35 因为 施瓦格 村没有大型工业企业 ，所以将本地工业负荷 整合到了家庭年能耗的模拟中。 36 工商业部门对 能源 消 耗 划 分为工 业和农业， 与城市地区相比，农业在农村地 区的负荷占大部分。进行能量流动建模时，使用了基于 APCS 电力清算与结 算数据 改编的工 农业合 成电力 负荷 概 况。 37 通过这种 方法， 建立了 各种 时间序列 ，以15 分钟为 间隔进行能量流动建模。通过年度分析方式将供热部门 纳 入其中。针对建造或翻修年份不同的建 筑 类型 ， 计算 出平均用热需求，可以反映出模拟中各家庭的家庭能耗。 38 分别对“低”、“中”、“高”供热需求进行模拟， 将之与相应建筑结构的典型公寓或房屋规模相匹配。 研 究中 使用了 比较系数整合本地工业供热需求，该 系 数代 表的是工业用热需求与家庭用热需求的比值， 工业需求 比家庭用 热需求 高 38。 39 针对施瓦格村的调查设计 能量流动建模的最后一步是人口调查， 在获得社区 正式批准后，项 目组 对施瓦格 村开展了调查。通过设计 三种不同的调查表格，分别从家庭、本地企业以及本地 行政部门收集数据。量身定制 的 调查设计，帮助评估施 瓦格 村 部门耦合和能源转型之前及未来的发展，比较并 调整 潜在的情景假设。调查收集了三个关键子领域的数 据和态度交通、供热和电力使用。为了完成进一步分 类和验证，也收集了额外的社会人口特征。家庭调查与 企业和行政部门的调查不同，包括更多与参与者主观意 见