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》 （EEWärmeG ） 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