叶 红,程 露,何嘉琪,党 政,曹 江,谭春鸿
二氧化碳等温室气体浓度的增加造成温室效应,导致全球气候变暖、极端天气增多,对人类生产生活及生态系统造成不可逆的严重影响[1]。习近平总书记在主持召开中央财经委员会第九次会议时发表重要讲话指出:把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体,开展一场广泛而深刻的经济社会系统性变革[2]。生态经济推动下回归自然的低碳消费趋势,正在为中国乡村生态经济发展提供着广阔的市场和动力[3]。中国长期以来“重城轻乡”,决策者多把低碳经济的发展重心放在城市,乡村地域极易被忽视[4]。立足全面推进乡村振兴的新起点,更是亟需探索乡村低碳发展的转型路径,推动乡村生态文明发展,助力我国早日实现碳中和目标。
我国乡村占地面积552.86 万km2,其中耕地123.4万km2,乡村的居住人口为5.77 亿。在如此广袤的范围内,乡村生活生产的能源需求总量大、范围广,而且相对分散[5]。在乡村生活方面,近年来,我国乡村人均生活用能量不断提高,增速远超城镇,碳排放量同样呈现增速加大态势。在乡村生产方面,农业生产活动既是温室气体的主要排放源,同时也受气候变化影响最大[6]。中国作为一个农业大国,农业碳排放总量一直高于欧美国家。此外,我国农业生产中主要以施用化肥农药的方式达到增产的目的[7],同时大量应用农药、农用薄膜、柴油等,会产生大量的二氧化碳、甲烷和氧化亚氮等温室气体,且造成土壤的有机质含量逐渐降低。可见,未来农业生产部门在碳减排上可发挥重大作用。
乡村既是全国能源消费、温室气体排放不可忽视的组成部分,同时也是生态系统碳汇和新能源发展的重要空间载体。在生态碳汇方面,全国共计18 亿亩农田的土壤有机质每增加1‰,可从大气中净吸收30 亿吨的CO2;全国森林面积2.08 亿ha,总碳储量可达84.27 亿吨。乡村如此庞大的碳汇资源若能妥善管理,便能以低成本方式增加碳汇,为减少温室气体排放做出显著贡献。在新能源发展方面,作为可再生能源的生物质能、太阳能、风能等,与传统的化石能源相比是一种分散性、相对均衡分布的能源,这种特性使乡村获得了相对于城市的空间资源优势。而随着以光伏、风能发电为代表的新能源技术的快速发展,可再生能源比以往更具经济效益[8],为乡村低碳化转型提供了更有力的支撑。
绿色低碳发展是乡村高质量振兴的内源动力和必然要求,乡村所蕴含的减排潜力可通过乡村振兴得到有效激发。《乡村振兴战略规划(2018-2022 年)》、2021 年中央一号文件《中共中央国务院关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见》等重要文件均对构建乡村现代能源体系、乡村产业升级、乡村生态保护与修复、低碳乡村生活理念等方面的发展提出了明确要求。
碳中和的提出对于乡村的发展既是机遇,也是挑战。碳中和目标的实现意味着能源体系、社会经济体系及技术体系广泛而深刻地变革。在能源体系方面,主要手段是推动能源生产与供给的清洁高效转型发展,同时将新能源与数字技术、智能化技术有效融合[9]。在社会经济体系方面,其核心在于完善碳交易、碳排放税等市场机制,并健全相关碳监管制度,开辟城乡资本、资源流动的新途径。在技术体系方面,其重点在于基于自然的负排放技术、农业可持续发展技术、碳封存技术等技术创新发展。
聚焦乡村地区能源结构效率低下、能源设施落后、资源要素未充分利用、农业生产污染严重且产品附加值低、乡村金融体系发展滞后等问题,应构建乡村振兴战略与碳中和战略耦合机制(图1),将新能源、新制度、新技术等要素有机融合,推动城市资本、人才、技术与乡村的丰富的生态碳汇资源、广袤的空间资源的良性互动,开辟城乡资本、资源流动的新途径,推动乡村超越传统的低质量、高污染发展模式,向资源高效、农民增收、环境友好等方向转型。
基于Kaya 恒等式理论,提高乡村生产生活能源效率、改善能源结构与降低能源消费碳强度是构建低碳乡村的重要路径[10],而发展清洁能源是其中的核心路径。乡村有着丰富的风、光、水、生物质、地热等可再生能源资源,应基于乡村三生空间的资源禀赋有效地开发与利用。在“碳中和-新乡村”视角下,广东乡村更应因地制宜构建新能源体系,推动产业现代化转型升级,建立低碳新经济,促进乡村生产生活方式低碳化。
而依托广东自身资源禀赋,探索乡村分布式光伏建设新模式,是构建广东乡村现代能源体系的重要途径之一。但不同于依赖政府财政奖补的“光伏扶贫”项目,要实现在乡村广泛推广、规模化建设和运营的分布式光伏,需要对一定范围内(最好以县或镇为单元)的资源进行全面普查、评估,并结合相关的城乡发展规划,进行科学的空间布局与一体化设计,同时引入具有长效运营能力的企业,以符合市场规律的方式投入建设,并合理利用政府相关财政资金,从而以政、企、村、专业团队多方联动的平台实现多方长效共赢。
结合广东省正在全面开展的农房风貌整治,笔者及研究团队利用数量巨大的存量农房屋顶构建分布式光伏,从多方面探索了“乡村屋顶分布式光伏”的科学技术、实施路径及运营模式,取得了显著的成效。此外,笔者及研究团队以屋顶分布式光伏开发建设为切入点对乡村复合型分布式光伏开发及乡村新能源系统构建展开了进一步研究探索。
2.1.1 广东土地资源珍贵,不具备开发大规模单一光伏的地域条件
2015 年到2020 年间广东省用电量及发电量持续增长,然而供电量严重不足(图2)。随着粤港澳大湾区的发展建设,广东省的电力缺口将进一步扩大,同时也给新能源的蓬勃发展提供了消纳支撑。广东省属东亚季风区,光、热资源丰富,适合开发太阳能。但广东省土地资源珍贵,不具备开发大规模单一光伏的地域条件,必须利用好农房屋顶、公共建筑屋顶等建筑物存量屋顶空间及农、林、牧、渔等生产空间构建复合型光伏。
图2 2015 年-2020 年广东省年度用电量以及发电量统计示意图
2.1.2 数量巨大的存量农房是分布式光伏的理想载体
广东省拥有超过2000 万间农房,按照每间屋顶面积80~100m2来算,广东的农房屋顶面积高达16 亿m2以上。这些农房分布在广袤的乡村地区,高度相差不大,彼此遮挡较小,而且产权明晰,无论从技术上还是管理运营上都是建设分布式屋顶光伏较理想的载体。而这些农房大多数是在20 世纪90 年代之后建成,20~30 年内不会重建(符合光伏的使用周期),同时广东已经不再有大规模新建农房的时机,所以,从技术和运营模式等各方面,探索存量农房屋顶的分布式光伏构建,将为乡村建筑节能减排做出巨大贡献,也是在碳中和-新乡村时代背景下构建乡村新能源结构直接而有效的路径。适逢国家能源局下发《关于报送整县(市)推进户用和屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》,也为分布式光伏在乡村新能源领域的发展提供了更有力的政策支撑。
2.1.3 正在推进的农房风貌改造为规模化构建屋顶光伏提供了良好契机
2020 年广东省发布《广东省人民政府关于全面推进农房管控和乡村风貌提升的指导意见》,提出农房管控和乡村风貌提升是全省实施乡村振兴战略、加强和改进乡村治理的必然要求和重要抓手。
而对广东以“火柴盒”著称的农房进行外观的整治美化,是实现乡村风貌修复提升的重中之重(图3)。近年来,全省各地对农房的外墙及屋顶的整治美化做了大量工作,同时也投入了大量的公共财政资金。而建设具备设计感与发电效益的分布式屋顶光伏,正是避免让“穿衣戴帽”变成涂脂抹粉的形象工程,同时让政府的“费用化投入”变成“资产化投入”,让乡村的“闲置资源”变成“有效资产”的有效路径。
图3 大量的“火柴盒”农房是乡村风貌整治的重点
2.2.1 为农房戴一个“美观、实用、安全的帽子”
屋顶是建筑物重要的组成部分,屋顶的形式是传承传统文化与地域特征的重要载体。就乡村风貌效果而言,视线可见的斜坡屋顶更能起到美化的作用。之前广东各地在为农房增加坡屋顶时,大多采用树脂瓦为其加“假顶”的方式,不但不实用,在资金有限、缺少对农房有针对性的设计的情况下,大多数“帽子”戴上去并不美,还存在容易被风吹落等安全问题(图 4)。
图4 缺乏指导的“平改坡”的做法从美观与安全上的效果并不如意
而联合团队结合屋顶光伏的技术需求及建筑外观的设计需求,研发出的“农房改造型光伏阳光亭”(专利号:ZL202030807781.1),则为农房带了一个“美观、实用、安全”的帽子。其特点体现在以下五个方面:
(1)美观性。相比常规光伏棚和农户私自搭建的铁皮棚,光伏阳光亭与整体农房建筑外观高度融合,产生更高美学价值,且具备本土乡村特色,符合农房管控要求的,不会存在违建的风险。
(2)实用性。兼顾光伏棚与阳光亭的作用,既具备发电的功能,又给农户赋予屋顶更多的遮阳活动空间。另外,阳光亭为屋内起到隔热通风效应,提高顶层空间舒适度,降低能耗,是符合广东地区既有建筑节能改造的做法。
(3)安全性。光伏组件技术安全成熟,光伏阳光亭在设计、图纸、施工全过程须由相关专业人士负责把关。同时,需为村民及运维工作者提供通俗易懂的知识科普、注意事项、应急措施等内容传授,以期村民自觉维护、安全使用。
(4)可推广性。广东存量农房数量巨大,光伏阳光亭有潜力实现规模化推广应用。从成本控制的角度出发,模块化研发可使阳光亭商品化规模化生产,可从单项工程建设转变为市场化行为。
(5)减碳及能源安全保障。光伏阳光亭为乡村提供清洁能源,有效助力农村碳减排。如果阳光亭可以实现集中规模推广,以2 万户为例,则相当于建设出200MW 容量的光伏电站,以粤西地区为例,平均有效年辐照时数为1100 小时/年,发电量高达2.2*10^8。火力发电每生产一千瓦时电排出0.997kg 的二氧化碳,2.2 亿度电相当于每年至少减少CO2的排放量20 万吨。如此体量相当于一个占地150 亩的火力电站的发电量,而光伏阳光亭利用了农房的闲置屋顶,不占用额外的土地资源。
2.2.2 结合光伏阳光亭的农房风貌改造设计实践
光伏阳光亭的试点之一建设位置选取在茂名市高州分界镇乡村振兴精彩一百里示范段,具备较好的示范价值。在政府、村的协助下,示范段相关农户踊跃报名参与,愿意提供其农房屋顶开展首批装机建设。
通过走访与实地测量,试点县道上的农房屋顶形式普遍可以分为两种:一种是屋顶仅有一处可上人的楼梯间,可用屋顶面积最大;一种是出屋面楼梯间旁加建了房间,不上人屋面占据屋顶面积30%到50%的比例。整体屋顶预留一定的敞开空间保留村民的晾晒用地后,余下位置根据空间大小,分别按双坡阳光亭、单坡阳光亭以及平铺支架的形式进行组合(图5),保证每户至少有10KWp 的装机容量来布置光伏组件。
图5 农房改造型光伏阳光亭搭建组合形式
外观上,光伏阳光亭的设计与农房风貌改造设计相结合(图6)。结合地方本土特色,试点的农房改造设计以桂圆的配色为主体,顶部采用光伏阳光亭,统一檐边和农房瓦片的颜色,墙面统一米黄或者米白色,底层统一刷灰黄色,挂深桂圆色金属广告底板。宅前空地做混凝土砌块围墙花池,放置可移动花箱,打造小花院。整体农房统一设计要素,实现光伏阳光亭与农房一体化设计,将对示范段沿线风貌起到显著的提升效果。
图6 光伏阳光亭与农房风貌提升整体设计效果
结构上,光伏阳光亭支架在采用必要的结构立柱支撑的条件下,保留亭子下方活动空间(图7)。为了将光伏阳光亭打造成一个半室内的活动空间,设计增设了适宜的栅栏构件,以适当遮挡视线,局部营造半私密空间,从立面形成建筑体量感。
图7 光伏阳光亭与农房风貌提升整体建设效果
材料上,所有框架材料选用轻质金属材料,注重防腐抗氧化处理。光伏板采用单晶双面双玻组件,实现双面发电,提高发电效率,同时提高亭下空间的透光度。在能效较低的部位则考虑局部取消背面发电,利用彩色玻璃或其他肌理搭配丰富底面质感表达,活跃半室内空间的氛围(图8)。
图8 光伏阳光亭下空间质感体现
2.3.1 多方协同的前期开发建设模式
结合农房改造型光伏阳光亭的建设要求和实践经验,总结出由村政府与投资企业互洽互助、多专业团队联合协调、村民与村集体配合共建的规模化开发存量农房分布式光伏屋顶的模式(图9)。其具体模式如下:
图9 多主体协同的前期开发建设模式
(1)明确村民安装意愿:由村委与投资企业的成员组成项目小组开展工作,与村民代表宣讲屋顶光伏建设需配合事宜以及村民所得效益,发动村民报名安装,对明确安装意愿且符合标准的农户进行协议约定,形成光伏项目开发的空间资源底图。
(2)制定农房筛选机制:以安全性为第一筛选依据,农房要求产权清晰、建筑结构稳定、屋顶荷载足够支撑、周围无隔档物或高层建筑,条件不符合的农房不予施工。
(3)专业团队入场设计:先由电力设计工程师根据房屋朝向、空间需求、建筑面积等要素确定电站基础结构框架以及发电效率测算,并由建筑或外观设计团队结合地方对农房风貌提升的要求进行外观提升。
(4)配合电网接入与改造:了解对应区域内的中高压配电网的网架结构和负载率;加强与地方供电局的沟通,优先符合现有电网条件确定规模与建设,明确接入方案;按村民报装情况确定预装批次,明确并网点与网架线路的改造方案与权属边界;
(5)签署文件有效约束:根据各方需求和装机容量等,对收益进行合理分配,同时通过合同的法律效应和村民与项目小组之间的相互监督作为约束,保障电站的长效运维。
3.3.2 多方共赢的商业运营模式
目前针对乡村的分布式光伏市场化运作模式尚未成熟,国内现有乡村分布式光伏实施案例的商业模式可以分为“扶贫式“、”贷款式“、”租赁式“(表1)。光伏产业的发展高度依赖政策驱动,“光伏扶贫”时期国家对分布式光伏项目制定了较高的奖补政策,激发光伏装机量增长的同时项目亦依赖奖补费用维持建设,对财政造成了极大压力。对农户而言,投资分布式光伏电站的回报周期长,容易造成资金压力,动力机制不明确。对企业而言,分布式光伏电站属于微利产品,需要成一定规模才能盈利,而集中农户建设电站的操作困难。
表1 国内乡村分布式光伏实施案例的商业模式
区别于传统商业模式,本文提出通过引入具有长效运营能力的企业,以符合市场规律的方式规模化投入建设,并合理利用政府相关财政资金,搭建政、企、村、专业团队多方联动的平台,明确各方职能与效益。因涉及农房分布零散、基数较大,建设依托村集体实现集中管理的合作机制。以县与镇统筹建立乡村股份有限公司代村集体与项目公司形成协约关系,由村股份有限公司负责村民个体建设申请的整合,并向经营企业提出整体的建设申请。同时其负责光伏电站的维护管理,取得运维费用,实现村集体增收。企业负责发电部分的投资,并承担整体建设的资金投入,同时获得光伏发电的收益。村民每年能获得对应的屋顶租金,并按投资比例享有凉亭使用权以及收益分红。地方政府可根据企业在完成农房风貌改造层面的投入规模匹配光伏、风电等新能源资源以平衡收益,并在奖补激励、低息贷款融等方面予以支持。
笔者与团队结合政府对风貌的需求、农户对屋顶的使用需求、企业对发电效益的需求,最终形成了纯发电的平铺式、用户友好型的实用性凉亭以及具有美观示范效益的光伏阳光亭3 种投资与效益分配模式(表2)。
表2 三种农房改造型光伏阳光亭建设模式
光伏项目的运维管理逐步向集中远程监控的智能化平台发展。结合“互联网+”、“大数据”、“互联网”等高新技术的应用,将从技术上解决分布式光伏项目分散导致的传统运维模式耗费人力、效率低、成本高、决策慢等问题。
笔者及研究团队已构建屋顶分布式光伏智慧管理平台(图10)对农房改造型光伏阳光亭进行前期开发、项目审批、资金使用、运维管护的全周期全流程管理。在前期开发中,将居民意愿收集、农房屋顶光伏建设适宜性、乡村电网现状等一系列数据进行采集,并通过盘整、分析、录入等手段构建分布式光伏建设的基础数据库。在项目审批中,搭建相应业务办理子平台,村民可以通过网络平台填写项目申请相关信息,并在平台上生成业务受理单,专业团队通过后台筛选,确定可操作项目库,并进行实地考察,最终确定是否同意审批。在资金使用上,在平台上对屋顶光伏不同建设模式的资金来源及建成经济效益的分配进行方案公示,提升资金使用透明度。在运维管护上,该平台将不断收集屋顶光伏组件的数据,并探测阳光亭的环境变量,对光伏组件的状况进行预判,同时可视化反馈电站发电效率、售电效益以及碳减排等环境效益,推动乡村屋顶光伏建设全流程的智慧决策及高效管理。
图10 屋顶分布式光伏智慧管理平台(采自茂名高州市智慧乡村管理平台)
分布式光伏项目的开发主要受限于土地性质、空间使用权属、电网的接入与地方消纳条件等因素,必须充分尊重不同地域的资源条件,合理利用各类有效空间资源。在多元建设形式上,除了农房屋顶光伏以外,工商业屋顶、道路系统、充电桩、公共设施(如公厕、垃圾站等)、景观小品等传统乡村建设均可以植入光伏系统(图11、12)。另外,光伏发电与传统农业相结合的模式也日益得到重视,广泛应用到了农、林、牧、渔业生产空间,实现农光互补、渔光互补、林光互补、农业大棚光伏等,并与养殖、灌溉、农用机械动力等技术融合,推动农业现代化发展。
在能源系统构建上,乡村存在农网载流较小、送出能力有限与用电负荷分散等问题,应综合考虑农网的网架结构和地方消纳水平,合理布局电站的建设规模与接入,结合储能新模式统筹乡村能源系统建设。笔者与研究团队正在进行乡村新能源系统“源网荷储一体化”与多能互补技术体系研究,探究“区域式-社区式-离网式”多级别的“光储充一体化”能源系统运行技术,并总结乡村分布式光伏项目开发标准化建设体系与政策制度建议。加大的绿电使用比例,一来可减少电费支出,二来有助于扩大室内外家电设施以及智能家居系统等提升居住环境的设备的投入力度,塑造低碳化的宜居空间。
分布式光伏的规模化建设将促进乡村的能源结构转型,而在“碳中和一新乡村”的视角下,乡村的资源价值得以重新认知,其发展机遇不仅是新能源的开发,还应该从空间、经济、社会维度上展开全方位的思考。在新的时代背景下,“碳中和”-“新乡村”并不是两个独立的概念,完全可以实现两大战略的高度耦合。本文对此进一步提出乡村发展新模式的构思——“碳中和新乡村”。其实现的关键路径体现在空间、经济、社会三个维度。
以乡村规划和设计为引领的“新乡建”,是塑造低碳化乡村“三生空间”的关键。国土空间规划强调城乡融合背景下对城乡资源要素的统筹高效利用,“碳中和”的战略目标事实上对乡村的低碳甚至负碳化发展提出了更高的要求,三线划定以及对乡村的空间布局、产业谋划、能源结构体系、生态保育及提升,都应该强调乡村在城乡碳值互换过程中所能做出的贡献。同时,更加精细的乡村空间、建筑和设施的绿色低碳设计,也是实现乡村负碳贡献的关键。“碳中和”的实现不能建立在对经济发展形成阻碍的基础上,乡村振兴的目的是要实现“城乡等值融合发展”,而未来城乡的判断标准更多在于“地景状态的差异”[11],这也表明城市和乡村对于“碳中和”目标实现的贡献方式是不同的,“碳中和新乡村”必然会对乡村规划和设计提出新的要求。
顺应乡村生产生活低碳发展和产业体系的调整、优化和升级,经济模式的低碳化适应创新尤为重要。一方面可以将现行技术与传统农业发展相结合,另一方面可以加强乡村绿色产业品牌建设。同时,从乡村经济的低碳可持续发展全局出发,建立健全乡村绿色碳金融体系。乡村碳金融体系主要包括乡村低碳项目开发投融资和乡村碳交易服务[12]。乡村低碳项目开发投融资可以包括绿色农房、清洁能源、绿色农业、绿色交通等领域提供金融服务。乡村碳交易服务可以包括林草业碳汇交易、清洁能源碳交易和低碳农业碳交易等。同时,因乡村资源产权较为分散,缺乏将碳减排量向市场售卖的机制体制,因此应建立利益联结的“企业-碳交易机构-农村专业合作组织-农户”碳交易机制,拓宽乡村低碳发展途径[13]。
在这个维度上,乡村碳汇交易及“碳中和新农业”是关键。碳汇交易让“青山绿水变成金山银山”有了更为广阔而深远的意义。而通过调整农业种植方式、如生物科技、数字科技、育种科技能力和管理水平,减少农业发展全链条生产过程的碳排放量同时提升农产品的产量及产值,实现“碳中和新农业”,则更进一步强化了乡村地区在实现碳中和战略目标上的意义和价值。
图12 茂名市莲塘湖村湿地公园的光伏景观设计
图13 韶关市长市村人才驿站的光伏建筑一体化设计
在碳中和目标的愿景下,乡村治理对于乡村能源结构升级、农业结构性减排、环保治污等生态发展方面的制度构建应该结合村民生计以及现有技术水平,出台因地制宜、科学合理的管理策略[14],顾及村民、企业、政府等多方主体的实际需求完善相关政策、法规,优化乡村多元主体共建共治制度。乡村碳排放监管治理应进一步运用数字化与智能化的技术手段辅助决策与执行,实现乡村治理体系与治理能力的现代化。
同时还需搭建政、企、村、专业团队多方联动的全新运营平台、以适应乡村发展市场化和持续发展的需求。而“碳中和新乡村”的建设体系对村干部与村民的整体素质提出了更高要求。乡村建设需要“就地取才”、“多方聚才”、“实践育才”、“重用贤才”,打破实现乡村振兴的人才瓶颈[15]。搭建乡村人才培育平台,开展“碳中和新乡村”相关培训、讲座,培育乡村现代化产业创新创业带头人,并为各级管理干部、村民、专业技术人员以及企业人员提供多领域专题培训,培养一批拥有新技能、适应“碳中和新乡村”的基层管理人才、职业技术服务者与从业者。同时注重村镇各级干部及村民生态意识培养提升,提高村镇低碳化发展的意识水平,形成村镇可持续的消费理念,同样至关重要。
本文聚焦乡村的减碳潜力,以分布式光伏作为重点切入,踏出“碳中和-新乡村”研究与实践的第一步。新能源开发将有效推动乡村存量空间资源转换成优质长效的生态资产,持续为村民带来收益,为乡村提供清洁能源,推动乡村电气化发展。乡村风貌管控与改造促成了光伏建筑一体化理念在存量农房的应用,而分布式光伏的大规模建设趋势突出了乡村空间资源的潜在开发价值,引发新能源在乡村的开发建设与商业运营的模式构建,以及乡村新能源开发相关的政策制定策略等一系列研究需求。“碳中和新乡村”是高度整合乡村振兴与“碳达峰、碳中和”两大国家战略的新型乡村发展理念,涵盖了能源、科技、碳金融等多个领域,展示了乡村未来广阔的发展前景,仍需要加强空间、经济、社会多维度及多方主体参与的持续研究与实践。
图、表来源
图2:作者绘制,数据来源:北极星电力网。其余图、表均为作者绘制和拍摄。