“双碳”目标下乡村可再生能源研究热点文献可视化分析

张雪洁,王侃宏,刘 伟,宋雪萌

(1、河北工程大学能源与环境工程学院,河北 邯郸 056038;2、河北省科学院能源研究所 河北 石家庄 050081;3、北京华通三可节能评估有限公司,北京 100045)

自19世纪中叶以来,尤其是在“第二次工业革命”之后,由于温室气体排放逐渐增加,全球平均地表温度开始呈现明显上升趋势[1]。为了应对气候危机,各国政府于2015年在联合国环境大会上签署了《巴黎协定》,协定提出到21世纪末全球平均气温上升控制在工业革命前2 ℃以内,并努力控制在1.5 ℃以内的目标[2]。我国也积极参与应对全球气候变化工作,并提出了“力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”的“双碳”目标,各行业部门实现低碳减排成为未来我国能源发展的重要方向[3]。我国是一个农业大国,根据《2022年国民经济和社会发展统计公报》显示,我国农村常住人口近49104万人,人口占比34.78%,随着农村地区经济快速发展,能源消费总量和人均家庭能源消费量也不断增加,在《“十四五”节能减排综合工作方案》中,农业农村节能减排工程被列为部署的十大重点工程之一,农村社区将会成为低碳理念和技术应用的重要空间。

有关实现乡村低碳发展的研究众多,其中能源消费的排放被认为是乡村地区碳排放的主要来源[4],但在我国能源消费和经济水平并未脱钩[5],农村地区的燃料、电力、供暖等需求依然依赖传统能源的使用[6],因此,仅依靠减少能源利用并不能从根本上解决乡村地区碳排放问题,而盲目追求净零排放可能会导致新的问题产生[7],乡村地区急需更加清洁的能源替代传统“高能耗、高排放”的能源。可再生能源包含生物质能、地热能、水能、潮汐能、太阳能、风能,拥有清洁可持续的特点,在应对能源转型的过程中发挥重要作用[8]。其大规模或城市区域内应用减排效果从已有研究中也得到证明,结合我国“乡村振兴”的国家战略目标,可再生能源作为低碳能源的重要组成部分在乡村的应用前景已经受到国内学者的广泛关注。

有关乡村可再生能源的研究同时涉及自然科学和社会科学领域,但各子领域进展参差不齐,从经济、政策、技术、公众参与、多部门协同等领域协同视角进行深入研究,更具前瞻性,更有利于实现乡村振兴、发展绿色乡村的总体宏观目标。本文着重对乡村区域内可再生能源的文献分析,并借助图形将其统计特征可视化,旨在梳理乡村可再生能源研究热点和趋势,分析未来潜在的研究方向,以期为该主题的研究提供参考。

1 研究方法

1.1 文献计量学

文献计量学是将数学和统计方法应用于期刊、书籍或其他媒介内容进行分析的学科,包括对文献属性和文献关联过程的计算,即基础的文档计数、词频分析、引文分析和共词分析等[9]。Scopus、Web of Science等网络科学数据库的出现,依靠网络数据库进行文献计量分析成为主流[10],同时,VOSviewer、Citespace等文献计量软件的开发和应用,推动了文献计量方法的进步,利用网络数据库和计量软件对文献进行分析评价已经为医学、金融、自然、人文等众多研究领域热点和趋势分析提供了帮助[11-14]。

1.2 数据来源

Web of Science(WOS)是全球最全面的信息资源平台之一,提供来自包括学术期刊、会议记录和各个学科其他文档的参考和引用数据,是文献计量分析的主流数据源。本研究数据来源于WOS核心合集,主要关注来自科学引文索引(SCI)和社会科学引文索引(SSCI)的出版物,研究在WOS核心数据库中检索主题(标题、摘要和关键词)中分别包含国际可再生能源机构IRENA推荐的六类可再生能源利用技术“Bioenergy or biofuels”“Geothermal energy”“Hydropower”“Ocean”“Solar energy”“Wind energy”以及综合性描述“Renewable energy”和“Rural or Village or Countryside”字段的文献,由于乡村地区可再生能源基础设施规模较小,建设周期较短,同时为了探寻相关研究最新热点,筛选出版日期跨度设定为“2012-01-01至2022-12-31”,选取的文献均是经过同行评审的被视为与主题相关的研究,本研究基于筛选后的文献计量数据进行分析,经过相关索引筛选、重复文献合并后,共有7 692篇被考虑进行后续分析。

1.3 分析工具

为了分析和可视化研究可再生能源在乡村利用的研究主题进展,借助了VOSviewer软件作为研究工具。VOSviewer是一个用于构建和查看文献计量图形的应用程序,除了对期刊、引文、共引及共同作者构建关系网络外,还可以提供文本挖掘功能,用于构建关键词共现网络。该程序相较其他主流文献可视化软件具有界面清爽、可处理数据量大、拥有完整的绘图功能等特点[15,16]。

2 论文发表分析

可再生能源在乡村中的利用是一个多学科的研究课题,检索到的论文涉及领域广泛,类别主要包括能源燃料(4 389篇)、绿色可持续科技(2 692篇)、环境科学(1 842篇)、环境学(780篇)、热力学(613篇),化学工程(476篇)、经济学(188篇)等,通过类别分析发现,乡村可再生能源利用的研究领域涉及环境、能源、工程建设、经济等行业,研究成果侧重于环境影响、技术应用和政策引导下特定技术的创新或改进。

2.1 论文发表数量趋势

2012—2022年发表的有关乡村可再生能源主题的论文数量和引用频次如图1所示,反映了国内外学者对乡村可再生能源利用话题的关注及其变化情况。

图1 乡村可再生能源主题论文发表数量和引用频次

由图1可知,近十年的发表论文数量整体上呈逐年增加的趋势,2012—2022年均增速约78篇/年,其中2012—2015年发表的论文数量小幅上升,虽然变化幅度略有波动,但各年份出版成果数量均处于450以内,而在2015年后,相关主题的研究论文数量增加明显,2015—2016年同比增长速度39.16%,根据时间节点分析,这一现象的背后原因可能与2015年末联合国气候变化框架公约缔约方于联合国气候大会上共同签署了关于气候变化协定——《巴黎协定》有关,各缔约方承诺将提升国家自主贡献应对气候问题,由此针对可再生能源和乡村地区的研究开始得到重视。

根据图1中论文年度被引频次来看,乡村可再生能源主题研究论文被引频次逐年增加,2022年文献总被引频次达到49 527次,被引频次的上升在一定程度上表明学者对该主题的关注和重视,同时也表明有较多的研究成果得到同行的认可。其中引用次数最高的一篇文献是Kumar等人[17]发表在Renewable and Sustainable Energy Reviews期刊上的一篇综述文章,被引频次达到785次,该文主要介绍了各类能源规划中多标准决策(MCDM)技术,以及概述了基于能源MCDM模型中的各种绩效指标和能源规划方案,最后对MCDM未来多情景应用进行评估并提出展望,为解决现实发展中国家尤其是乡村地区可持续性目标问题提供了参考。

2.2 期刊来源分析

表1是乡村可再生能源领域发表量排名前10的期刊,其中大部分具有较高的影响因子,表明乡村区域在可再生能源和能源研究领域是主流期刊关注点。检索到的7 692篇论文发表在800多种期刊上,发表最多的期刊是Renewable Sustainable Energy(5.36%),其次是Energies(3.85%) 和Renewable Energy(3.51%)。对于期刊的评价指标Web of Science数据库采用影响因子和引文指标进行评价,前者是衡量期刊过去两年在期刊上发表的论文的年平均引用次数,后者则是衡量期刊最近三年发表的可引用项目(文章和评论)的平均类别标准化引文影响(CNCI)的指标,表1中的大部分期刊都被认为是顶级期刊或核心期刊,其中Renewable Sustainable Energy和Journal of Cleaner Production期刊在拥有较多发文量的同时也有较高的影响因子和引文指标,反映了两种期刊在乡村可再生能源利用主题研究领域的权威性。

表1 乡村可再生能源主题论文发表量前10期刊

2.3 国家和地区分布分析

表2是统计的论文数量排名前10的国家情况,它们的合作关系如图2所示。根据分析发表论文数量结果可知,近十年来自中国发表的论文数量最多,为827篇,其次是美国和印度,分别为723篇和616篇。论文发表排名前十的国家经济水平较高, GDP排名均处于世界前十,尽管在减缓气候变化问题各个国家整体遵从“共同但有区别”的责任,但不同发展水平国家在资金和技术能力方面存在差距,经济仍是制约不同国家对乡村可再生能源重视程度的因素。值得注意的是,近十年中国地区发表论文数量占总比约10.75%,列居首位,如果将筛选时间跨度缩小到近五年(2017年1月1日-2022年10月1日),中国学者发表论文数量占比提升至16.83%,而2017年年底我国正式提出“乡村振兴”战略,因此论文发表数量的增加从侧面反映了相关政策对研究热度具有一定程度的推动作用。

表2 论文发表数量前10的国家和地区情况

图2 国家合作网络分析

应对气候变化问题,每个国家都须承担符合国家自身发展状况的责任,体现了全球各国应对挑战的“公平性”原则。如图2所示,中国、印度和美国是乡村可再生能源利用领域的领导者,中印各自地区研究众多,研究关联程度相对较高,而欧美国家之间有着更为广泛的合作关系。此外,图2中大量弱节点间的复杂链接表明,众多国家或地区之间的学术交流密切,而这些弱节点所标示的地区可能将会是乡村可再生能源主题研究的下一个发展空间。

2.4 共引参考文献分析

共引参考文献是基于两个文献并排提及的频率来衡量两个文档间的语义相关性的指标。通过对筛选后的论文的引用情况如图3所示,其中标注的点为被引用次数超过30次的论文。这些论文关注可再生能源领域内的以下主题:多标准决策、混合能源系统、能源系统优化、民众意愿、经济技术可行性和相关设施选址规划[18-24]。这些文献以综述性论文为主,较多共引凸显了这些文献为后续同类型研究提供了参考的重要价值。

图3 经常被共同引用的参考文献网络图

3 研究前沿分析

关键词是作者用来描述所著论文主题的词语,是论文检索和获取过程依靠的重要证据,关键词能反映论文核心的内容和话题。本研究所筛选出论文中的关键词内容较为广泛,图4展示了统计关键词出现次数在20次以上的聚类可视化结果,表3详细列出了关键词统计出现频次前20的结果,其中论文中出现频率较高的关键词有Renewable Energy(637次)、Rural Electrification(352次)、Solar Energy(207次)、Biomass(169次)、Sustainability(162次)、Optimization(156次)、Bioenergy(155次)、Biogas(135次)、Microgrid(113次)、HOMER(112次)、Photovoltaic(107次)出现频次在100次以上。

表3 高频关键词及出现频次

图4 高频关键词共聚可视化

通过对高频关键词相关文献分类整理分析,将研究热点分为以下几点:

1)微电网实现乡村地区电气化及可行性研究。微电网是一种由分布式发电、储能和负荷组成的趋势性小型电力系统,主要通过因地制宜将区域内水电、光伏、风能等单一发电系统进行优化或多种发电系统互补,弥补各地区由于地理和自然资源的差异,导致传输成本以及需求和负载分布不平衡的问题,以实现乡村地区能源转型[25-27]。例如,Zhang等人[28]开发的一种小水电和本地负荷构成的微电网,通过模拟验证该微电网组在小型水电额定功率2.5 MW时,最大频率偏差为-0.05 Hz,可以为乡村配电网提供较为稳定电力; Bilich等人[29]通过生命周期评价方法对肯尼亚示范村光伏-电池、光伏-柴油、光伏-混合三种光伏微电网系统进行审查表明,三类系统使用使得传统能源利用模式能源负担大幅度降低,其中光伏-电池系统每生产一度电比边际电网系统要节省能源可达80%～88%;Mthethwa等人[30]对南非农村社区太阳能光伏-风能-电池存储混合微电网系统进行了优化,研究结果表明,混合能源微电网系统可100%由可再生能源提供服务,即使在农田灌溉负荷高峰期也可满足供电需求。

2)乡村地区生物质资源气化研究。生物质气化是通过热化学将乡村常见生物质转化为以一氧化碳(CO)、氢气(H2)、甲烷(CH4)以及少量其他轻质烃(CnHm)为主要成分的合成气的过程,而气化产物通过发电或热电联产(CHP)技术进行分布式发电[31,32],通过生物质内在化学能释放抵消化石燃料排放,以实现能源清洁利用[33]。例如,Huang等人[32]通过对我国农村农残资源分布式发电分析表明,当电站规模为5 MW,电费定价在每度电0.402元,此时分布式气化发电较其他发电模式具有市场竞争力,同时预计节约标准煤4.1×107吨/年。Safarian等人[34]通过模拟常见生物质在下吸式气化炉内燃烧发电表明,仅从热电联产系统低碳效益出发,木材气化每生产一度电的电力全球变暖潜能值仅为0.07 kg CO2e。Wang等人[35]基于全生命周期法对我国乡村生物质气化发电进行了评估,结果显示生物质气化发电技术全生命周期温室气体排放量为8.68 t CO2e/104kWh,生物质气化技术的全生命周期碳排放量比煤炭技术低14.7%,农村生物质气化发电实测温室气体排放量与城市相比低8.6%,因此得出生物质气化发电技术在农村地区的适应性更强的结论。

3)乡村地区居民可再生能源技术使用意愿研究。乡村居民作为可再生能源技术应用的参与主体和最终受益人,对可再生能源技术的接受程度影响着可再生能源的利用效率。乡村居民技术使用意愿研究一般为先采用问卷调查的形式收集数据,然后通过模型构建进行变量分析其影响因素,以期更好促进可再生能源技术的推广使用。其中常见的意愿模型包括统一技术接受和使用理论(UTAUT)模型、计划行为理论(TPB)模型和技术接受模型(TAM)以及其他模型及其扩展[36-38]。例如,He等人[39]对我国8个省共14个市的农村地区农户对农作物秸秆能源利用补偿的接受意愿进行分析表明,当补偿金额约为家庭平均年收入的1.11%～1.71%时可提高对农户参与农作物秸秆利用的积极性;Elahi等人[40]构建的TPB扩展模型对巴基斯坦农村地区农民对光伏-水能利用的接受程度进行分析,结果表明该地区农民对绿色电力的使用呈积极态度,但超过三分之二的农民并不愿意为绿色电力支付额外的费用。Shi等人[41]抽取我国41个自然村对居民关于采购光伏设备意愿进行调查,通过构建TAM模型对调查统计结果进行分析,结果表明,通过宣传教育、村领导参与、财政激励和社会互动对居民采用太阳能光伏的意愿具有积极影响。

4 结语与建议

基于文献计量学和可视化工具对2012—2022年Web of Science 数据库中乡村可再生能源利用为主题的相关文献进行了统计分析。研究发现,乡村可再生能源利用研究受到越来越多学者的关注,近十年发表论文数量和被引频次逐年增加,特别是近五年发表论文数量上升趋势明显,且刊载量大的期刊多为该领域的顶级期刊,同时也反映了同一领域内学者对该主题的重视和研究成果的影响力进一步扩大。论文发表量前三的国家是中国、美国、印度。通过对文献主题关键词分析,研究热点主要集中在①微电网实现乡村地区电气化及其可行性研究;②乡村地区生物质资源气化研究;③乡村地区居民可再生能源技术使用意愿研究。

实现乡村地区的可持续发展与区域可再生资源、经济水平和社会各个方面密切相关,可再生能源的利用是一个不断实践和认知的过程。为此建议:①研究机构和相关产业部门利用已有的研究成果发掘各类型乡村可再生能源利用的潜力,实现乡村再生能源可持续性发展。这是涉及多学科和多产业交叉融合的过程,既需要自然科学和工程技术,又要考虑社会科学和政策机制设计,推进清洁能源利用。②推动技术创新,实现有效资源整合利用和区域发展规划设计,加快推广太阳能、风能发电和沼气利用,同时关注能源发展过程中的环境污染效应,为控制决策提供科学参考依据。③在当前形势下,乡村可持续发展和经济约束相结合,需要决策者在“乡村振兴”和“双碳目标”的目标下对乡村可再生能源进行科学分析并做出政策指导。未来可再生能源项目实施前和实施过程中需要严格做好环境影响评价,以期将技术对生态影响降到最低。

由于本文检索策略和筛选标准存在主观性,而乡村可再生能源利用和发展受社会、经济、能源、政策和技术等因素影响存在不确定性,可能会影响分析结果。