■ 中国电机工程学会农村电气化专业委员会
为深入贯彻落实党的十九大精神和习近平总书记能源革命战略思想,推进乡村振兴,探索新时代县域能源转型新路子。2018 年7 月,国家能源局批准河南省兰考县为全国首个农村能源革命试点县,同意兰考县按照《兰考县农村能源革命试点建设总体方案(2017—2021)》(下文简称“总体方案”)开展农村能源革命试点建设。兰考农村能源革命的重点任务包括农村能源供给革命、农村能源消费革命、农村能源技术革命、农村能源体制革命、城乡废弃物能源化利用5 个方面。
为了解先行先试的兰考在农村能源革命试点建设方面取得的成果、经验及遇到的困难,总结借鉴所积累的可复制、可推广经验,以点带面助力农村地区能源清洁低碳转型,8 月28—30 日,中国电机工程学会农村电气化专业委员会组织专家,对河南省兰考县的农村能源革命开展情况、面临的主要问题、采取的措施和取得的主要经验进行了调研。
兰考县位于河南省东部,下辖3个街道、13 个乡镇,全县总面积1 116千米2,总人口87 万。由于化石能源匮乏,早些年兰考全县用能以外来的电力、油、气为主。自试点工作开展5 年以来,兰考因地制宜推进风能、太阳能等可再生能源开发,加强电网基础设施配套建设,已初步形成以清洁能源为主体、多能互补的农村能源发展新格局。
农村能源供给方面。至2022 年年底,风电装机容量79.4 万千瓦(集中式76.7 万千瓦,分布式2.7 万千瓦),2022年累计发电量105 566.5 万千瓦•时,年利用小时数1 329 小时;光伏发电装机容量33.5 万千瓦(集中式20 万千瓦,分布式13.5 万千瓦),2022 年累计发电量17 728.4 万千瓦•时,年利用小时数529 小时;秸秆焚烧发电装机容量2.4万千瓦,2022 年累计发电量5 489 万千瓦•时,年利用小时数2287 小时;生活垃圾热电联产装机容量1.5 万千瓦,2022 年累计发电量3 652.7 万千瓦•时,年利用小时数2 435 小时。全县可再生能源发电并网装机容量达116.8 万千瓦,与2016 年相比,增长了31 倍;全县非化石能源消费占比从22%,提高到80.39%;可再生能源发电量占全社会用电量比重从21%提高到95.09%。
农村能源消费方面。投资1.36 亿元实施“井井通电工程”,全面解决11 792 眼机井灌溉用电问题,机井通电覆盖率由72%提升到100%。全面保障居民采暖用电需求,累计完成“电替代”清洁供暖4.4 万户。十三五期间累计投资14.98 亿元,户均配变容量达到2.89千伏· 安,比2016 年提升2.63 倍,高于全省平均水平17.9 百分点;户年均停电时间由23.06 小时降为10 小时,是2016 年的43.37%。投运新能源公交车、出租车、公务车751 辆,每年替代燃油约2 464 吨,建成电动汽车充电站23座、充电桩165 根。地热供暖面积达到6.8024 千米2。兰考目前基本实现了全域煤炭消费清零,初步形成绿色低碳的能源消费体系。
农村能源技术方面。提升智能化用能水平,有效保障可再生能源消纳,有序开展多能互补、能效管理、需求响应、智慧用能等多类型综合能源服务。兰考县供电公司积极开展多项“能源互联网+”试点项目。张庄奥吉特菌业有限公司的蘑菇种植对温度、湿度要求很高,该公司能源消耗较大。供电公司为其制定了能耗解决方案,利用用能监测传感器实时监测各种植大棚的用电情况,可实现年节约20 多万元成本,显著提升了企业能效管理水平。坐落在兰考数字普惠金融小镇旁的桐乡供电所是2022 年建成投运的河南省首座“零碳”供电所。在供电所辖区范围内,智慧路灯、光伏座椅、光伏步道、储能电站等智慧能源新设备随处可见。据介绍,该所光伏和风力发电系统年发电量约4.85万千瓦•时,通过分布式清洁能源、储能系统、建筑节能及用能优化等技术的实施,完成了供电所节能降耗改造,年节约电量达8 190 千瓦•时以上,通过实时数据监控,实现清洁能源发电的高效利用和峰谷用能的调节,所发“绿电”全部就地转化利用。
农村能源管理方面,建立全品类能源数据库,形成可推广可复制的县域能源大数据建设模式,打造能源监测、运营指挥、公共服务3 个平台,面向政府、企业、居民提供智慧能源服务。能源数据库涵盖发电企业、热力企业、燃气企业、成品油企业、电网、能源消费企业、政府、居民各类数据14 101 万条。能源监测平台可实现分类能源监测、碳排放监测、革命成效监测。运营指挥平台可实现源网荷储各环节的能量管理与运营指挥。公共服务可实现电力基础服务(网上办电、配电抢修、智慧服务)、电力拓展服务(区域电能消费、乡镇产业用电、企业用电、重点产业用电)、服务乡村振兴(乡村用电、乡村振兴指数、农村空心化率)。分布式清洁能源生产和消费体系基本确立,多方合作、互利共赢、经济可持续的市场化清洁能源开发利用模式基本建立。
城乡废弃物能源化利用方面,兰考建成了1.5 万千瓦生活垃圾热电联产项目、2.4 万千瓦秸秆电热电联产项目。光大环境建设的1.5 万千瓦生活垃圾热电联产项目可日处理生活垃圾600 吨,每年可处理21.9 万吨生活垃圾,发电约7 000 万千瓦•时,并可为产业聚集区实现集中供热。每吨垃圾约可产电320千瓦•时,可满足1 个家庭1 个月的用电需求。这种方式在实现生活垃圾的无害化处理与环境美化同时,也实现了能源的清洁供应。农村废弃物的充分开发利用正推动兰考县从“能源消费前端”变为“能源生产前端”。
总而言之,兰考在生态文明建设、能源供给能力、能源消费结构等关键指标方面取得了新突破。在能源产业化、资源能源化、能源普惠化、能源智慧化等革命成效方面效果明显。
关键指标:生态文明建设方面,全县生活垃圾无害化处理率目标94%,达到100%;秸秆、畜禽粪便资源化利用率目标90%,达到96%;清洁供暖普及率目标80%,达到99%;公众绿色出行率目标90%,达到93%。能源供给能力方面,供电可靠率达到99.77%,配变电压合格率达到95.86%,融合终端覆盖率达到100%,配变台区线损整体达标率达到99.58%,燃气管网覆盖率达到100%,热力管网覆盖率达到61.84%,可再生能源发电量占能源生产总量比重可达到97%,生物天然气年产量占县域用气量需求比重为24%。能源消费结构方面,可再生能源占一次能源消费比重目标60%,达到80.39%;可再生能源发电量占县域全社会用电量比重目标90%,达到95.1%。
革命成效:能源产业化方面,实现投资142.5 亿元,税收5.1 亿元,拉动就业19 985 人,其中贫困人口6 799 人,达到强县和富民统一起来的效果。资源能源化方面,农作物秸秆处理量215 万吨,相当于处理973.33 千米2农田所产秸秆,节约标煤19.4 万吨;禽畜粪污处理量390 万吨,相当于处理356 万头猪所产粪污,实现二氧化碳减排53.1 万吨;生活垃圾处理量29 万吨,相当于处理108 万人年所产垃圾,实现减排二氧化硫、一氧化氮、粉尘271.6 万吨,达到改革和发展结合起来的效果。能源普惠化、能源智慧化方面,农网投资14.98 亿元,燃气管网投资6.2 亿元,双替代完成46 800 户,能源互联网运营平台接入扶贫光伏户6 034 户,接入农村特色企业2 家,提供便民服务20 229次,达到城镇和乡村贯通起来的效果。
农业农村现代化离不开能源支撑,能源产业是乡村振兴的重要支撑。兰考县政府及兰考供电公司认真落实国家的决策部署,坚持系统化、全局化思维,将清洁能源开发利用各项业务与电网安全、能源转型、行业发展统筹安排。从推动能源生产方式发生重大变革到促进能源消费结构不断优化,从显著提升能源利用效率到持续提高供电服务质量水平,兰考农村能源革命正助力当地探索绿色发展之路。
兰考供电公司主动服务、科学研判,全力服务分布式光伏科学、有序、健康发展。一方面主动开展超容量台区治理,对于已经超容量并网的台区开展摸排,结合台区运行情况、负荷变化情况,结合光伏开发单位,科学研判,综合治理,确保不因光伏接入对台区企业、居民用电安全产生不利影响。例如针对负荷密度小、分布式光伏资源较好的农村台区,配置25 干瓦/50 千瓦•时储能缓解反向过载问题。另一方面,积极争取台区可开放容量试点。强化新技术应用,利用新能源云等先进技术,科学研判台区可接入容量,定期向社会公众开放,引导分布式光伏投资方科学、有序接入,按需合理配置储能。目前兰考地区已部署9.6 兆瓦电网侧储能,下一步将开展长周期氢储能应用,考虑示范建设兆瓦级氢储能电站,探索培育“风/光发电+氢储能一体化”应用新模式,加快与多能互补和智慧微网技术融合。
建立了台区分布式光伏运行管理平台。实现了对分布式接入光伏发电信息的实时获取、管理与分析。目前兰考共有光伏接入用户6 615 户,其中全额上网用户6 270 户,余电上网用户345户,光伏接入用户中5 074 户用户可实现刚性控制,39 户用户实现柔性控制,实现了对接入光伏控制能力的提高。光伏台区数为1 766,占比38.48%,光伏报装容量149.20 兆瓦,光伏台区容量474.23 兆瓦,渗透率31.46%。
为促进分布式光伏发电健康可持续发展,进一步研究提出以下开发建议。(1)规范备案管理,按照“谁投资、谁受益、谁备案”原则,严格区分自然人备案和非自然人备案。(2)严格执行并网前流程,以设备购置发票作为投资主体、备案主体一致性的关键因素。(3)规范增量,摸排存量,按照最新要求对存量进行一致性摸排。
兰考计划将深度参与电力市场,充分释放能源体制革命价值。(1)启动电能量市场,释放市场价值:借鉴山东等先行省电力市场建设经验,有序积极推动集中式、分布式新能源进入市场,发挥新能源边际发电成本低优势,撬动电力交易价格。(2)争取绿电绿证市场,释放生态价值:积极争取绿电绿证交易先行先试,吸引有绿电绿证需求的出口外向型企业落户,或者购买绿电,实现生态溢价。(3)探索新兴市场主体交易,释放协同价值:通过市场化手段整合负荷资源,利用价格信号,服务负荷聚合商、虚拟电厂等新型主体通过响应电网需求、削峰填谷等,为度夏、度冬期间电网保供提供有力支撑。
2018 年开始,国网河南省电力公司在兰考县打造了集能源监测、配置及服务的能源互联网平台,实现电力、燃气、燃油全品类能源的生产、传输、消费全链条信息互联互通与数据共享,面向政府、企业、居民提供智慧能源服务。平台目前具有运行监控、发电预测、可调负荷分析、策略生成等系统功能,有效抑制了光伏、风电等新能源发电并网带来的电网波动,提高电网安全运行水平,保障清洁能源就地最大化消纳。
上线了全国首个“碳达峰、碳中和”进程监控分析系统。依托能源互联网平台,兰考还上线了全国首个碳达峰碳中和进程监控分析系统,实现了以日为最小维度,细化到兰考县13 个乡镇,覆盖兰考现有能源消费、工业体系、生态碳汇全口径的“双碳”进程监测及分析评价功能,从平台上可获知企业的用能情况,为了解兰考县能源当前现状、科学研判能源运行态势以及今后发展决策提供了一项重要参考。
建立了“三位一体乡村振兴电力指数”体系。基于能源互联网平台,围绕乡村产业、农村生活、农业生产,立足于河南省农业农村大省的定位,建立了适应河南省省情的“三位一体乡村振兴电力指数”体系,构建乡村产业兴旺电力指数、乡村生活富裕电力指数、乡村农业发展电力指数,表征乡村产业发展、人民生活水平改善以及农业现代化水平。当前,该平台基于乡村133 个类别用电数据与农业、产业、农民生活关联度分析,构建乡村振兴电力指数量化分析模型。依托对电力大数据的智能化测算,平台可为光伏、风力等发电企业提供负荷优化信息、交易服务,实现可再生能源消纳;为能源传输企业提供能源生产及消费数据服务,降低传输成本;为用能企业和居民提供能效优化方案等服务,提高用能效率……强大的综合服务功能吸引全县各类能源生产企业、传输企业、用户积极接入。能源互联网平台发挥电力大数据价值,丰富了乡村振兴成效评估手段,实现了动态监测、直观研判乡村振兴发展态势,支撑政府精准施策、电网精益建设,为河南“在乡村振兴上实现更大突破、走在全国前列”赋能。兰考能源互联网平台已被国家乡村振兴局《乡村振兴简报》、河南省乡村振兴局《乡村振兴动态》专刊印发推广,获得各级领导批示肯定。
打造企业级源网荷储一体化示范。目前已建成智慧能源馆,并融入风、光、储、充多种元素,将其打造为企业级源网荷储一体化示范。在智慧能源馆内建成了能源互联网平台和“新能源云”平台,逐步实现了分布式光伏承载力线上评估以及全县各类能源的“能源监测、运营指挥、公共服务”功能应用,全县域、全品类、全链条能源运行“日度级”可观可测。
打造“一乡、一村、一台区”微电网群示范。按照“一新、两微、三自”规范标准建设兰考县东坝头镇微电网—张庄村级微电网和黄河湾台区级微电网,打造“微电网规范化建设样板”、探索“微电网—大电网”可持续发展实证平台。
新能源装机比重持续增加,但电力支撑能力与常规电源相比还有差距,未形成可靠替代能力。这使得兰考电网在安全保供、源荷衔接、开发模式、体制机制方面面临挑战。
随着新能源规模化发展,兰考与上级电网电力交换大进大出,系统调峰压力逐步凸显。
交互频次方面,2022 年,全年超过1/3 时间向上级电网反送电,是2020年的2 倍,是2019 年的100 倍以上,预计2025 年将超过40%。交互功率方面,截至2022 年底,兰考新能源装机116.8 万千瓦,联络线最大日波动功率(82 万千瓦)较2019 年翻了一番,预计2025 年装机将超过200 万千瓦,或将超过线路输送极限,且部分变电站存在卡脖子问题。
度夏保供期间,新能源贡献率不足5%。2022 年度夏期间,由于极端天气影响,电力可靠供应难题凸显,各省为抢夺电力资源,省间现货出现顶格申报现象。2022 年,为了确保新能源消纳,河南省火电调峰辅助服务费用近20亿。
分布式新能源逐步成为兰考新增电源主体,分布式光伏发展速度远超用电负荷增速,仅靠加强电网难以满足光伏敞口发展需求。
分布式光伏增速远超负荷。截至2023 年6 月中旬,兰考负荷同比增长3.2万千瓦,分布式光伏新增9.1 万千瓦,新能源装机增量远大于负荷侧所需求的电量;河南全省分布式光伏月增百万装机,火电压至最低、集中式光伏全停用以调峰,但分布式光伏仍无法就近消纳,导致新增发电量层层上送至特高压。
社会用能成本无法承受分布式敞口发展。光伏户均可装机容量约25 千瓦,若敞开发展,户均配变容量须要达到目前的10 倍才能满足光伏上网要求。而为了保障电网投资有效回收,输配电价势必达到当前的10 倍以上,会导致社会用能成本无法承受。
随着光伏建设成本下降,经济效益显著提升,多地对集中式光伏都进行严格审批和配备储能要求,建设需纳入省能源建设项目库,按规定流程开展开发建设。但部分不满足审批要求的项目,光伏运营商“化整为零”,以屋顶光伏项目的名义进行开发建设,超过了当地的可承载容量。此外,电网整体承载能力趋于饱和,若新能源装机无序增长,将导致弃光率上升。
户用光伏主要采用合作开发模式,存在开发企业与百姓权责不匹配,各类安全隐患亟需关注。
部分开发模式不规范。存在光伏开发企业通过向农户出租光伏发电设备,开发企业获得了80%以上的光伏发电收益,却逃避了建设运行安全职责,农户月收益百元左右,却承担着长达25年的屋顶租赁责任、光伏设备的管护责任。此外,企业与农户合作本质是企业租赁农户屋顶,但企业通过合同将屋顶租用变相为了农户租用企业设备,借农户名义进行贷款,产生了“光伏贷”,该模式处在监管灰色地带,如出现光伏发电收益不足、企业资金链断裂等问题,极易埋下经济纠纷隐患。
例如,以兰考县李寨村一户居民为例,分布式光伏户用项目采用租赁屋顶的方式,由厂商投资建设后向电网售电,农户主要赚取屋顶租赁费。屋顶单块光伏组件规格为545 瓦,产品单价为4.5 元/瓦,投资前15 年,每年每块光伏组件村民可享收益40 元,之后10 年时间内每年每块光伏组件可享收益50元,且随着光伏产业的发展,光伏组件成本下降,后续屋顶光伏项目中的光伏组件的产品单价也逐年下降,屋顶光伏投资成本将整体降低。存在如下7 方面问题:(1)合作模式问题:本质是企业租用农户屋顶,变相为农户租用企业设备。(2)电费收取问题:本质是农户报装光伏设备,电费应支付给农户,变相为企业保管收益并获得支配权。(3)收益支配问题:农户只获得屋顶租赁报酬,其余收益以运维费、光伏电站使用费(利息高达8.6%,LPR+4.3%)等形式被企业拿走。(4)剩余价值分配问题:按照LPR+4.3%支付光伏电站使用费,25 年后光伏电站收益无法弥补使用费用,无光伏电站剩余费用。(5)电费以外可能存在的收益,企业拿走80%,剩余给农户分配。(6)将农户深度绑定至光伏设备,房屋维修、扩建、搬迁,可选择购买光伏设备残值,若3 个月内不能将光伏再次安装,须按照残值赔偿企业。(7)可能的偷逃税款问题:电力企业向用户支付光伏电站发电费用,并代开发票。后续费用转由企业支付,光伏电站大部分获益被企业拿走,该部分利润应向谁支付发票、是否支付,合同未明确,目前仍存在灰色地带。
其他各类安全隐患亟须关注。部分光伏运营商资质参差不齐,施工质量难以监督保障,部分开发企业不顾房屋承载能力,强行加大装机容量,严重威胁农户房屋居住和人身安全,存在危害农户安全,损害农户利益的风险。同时部分地区光伏接入规模超过承载能力,反向过载或者过电压可能引发所在台区配变、家用电器烧毁,严重危害供电安全。以2023 年8 月30 日10:00 为例,根据兰考台区分布式光伏运行管理平台所示数据可知,该时刻分布式光伏实时出力60 287.15 千瓦,台区反向上网功率16 947.87 千瓦,反向重过载台区数2 个,过电压用户数409 户,负荷超容用户数27 户,电压不平衡用户数52 户。
分布式电源、储能等新型主体逐步进入市场,但相关机制尚不完善,长时程储能技术资源匮乏,未形成有效市场作用。
分布式发电缺乏科学合理市场参与模式。考虑分布式电源出力特性,电力系统须配备更多的灵活调节资源来保证电能的可靠供应,系统平衡成本将持续增加。新型储能缺乏成熟市场运营模式。目前,兰考公共交通已基本实现电动汽车全覆盖,并已投产10 兆瓦新型储能,在建100 兆瓦共享储能,但参与电力系统运行缺乏成熟运营模式和配套市场机制,无法充分释放调节潜力和促进新能源消纳,同时缺少储氢等长时程储能技术。
深入开展分布式光伏规模化发展下的配电网规划,科学制定电网升级改造方案,保障光伏有序接入。切实用好可开放容量发布机制,科学引导分布式电源向负荷集中地区部署,优先就地、就近消纳,减少能源输送距离和转化环节,提高农村能源资源综合利用效率。
推进农村电网建设改造升级,补强农村电网基础设施短板,助力农村电气化水平提升。针对新能源汽车下乡等新趋势,做好农村电网规划与充电基础设施规划的衔接,加强充电基础设施配套电网建设改造和运营维护,提高户均配电容量,适应农网负荷增长需求,增强电网支撑保障能力。提升分布式电源就地消纳和保供能力,保障用电高峰时段农民群众的用电需求。
进一步完善项目备案管理规范,合理区分自然人户用光伏项目和非自然人建设光伏项目,防范企业以户用光伏的名义开展分布式电源项目,将大量分布式光伏无序接入农村低压电网,影响农村供电安全与供电质量。
加强村民对分布式光伏建设的宣传教育,使村民进一步正确了解光伏项目的收益与责任,鼓励村民利用自有住宅因地制宜建设分布式光伏,同时合理利用农村荒地、村委公共空闲土地或建筑屋顶,建设光伏扶贫电站,增加村集体和村民收益,切实落实光伏扶贫和乡村振兴等惠民政策。
挖掘企业和公用设施的屋顶和空闲场地资源,安装屋顶光伏、光伏走廊等发电设备,所发的电自发自用,降低企业用电成本,帮助乡村产业园区规模化发展。
持续立足实际,根据不同地区的分布式能源建设需求和潜力,结合实际情况制定具体的目标和措施,尽力平衡分布式能源建设与本地能源需求,持续加强项目管理和监督,确保项目质量,关注经济和环境方面的实际效益,在实践中不断完善和推进。
全力做好示范村的分布式光伏开发等示范项目建设工作,对成功案例和经验及时、多渠道、多形式进行宣传和展示,形成可复制、可推广的经验,引领全县分布式光伏科学有序安全发展,亦为全国县域新型电力系统建设和能源转型不断贡献“兰考智慧”和“兰考范式”。
分布式能源发展建设和县域能源转型涉及多领域多学科,需要多种专业人才的参与。
建议加强企业内部培训和外部交流,不断提高从业人员的技能水平和综合素质。
提供更好的职业发展机会,吸引更多的优秀人才,持续推动乡村产业发展。如发展虚拟电厂、微电网以及相应的数字技术吸纳一批就业人口,集聚乡村振兴的人力资源,带来乡村产业持续发展的机会。
创造更多的就业机会,全面推进乡村振兴。如培养本地专业化服务队伍,通过项目运维管护、乡村能源站建设运行等增加就业。为广大村民开创除进城打工之外的另一条路,搭建发挥村民农耕智慧的崭新舞台。
兰考县是典型农业县,风电光伏资源一般,农林废弃物、畜禽养殖废弃物等可再生能源资源较为丰富,在这种资源较为普通、均衡的条件下开展农村能源革命试点建设,对推动县域能源生产、消费、技术、体制革命,建立经济可持续的清洁能源开发利用模式,构建绿色低碳、安全高效的现代农村能源体系,探索新时代县域能源转型新路子,建设美丽乡村,具有重要意义。
通过本次调研,我们了解到农村绿色能源转型已经取得了一定的进展,兰考农村能源革命试点县建设取得成效明显。推动农村能源生产革命,农村清洁能源供给能力显著增强;推动农村能源消费革命,农村清洁能源消费水平大幅提升;推动农村能源技术革命,人民群众用能更加便捷高效;推动农村能源体制革命,改革红利更多更好惠及民生;推动农村废弃物能源化利用,美丽乡村天更蓝水更清人更富。兰考在清洁能源的供给、消纳、体制等方面同步发力、积极探索,为农村能源革命提供了可推广的鲜活经验,为全国各地提供了可借鉴的兰考样板。
实施农村绿色能源转型是一项复杂而长期的系统工程,既有能源领域自身发展中面临的技术经济、体制机制问题,也有与乡村振兴、生态环保、土地利用等其他方面的政策协调推进的问题。推动农村绿色能源转型仍须多方协同发力,以使其更好地发挥辐射效应、带动效应、溢出效应,协同助力乡村振兴、“双碳”行动、美丽乡村、数字乡村、共同富裕、农业农村现代化等一系列重大国家战略走向纵深。