李宇星楊怡楠王鑫紅王鼎衡夏語婕蘇鈞驛李昊

(1.國網(wǎng)吉林經(jīng)研院，吉林 長春 130000；2.國網(wǎng)吉林供電公司經(jīng)濟技術研究所(設計院)，吉林 吉林市 132000；3.吉林大學，吉林 長春 130022；4.合肥工業(yè)大學，安徽 合肥 230009)

引言

2020年7月，習近平總書記在吉林省考察時指出，東北是世界3大黑土區(qū)之一，是“黃金玉米帶”、“大豆之鄉(xiāng)”，黑土高產豐產，同時也面臨著土地肥力透支的問題。一定要采取有效措施，保護好黑土地這一“耕地中的大熊貓”[1]。吉林省地處東北亞合作中心樞紐，在國家糧食安全、生態(tài)安全和能源安全方面的戰(zhàn)略地位十分重要。吉林省委省政府貫徹新發(fā)展理念，提出“三個五”發(fā)展戰(zhàn)略，從農業(yè)現(xiàn)代化和新型城鎮(zhèn)化、生態(tài)文明建設等5方面做出重要部署。吉林省新能源儲量大、化石能源儲量不足、火電規(guī)模大，但電煤依賴外運，隨著“碳達峰、碳中和”目標提出，大力發(fā)展新能源既是資源稟賦和經(jīng)濟發(fā)展要求，也為新能源與農業(yè)農村電氣化協(xié)同發(fā)展奠定堅實基礎。

1 吉林省新能源與農業(yè)農村電氣化協(xié)同發(fā)展?jié)摿Ψ治?/h2>

1.1 新能源驅動能源轉型發(fā)展的潛力巨大

吉林省風光資源質優(yōu)量足，全省風光資源可開發(fā)容量約為1.15億kW，而現(xiàn)有風光裝機僅為920萬kW，不到儲量的10%。人均用電量及人均生活用電量將顯著提升，2020年吉林省全社會用電量805.4億kWh，人均用電量和人均生活用電量分別為3346kWh/人和586kWh/人，處于工業(yè)化階段后期[2]，隨著全省經(jīng)濟社會發(fā)展的不斷提升，用電需求將逐步增強。非化石能源消費占比存在提升空間，2020年吉林省非化石能源消費占比11.5%，低于全國15.9%的平均水平，隨著“碳達峰、碳中和”方案的穩(wěn)步實施，以電為中心的非化石能源消費量將顯著增加。同時，全省能源供需仍面臨以下挑戰(zhàn)：對化石能源的依賴大，同時本地供給不足，2020年，全省煤炭自給率為10.8%，原油自給率為39.6%[3]。以熱電聯(lián)產為主的煤電仍是主導電源，電源結構以煤電為主體，裝機占比超過50%，靈活性調峰電源比例較低。但風電的波動性和間歇性對調峰需求大，需求側調節(jié)能力尚未充分挖掘。

1.2 農業(yè)農村能源消費模式轉變空間較大

2020年吉林省糧食產量達到380.3億kg，連續(xù)8a穩(wěn)定在350億kg以上階段性水平，穩(wěn)居全國第5位，糧食單產居全國第4位。鄉(xiāng)村生產生活存在以下特點：農業(yè)機械化發(fā)展不平衡不充分問題突出，農機裝備生產制造水平有待提高[4]，截至2019年底，省內農業(yè)機械總擁有量達到883萬臺，農業(yè)機械總動力1.097億kW，主要類型涵蓋拖拉機及配套機械、種植業(yè)機械等，受作業(yè)規(guī)模、組織方式等因素限制，農機技術相對落后，傳統(tǒng)的機械化作業(yè)難以滿足農業(yè)精準作業(yè)的需要。傳統(tǒng)農機基本由柴油、內燃機驅動[5]，農業(yè)機械動力依賴化石能源，全省農業(yè)機械動力基本以柴油、汽油等一次化石能源為主，占比達到96.1%；糧食加工、飼料加工等少部分農業(yè)機械以電動機為動力，占比僅為0.7%。農村電網(wǎng)可靠性、穩(wěn)定性、智能化檢測控制及電力調度能力仍較低[6]，吉林省農村電網(wǎng)網(wǎng)架結構相對薄弱，以輻射式為主，單線或單變占比高；10kV線路聯(lián)絡不足，對上級電網(wǎng)支撐能力有待加強，存在部分“卡脖子”和老舊設備，智能化水平有待加強，與分布式電源接入需求之間的矛盾突出。

2 吉林省新能源與農業(yè)農村電氣化協(xié)同發(fā)展形勢分析

2.1 新能源發(fā)展形勢分析

2.1.1 吉林省新能源發(fā)展現(xiàn)狀分析

2010年以來，吉林電網(wǎng)新能源裝機容量快速增長[7]。截止到2019年底，全省新能源裝機容量已突破8×300MW，年均增長率達16.2%，占全省電源裝機總容量的26.6%。而在新能源裝機容量高速增長的同時，往往會出現(xiàn)棄風、棄光率居高不下的情況，主要原因有2個，調峰限電與網(wǎng)架限電。調峰限電是由于新能源裝機占比高，電網(wǎng)調峰能力不足，受電力平衡條件限制，無法消納新能源發(fā)電電力；網(wǎng)架限電是由于電網(wǎng)輸送能力不滿足新能源發(fā)電送出需求，受電網(wǎng)穩(wěn)定條件約束，限制新能源發(fā)電電力。

2.1.2 吉林省新能源發(fā)展形勢分析

2021年1月25日，吉林省第十三屆人民代表大會第四次會議聽取了政府工作報告[8]。在新能源產業(yè)方面，報告指出，吉林將積極打造國家級消納基地、外送基地、制氫基地。開發(fā)建設白城、松原2個新能源產業(yè)示范園區(qū)，抓好松原長青等12個生物質熱電聯(lián)產項目建設。在重大項目建設方面，將打造“兩橫兩縱雙環(huán)”電網(wǎng)，完善500kV電網(wǎng)結構，啟動“陸上風光三峽”工程，推動“吉電南送”特高壓通道建設。將啟動二氧化碳排放達峰行動，加強重點行業(yè)和重要領域綠色化改造，全面構建綠色能源、綠色制造體系，建設綠色工廠、綠色工業(yè)園區(qū)，加快煤改氣、煤改電、煤改生物質，促進生產生活方式綠色轉型。

2.1.3 新能源技術特性及源荷匹配度分析

新能源發(fā)電具有高度的間歇性和不確定性，為保證電力發(fā)、用電電力實施匹配，需要從電源側及負荷側提升電力調度能力。電源側調節(jié)方面，當新能源電力處于高發(fā)時期，應及時壓低火電機組或水力機組出力，適時將具有儲能功能的電力設施由發(fā)電狀態(tài)轉變?yōu)橛秒姞顟B(tài)；相反，當新能源電力處于低發(fā)時期，應及時提高火電或水力機組出力，將儲能設施由用電狀態(tài)轉變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)。負荷側調節(jié)方面，通過需求響應、有序用電，實現(xiàn)負荷側用電積極響應新能源出力，目前，省內外針對負荷側提升調節(jié)能力，主要從電力交易機制予以實現(xiàn)，通過峰谷電價、需求響應電價機制等手段，規(guī)定低用電成本的時段，以價格信號間接引導負荷側參與電網(wǎng)調節(jié)；隨著負荷側用電智能化水平的逐步提升，如分布式儲能、制氫、蓄熱式電采暖等設施的規(guī)模提升，未來負荷側參與電網(wǎng)調節(jié)的規(guī)模和能力將顯著增強。

2.2 鄉(xiāng)村生產生活電氣化需求分析

2.2.1 農業(yè)現(xiàn)代化及新型城鎮(zhèn)化建設對電力需求提升

農業(yè)現(xiàn)代化涉及農田排灌、作物烘干、農機作業(yè)、設施農業(yè)和糧食儲運等各個環(huán)節(jié)，相關設備設施目前仍以柴油、內燃機驅動為主導，同時，隨著新型城鎮(zhèn)化建設的有序推進，農村電網(wǎng)網(wǎng)架結構將進一步完善，農業(yè)農村電氣化水平將得到較大提升。

2.2.2 保護性耕作及碳減排驅動農機向電氣化發(fā)展

電氣化相較于傳統(tǒng)能源有控制精確、結構簡單、用能高效、低碳環(huán)保等特點，同時電池、電機、電控以及動力電池充換電技術成熟，實施農機電氣化可以提高作業(yè)精度、節(jié)約種子和化肥。農機動力設備的電氣化，可以降低對化石能源的過度依賴，減少二氧化碳和污染物排放。

2.2.3 清潔取暖有待向農村延伸推廣

農村地區(qū)取暖方式較為粗放，以燃燒秸稈和散煤為主，隨著清潔取暖設施的大力推廣，清潔取暖技術水平不斷提升，設備成本呈顯著降低趨勢?？紤]到當前農村建筑節(jié)能仍處于較低水平、清潔取暖設備投資及運行成本仍處于高位，清潔取暖技術將以特定區(qū)域應用為主，并逐步推廣應用。

2.2.4 農村分布式電源發(fā)展空間較大

吉林省西部、中部地區(qū)風光資源儲量豐富，農村閑置土地資源體量龐大，電力交易品種有待進一步豐富。隨著農村電網(wǎng)架構的不斷完善，分布式風電、光伏可進一步應用于農村生產生活，與民居、設施農業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)結合建設發(fā)展。

2.2.5 移動式能源供給將是農業(yè)生產用能的有力補充

電網(wǎng)企業(yè)近年來完成了“井井通”和“村村通”動力電工作，較好地保障了農民生產生活用電，切實轉變了十幾個戶使用一個機井灌溉農作物的局面。然而“井井通”資源在吉林省僅用于農田灌溉，在播種施肥、田間植保、農作物收獲等環(huán)節(jié)，且僅應用于部分地區(qū)，發(fā)揮作用有限。隨著未來農業(yè)生產電力需求的提升，“井井通”模式難以進一步擴大規(guī)模，因此，有必要探索動力電池作為移動式能源供給設施，從時間和空間上，靈活滿足農業(yè)生產電力需求。

2.3 鄉(xiāng)村生產生活電氣化技術特性分析

實現(xiàn)碳達峰、碳中和，能源系統(tǒng)減排將發(fā)揮主導作用。隨著能源轉型，電力系統(tǒng)新能源裝機占比不斷增高，新能源發(fā)電的波動性和間歇性要求電力系統(tǒng)的調節(jié)能力與之相適應。農業(yè)生產和農村生活對成本敏感，可通過機制發(fā)揮新能源低邊際成本優(yōu)勢，因此，需要激勵靈活性資源的調節(jié)能力，深度適應新能源波動性。

2.3.1 電氣化農業(yè)機械具有較強的用電可控性

農業(yè)機械作業(yè)時間段較為規(guī)律，在農忙時節(jié)一般在白天頻繁實施作業(yè)，在夜晚時段可放置在農機合作社或村民住宅集中充電。由于對動力電池充電的時間跨度較長，可充分結合農村電網(wǎng)負荷狀態(tài)及所在臺區(qū)的變電站負載率，對充電功率和時段進行智能化控制，充分發(fā)揮充電設施可控性參與到電網(wǎng)削峰填谷調節(jié)中，同時，可通過電力輔助服務降低終端用電成本。

2.3.2 電動農機動力電池可作為分布式儲能

農業(yè)生產季節(jié)性強，一般情況下，同一類農機作業(yè)周期僅7～14d，各類農機全年累計不超過2個月，電動農機動力電池可以充分利用農閑季節(jié)發(fā)揮儲能作用。據(jù)不完全統(tǒng)計，吉林省現(xiàn)有農機總動力超過1億kW，將相關動力環(huán)節(jié)實施電能替代，并于農閑季節(jié)作為分布式儲能，則農村電網(wǎng)參與電網(wǎng)調節(jié)的能力將十分可觀。

2.3.3 糧食烘干儲運電氣化

農作物烘干、農產品加工儲運等作業(yè)，具有能源需求量大、緊迫程度不高的特點。相關設備設施，可以通過合理安排作業(yè)工序、優(yōu)化用電時間，有效降低作業(yè)能耗。同時，對于相同區(qū)域、同一類型的作業(yè)設備，可以實施細化能源調度，以更長時間窗口的有序用電策略，參與到區(qū)域電網(wǎng)調度，削減區(qū)域電網(wǎng)峰谷差。

2.3.4 以清潔取暖提高電力系統(tǒng)調節(jié)能力

隨著新型城鎮(zhèn)化建設，農村傳統(tǒng)散煤或燃煤鍋爐取暖模式，有望向生物質、電能清潔取暖方式轉變。小型生物質熱電聯(lián)產設施、以蓄熱式電采暖為代表的電能清潔取暖，將一定程度上改變現(xiàn)有農村熱電解耦的能源消費模式。在有效響應電網(wǎng)調度需求的同時，保障區(qū)域供暖需求，減少二氧化碳及煙氣粉塵排放。

2.4 農業(yè)農村電氣化典型場景

根據(jù)應用場景，未來在農業(yè)農村實施電氣化提升可主要應用在農業(yè)種植、農業(yè)機械、電采暖等方面[9]。

2.4.1 農業(yè)種植

農業(yè)種植電能替代技術主要包括大棚電卷簾、電補光技術。電動卷簾技術主要是指對農業(yè)大棚覆蓋物、遮蓋物進行電動卷放的設備。此技術控制高效便捷，減輕勞動強度；縮短卷放保溫被時間，延長光照時間，提高作物產量。電補光技術是利用特定光譜為溫室植物光合作用提供生長發(fā)育所需能量的一種電能替代術。此技術配光合理均勻，光輸出穩(wěn)定，節(jié)能環(huán)保。

2.4.2 農業(yè)機械

電動農機可以廣泛應用于玉米播種、收獲、運輸、田間植保等各個環(huán)節(jié)，如電動播種機、電動三輪車、自走式噴藥機。電動農機相較于傳統(tǒng)農機有控制精確、結構簡單、用能高效、低碳環(huán)保等特點，能夠減少農業(yè)機械對土壤的擾動、降低不必要的化肥等農資浪費。同時電池、電機、電控以及動力電池充換電技術成熟，具備應用于農機領域的條件。

2.4.3 電采暖

農村取暖以散煤和秸稈燃燒為主，以取暖和熱電聯(lián)產為主的煤炭消費量常年居高不下。針對此現(xiàn)象，電網(wǎng)公司大力推進電采暖技術的應用。電采暖技術根據(jù)“電-熱”轉換技術、技術路線等的不同，可分為直熱式、蓄熱式、熱泵式3類。電采暖技術綜合熱效率可達到80%以上，遠高于其它類型采暖方式，節(jié)能減排，運行成本經(jīng)濟實惠。

3 新能源與農業(yè)農村電氣化協(xié)同發(fā)展路徑分析

吉林省委省政府提出建設“陸上風光三峽”工程，助力打造松遼清潔能源基地，積極推動鄉(xiāng)村振興和黑土地保護，構建現(xiàn)代農業(yè)產業(yè)體系、生產體系、經(jīng)營體系。在此背景下，深度挖掘農業(yè)農村電力調節(jié)能力，推動新能源發(fā)展，打造以電為中心的鄉(xiāng)村能源應用體系，具有重要的現(xiàn)實意義和引領作用。新能源與農業(yè)農村電氣化互有需求，相得益彰，但在現(xiàn)實發(fā)展中存在重大障礙，動力電池的高成本嚴重阻礙了農業(yè)電氣化進程。為破解發(fā)展難題，本文基于大量調研和分析，提出新能源與農業(yè)農村電氣化協(xié)同發(fā)展方案。

3.1 統(tǒng)一農機電池標準，創(chuàng)新“循環(huán)利用”應用體系

電動農機發(fā)展仍處于初始階段，相關標準體系仍未健全。因此，有必要做好頂層設計，統(tǒng)一建立外形尺寸、補能方式及通信規(guī)約等標準體系。考慮不同類別農機只用于特定季節(jié)的特點，通過標準化體系的構建，促進農機動力電池在農業(yè)作業(yè)季節(jié)高度適配、利用率提升，實現(xiàn)動力電池在各類機械上循環(huán)利用，提升動力電池價值。

3.2 大力推進電動農機發(fā)展，探索“共享利用”商業(yè)模式

農機動力電池的“循環(huán)利用”應用體系為電池拆卸、集中充放電提供了技術保障。在此基礎上，可延伸探索“共享利用”商業(yè)模式，在農忙季節(jié)，將動力電池或電動農機租賃給農戶，以租金的形式獲取基本收益；在農閑季節(jié)，通過農機動力電池集中調控參與新能源消納，大幅提升電力系統(tǒng)調節(jié)能力。同時，通過“機電分離”降低農機購置成本，以電能替代降低農機運行成本。

3.3 發(fā)展分布式電源及電能取暖，通過參與電力調節(jié)降低成本

蓄熱式電鍋爐調節(jié)能力強、技術成熟，通過集約管理，參與電力調節(jié)獲得低價電力，可進一步降低運營費用，能夠較好地滿足新型城鎮(zhèn)化取暖需要。在具備條件的區(qū)域發(fā)展分布式電源，充分發(fā)揮農村閑置土地資源，降低分布式電源配套成本，推動鄉(xiāng)村分布式電源發(fā)展。

4 總結與展望

目前，吉林省甚至全國范圍內，以電為中心的鄉(xiāng)村能源應用體系仍處于初始階段，針對于電動農機、蓄熱式電采暖、分布式儲能等政策引導和財政支持有待加強，相關市場機制仍需逐漸完善，技術創(chuàng)新和機制創(chuàng)新的潛能需要進一步釋放。因此，需要加強頂層規(guī)劃設計，結合各地區(qū)鄉(xiāng)村發(fā)展水平和特點，因地制宜制定不同形式的鄉(xiāng)村能源發(fā)展路線，推動新能源與農業(yè)農村電氣化協(xié)同演進。