李宇星楊怡楠王鑫紅王鼎衡夏語婕蘇鈞驛李昊
(1.國(guó)網(wǎng)吉林經(jīng)研院,吉林 長(zhǎng)春 130000;2.國(guó)網(wǎng)吉林供電公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究所(設(shè)計(jì)院),吉林 吉林市 132000;3.吉林大學(xué),吉林 長(zhǎng)春 130022;4.合肥工業(yè)大學(xué),安徽 合肥 230009)
2020年7月,習(xí)近平總書記在吉林省考察時(shí)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(chǎn)豐產(chǎn),同時(shí)也面臨著土地肥力透支的問題。一定要采取有效措施,保護(hù)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(guó)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(gè)五”發(fā)展戰(zhàn)略,從農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和新型城鎮(zhèn)化、生態(tài)文明建設(shè)等5方面做出重要部署。吉林省新能源儲(chǔ)量大、化石能源儲(chǔ)量不足、火電規(guī)模大,但電煤依賴外運(yùn),隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)提出,大力發(fā)展新能源既是資源稟賦和經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求,也為新能源與農(nóng)業(yè)農(nóng)村電氣化協(xié)同發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
吉林省風(fēng)光資源質(zhì)優(yōu)量足,全省風(fēng)光資源可開發(fā)容量約為1.15億kW,而現(xiàn)有風(fēng)光裝機(jī)僅為920萬kW,不到儲(chǔ)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(huì)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(jì)社會(huì)發(fā)展的不斷提升,用電需求將逐步增強(qiáng)。非化石能源消費(fèi)占比存在提升空間,2020年吉林省非化石能源消費(fèi)占比11.5%,低于全國(guó)15.9%的平均水平,隨著“碳達(dá)峰、碳中和”方案的穩(wěn)步實(shí)施,以電為中心的非化石能源消費(fèi)量將顯著增加。同時(shí),全省能源供需仍面臨以下挑戰(zhàn):對(duì)化石能源的依賴大,同時(shí)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(chǎn)為主的煤電仍是主導(dǎo)電源,電源結(jié)構(gòu)以煤電為主體,裝機(jī)占比超過50%,靈活性調(diào)峰電源比例較低。但風(fēng)電的波動(dòng)性和間歇性對(duì)調(diào)峰需求大,需求側(cè)調(diào)節(jié)能力尚未充分挖掘。
2020年吉林省糧食產(chǎn)量達(dá)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(guó)第5位,糧食單產(chǎn)居全國(guó)第4位。鄉(xiāng)村生產(chǎn)生活存在以下特點(diǎn):農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展不平衡不充分問題突出,農(nóng)機(jī)裝備生產(chǎn)制造水平有待提高[4],截至2019年底,省內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械總擁有量達(dá)到883萬臺(tái),農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力1.097億kW,主要類型涵蓋拖拉機(jī)及配套機(jī)械、種植業(yè)機(jī)械等,受作業(yè)規(guī)模、組織方式等因素限制,農(nóng)機(jī)技術(shù)相對(duì)落后,傳統(tǒng)的機(jī)械化作業(yè)難以滿足農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)作業(yè)的需要。傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)基本由柴油、內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)[5],農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力依賴化石能源,全省農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力基本以柴油、汽油等一次化石能源為主,占比達(dá)到96.1%;糧食加工、飼料加工等少部分農(nóng)業(yè)機(jī)械以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力,占比僅為0.7%。農(nóng)村電網(wǎng)可靠性、穩(wěn)定性、智能化檢測(cè)控制及電力調(diào)度能力仍較低[6],吉林省農(nóng)村電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱,以輻射式為主,單線或單變占比高;10kV線路聯(lián)絡(luò)不足,對(duì)上級(jí)電網(wǎng)支撐能力有待加強(qiáng),存在部分“卡脖子”和老舊設(shè)備,智能化水平有待加強(qiáng),與分布式電源接入需求之間的矛盾突出。
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(jī)容量快速增長(zhǎng)[7]。截止到2019年底,全省新能源裝機(jī)容量已突破8×300MW,年均增長(zhǎng)率達(dá)16.2%,占全省電源裝機(jī)總?cè)萘康?6.6%。而在新能源裝機(jī)容量高速增長(zhǎng)的同時(shí),往往會(huì)出現(xiàn)棄風(fēng)、棄光率居高不下的情況,主要原因有2個(gè),調(diào)峰限電與網(wǎng)架限電。調(diào)峰限電是由于新能源裝機(jī)占比高,電網(wǎng)調(diào)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(shì)分析
2021年1月25日,吉林省第十三屆人民代表大會(huì)第四次會(huì)議聽取了政府工作報(bào)告[8]。在新能源產(chǎn)業(yè)方面,報(bào)告指出,吉林將積極打造國(guó)家級(jí)消納基地、外送基地、制氫基地。開發(fā)建設(shè)白城、松原2個(gè)新能源產(chǎn)業(yè)示范園區(qū),抓好松原長(zhǎng)青等12個(gè)生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目建設(shè)。在重大項(xiàng)目建設(shè)方面,將打造“兩橫兩縱雙環(huán)”電網(wǎng),完善500kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu),啟動(dòng)“陸上風(fēng)光三峽”工程,推動(dòng)“吉電南送”特高壓通道建設(shè)。將啟動(dòng)二氧化碳排放達(dá)峰行動(dòng),加強(qiáng)重點(diǎn)行業(yè)和重要領(lǐng)域綠色化改造,全面構(gòu)建綠色能源、綠色制造體系,建設(shè)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(zhì),促進(jìn)生產(chǎn)生活方式綠色轉(zhuǎn)型。
2.1.3 新能源技術(shù)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(shí)施匹配,需要從電源側(cè)及負(fù)荷側(cè)提升電力調(diào)度能力。電源側(cè)調(diào)節(jié)方面,當(dāng)新能源電力處于高發(fā)時(shí)期,應(yīng)及時(shí)壓低火電機(jī)組或水力機(jī)組出力,適時(shí)將具有儲(chǔ)能功能的電力設(shè)施由發(fā)電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛秒姞顟B(tài);相反,當(dāng)新能源電力處于低發(fā)時(shí)期,應(yīng)及時(shí)提高火電或水力機(jī)組出力,將儲(chǔ)能設(shè)施由用電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)。負(fù)荷側(cè)調(diào)節(jié)方面,通過需求響應(yīng)、有序用電,實(shí)現(xiàn)負(fù)荷側(cè)用電積極響應(yīng)新能源出力,目前,省內(nèi)外針對(duì)負(fù)荷側(cè)提升調(diào)節(jié)能力,主要從電力交易機(jī)制予以實(shí)現(xiàn),通過峰谷電價(jià)、需求響應(yīng)電價(jià)機(jī)制等手段,規(guī)定低用電成本的時(shí)段,以價(jià)格信號(hào)間接引導(dǎo)負(fù)荷側(cè)參與電網(wǎng)調(diào)節(jié);隨著負(fù)荷側(cè)用電智能化水平的逐步提升,如分布式儲(chǔ)能、制氫、蓄熱式電采暖等設(shè)施的規(guī)模提升,未來負(fù)荷側(cè)參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)的規(guī)模和能力將顯著增強(qiáng)。
2.2.1 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化及新型城鎮(zhèn)化建設(shè)對(duì)電力需求提升
農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化涉及農(nóng)田排灌、作物烘干、農(nóng)機(jī)作業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)和糧食儲(chǔ)運(yùn)等各個(gè)環(huán)節(jié),相關(guān)設(shè)備設(shè)施目前仍以柴油、內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)為主導(dǎo),同時(shí),隨著新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的有序推進(jìn),農(nóng)村電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步完善,農(nóng)業(yè)農(nóng)村電氣化水平將得到較大提升。
2.2.2 保護(hù)性耕作及碳減排驅(qū)動(dòng)農(nóng)機(jī)向電氣化發(fā)展
電氣化相較于傳統(tǒng)能源有控制精確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用能高效、低碳環(huán)保等特點(diǎn),同時(shí)電池、電機(jī)、電控以及動(dòng)力電池充換電技術(shù)成熟,實(shí)施農(nóng)機(jī)電氣化可以提高作業(yè)精度、節(jié)約種子和化肥。農(nóng)機(jī)動(dòng)力設(shè)備的電氣化,可以降低對(duì)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(nóng)村延伸推廣
農(nóng)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(shè)施的大力推廣,清潔取暖技術(shù)水平不斷提升,設(shè)備成本呈顯著降低趨勢(shì)??紤]到當(dāng)前農(nóng)村建筑節(jié)能仍處于較低水平、清潔取暖設(shè)備投資及運(yùn)行成本仍處于高位,清潔取暖技術(shù)將以特定區(qū)域應(yīng)用為主,并逐步推廣應(yīng)用。
2.2.4 農(nóng)村分布式電源發(fā)展空間較大
吉林省西部、中部地區(qū)風(fēng)光資源儲(chǔ)量豐富,農(nóng)村閑置土地資源體量龐大,電力交易品種有待進(jìn)一步豐富。隨著農(nóng)村電網(wǎng)架構(gòu)的不斷完善,分布式風(fēng)電、光伏可進(jìn)一步應(yīng)用于農(nóng)村生產(chǎn)生活,與民居、設(shè)施農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)結(jié)合建設(shè)發(fā)展。
2.2.5 移動(dòng)式能源供給將是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用能的有力補(bǔ)充
電網(wǎng)企業(yè)近年來完成了“井井通”和“村村通”動(dòng)力電工作,較好地保障了農(nóng)民生產(chǎn)生活用電,切實(shí)轉(zhuǎn)變了十幾個(gè)戶使用一個(gè)機(jī)井灌溉農(nóng)作物的局面。然而“井井通”資源在吉林省僅用于農(nóng)田灌溉,在播種施肥、田間植保、農(nóng)作物收獲等環(huán)節(jié),且僅應(yīng)用于部分地區(qū),發(fā)揮作用有限。隨著未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)電力需求的提升,“井井通”模式難以進(jìn)一步擴(kuò)大規(guī)模,因此,有必要探索動(dòng)力電池作為移動(dòng)式能源供給設(shè)施,從時(shí)間和空間上,靈活滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)電力需求。
實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和,能源系統(tǒng)減排將發(fā)揮主導(dǎo)作用。隨著能源轉(zhuǎn)型,電力系統(tǒng)新能源裝機(jī)占比不斷增高,新能源發(fā)電的波動(dòng)性和間歇性要求電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力與之相適應(yīng)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村生活對(duì)成本敏感,可通過機(jī)制發(fā)揮新能源低邊際成本優(yōu)勢(shì),因此,需要激勵(lì)靈活性資源的調(diào)節(jié)能力,深度適應(yīng)新能源波動(dòng)性。
2.3.1 電氣化農(nóng)業(yè)機(jī)械具有較強(qiáng)的用電可控性
農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)時(shí)間段較為規(guī)律,在農(nóng)忙時(shí)節(jié)一般在白天頻繁實(shí)施作業(yè),在夜晚時(shí)段可放置在農(nóng)機(jī)合作社或村民住宅集中充電。由于對(duì)動(dòng)力電池充電的時(shí)間跨度較長(zhǎng),可充分結(jié)合農(nóng)村電網(wǎng)負(fù)荷狀態(tài)及所在臺(tái)區(qū)的變電站負(fù)載率,對(duì)充電功率和時(shí)段進(jìn)行智能化控制,充分發(fā)揮充電設(shè)施可控性參與到電網(wǎng)削峰填谷調(diào)節(jié)中,同時(shí),可通過電力輔助服務(wù)降低終端用電成本。
2.3.2 電動(dòng)農(nóng)機(jī)動(dòng)力電池可作為分布式儲(chǔ)能
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)季節(jié)性強(qiáng),一般情況下,同一類農(nóng)機(jī)作業(yè)周期僅7~14d,各類農(nóng)機(jī)全年累計(jì)不超過2個(gè)月,電動(dòng)農(nóng)機(jī)動(dòng)力電池可以充分利用農(nóng)閑季節(jié)發(fā)揮儲(chǔ)能作用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),吉林省現(xiàn)有農(nóng)機(jī)總動(dòng)力超過1億kW,將相關(guān)動(dòng)力環(huán)節(jié)實(shí)施電能替代,并于農(nóng)閑季節(jié)作為分布式儲(chǔ)能,則農(nóng)村電網(wǎng)參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)的能力將十分可觀。
2.3.3 糧食烘干儲(chǔ)運(yùn)電氣化
農(nóng)作物烘干、農(nóng)產(chǎn)品加工儲(chǔ)運(yùn)等作業(yè),具有能源需求量大、緊迫程度不高的特點(diǎn)。相關(guān)設(shè)備設(shè)施,可以通過合理安排作業(yè)工序、優(yōu)化用電時(shí)間,有效降低作業(yè)能耗。同時(shí),對(duì)于相同區(qū)域、同一類型的作業(yè)設(shè)備,可以實(shí)施細(xì)化能源調(diào)度,以更長(zhǎng)時(shí)間窗口的有序用電策略,參與到區(qū)域電網(wǎng)調(diào)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(diào)節(jié)能力
隨著新型城鎮(zhèn)化建設(shè),農(nóng)村傳統(tǒng)散煤或燃煤鍋爐取暖模式,有望向生物質(zhì)、電能清潔取暖方式轉(zhuǎn)變。小型生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)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(nóng)村熱電解耦的能源消費(fèi)模式。在有效響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度需求的同時(shí),保障區(qū)域供暖需求,減少二氧化碳及煙氣粉塵排放。
根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景,未來在農(nóng)業(yè)農(nóng)村實(shí)施電氣化提升可主要應(yīng)用在農(nóng)業(yè)種植、農(nóng)業(yè)機(jī)械、電采暖等方面[9]。
2.4.1 農(nóng)業(yè)種植
農(nóng)業(yè)種植電能替代技術(shù)主要包括大棚電卷簾、電補(bǔ)光技術(shù)。電動(dòng)卷簾技術(shù)主要是指對(duì)農(nóng)業(yè)大棚覆蓋物、遮蓋物進(jìn)行電動(dòng)卷放的設(shè)備。此技術(shù)控制高效便捷,減輕勞動(dòng)強(qiáng)度;縮短卷放保溫被時(shí)間,延長(zhǎng)光照時(shí)間,提高作物產(chǎn)量。電補(bǔ)光技術(shù)是利用特定光譜為溫室植物光合作用提供生長(zhǎng)發(fā)育所需能量的一種電能替代術(shù)。此技術(shù)配光合理均勻,光輸出穩(wěn)定,節(jié)能環(huán)保。
2.4.2 農(nóng)業(yè)機(jī)械
電動(dòng)農(nóng)機(jī)可以廣泛應(yīng)用于玉米播種、收獲、運(yùn)輸、田間植保等各個(gè)環(huán)節(jié),如電動(dòng)播種機(jī)、電動(dòng)三輪車、自走式噴藥機(jī)。電動(dòng)農(nóng)機(jī)相較于傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)有控制精確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用能高效、低碳環(huán)保等特點(diǎn),能夠減少農(nóng)業(yè)機(jī)械對(duì)土壤的擾動(dòng)、降低不必要的化肥等農(nóng)資浪費(fèi)。同時(shí)電池、電機(jī)、電控以及動(dòng)力電池充換電技術(shù)成熟,具備應(yīng)用于農(nóng)機(jī)領(lǐng)域的條件。
2.4.3 電采暖
農(nóng)村取暖以散煤和秸稈燃燒為主,以取暖和熱電聯(lián)產(chǎn)為主的煤炭消費(fèi)量常年居高不下。針對(duì)此現(xiàn)象,電網(wǎng)公司大力推進(jìn)電采暖技術(shù)的應(yīng)用。電采暖技術(shù)根據(jù)“電-熱”轉(zhuǎn)換技術(shù)、技術(shù)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(shù)綜合熱效率可達(dá)到80%以上,遠(yuǎn)高于其它類型采暖方式,節(jié)能減排,運(yùn)行成本經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。
吉林省委省政府提出建設(shè)“陸上風(fēng)光三峽”工程,助力打造松遼清潔能源基地,積極推動(dòng)鄉(xiāng)村振興和黑土地保護(hù),構(gòu)建現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系、生產(chǎn)體系、經(jīng)營(yíng)體系。在此背景下,深度挖掘農(nóng)業(yè)農(nóng)村電力調(diào)節(jié)能力,推動(dòng)新能源發(fā)展,打造以電為中心的鄉(xiāng)村能源應(yīng)用體系,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和引領(lǐng)作用。新能源與農(nóng)業(yè)農(nóng)村電氣化互有需求,相得益彰,但在現(xiàn)實(shí)發(fā)展中存在重大障礙,動(dòng)力電池的高成本嚴(yán)重阻礙了農(nóng)業(yè)電氣化進(jìn)程。為破解發(fā)展難題,本文基于大量調(diào)研和分析,提出新能源與農(nóng)業(yè)農(nóng)村電氣化協(xié)同發(fā)展方案。
電動(dòng)農(nóng)機(jī)發(fā)展仍處于初始階段,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系仍未健全。因此,有必要做好頂層設(shè)計(jì),統(tǒng)一建立外形尺寸、補(bǔ)能方式及通信規(guī)約等標(biāo)準(zhǔn)體系??紤]不同類別農(nóng)機(jī)只用于特定季節(jié)的特點(diǎn),通過標(biāo)準(zhǔn)化體系的構(gòu)建,促進(jìn)農(nóng)機(jī)動(dòng)力電池在農(nóng)業(yè)作業(yè)季節(jié)高度適配、利用率提升,實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池在各類機(jī)械上循環(huán)利用,提升動(dòng)力電池價(jià)值。
農(nóng)機(jī)動(dòng)力電池的“循環(huán)利用”應(yīng)用體系為電池拆卸、集中充放電提供了技術(shù)保障。在此基礎(chǔ)上,可延伸探索“共享利用”商業(yè)模式,在農(nóng)忙季節(jié),將動(dòng)力電池或電動(dòng)農(nóng)機(jī)租賃給農(nóng)戶,以租金的形式獲取基本收益;在農(nóng)閑季節(jié),通過農(nóng)機(jī)動(dòng)力電池集中調(diào)控參與新能源消納,大幅提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。同時(shí),通過“機(jī)電分離”降低農(nóng)機(jī)購(gòu)置成本,以電能替代降低農(nóng)機(jī)運(yùn)行成本。
蓄熱式電鍋爐調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、技術(shù)成熟,通過集約管理,參與電力調(diào)節(jié)獲得低價(jià)電力,可進(jìn)一步降低運(yùn)營(yíng)費(fèi)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(nóng)村閑置土地資源,降低分布式電源配套成本,推動(dòng)鄉(xiāng)村分布式電源發(fā)展。
目前,吉林省甚至全國(guó)范圍內(nèi),以電為中心的鄉(xiāng)村能源應(yīng)用體系仍處于初始階段,針對(duì)于電動(dòng)農(nóng)機(jī)、蓄熱式電采暖、分布式儲(chǔ)能等政策引導(dǎo)和財(cái)政支持有待加強(qiáng),相關(guān)市場(chǎng)機(jī)制仍需逐漸完善,技術(shù)創(chuàng)新和機(jī)制創(chuàng)新的潛能需要進(jìn)一步釋放。因此,需要加強(qiáng)頂層規(guī)劃設(shè)計(jì),結(jié)合各地區(qū)鄉(xiāng)村發(fā)展水平和特點(diǎn),因地制宜制定不同形式的鄉(xiāng)村能源發(fā)展路線,推動(dòng)新能源與農(nóng)業(yè)農(nóng)村電氣化協(xié)同演進(jìn)。