中德低碳农村能源转型之路：村庄能源自给自足及部门耦合案例研究

1 中德低碳农村能源转型之路 村庄能源自给自足及部门耦合案例研究 中德能源转型研究项目 出版信息 《中德农村低碳能源转型之路》介绍了中德两国农村低碳清洁能源转型潜力的平行研究成果，并提出了促进清洁能源政策、加速能源转型的相关建议。该报告在德国联邦经济和气候保护部（BMWK）支持的中德能源转型研究项目框架内发布，中德能源转型研究项目是德国联邦经济和气候保护部（BMWK）与中国国家发展改革委和国家能源局在能源领域的官方合作机制——中德能源与能效合作伙伴关系的一部分。德国国际合作机构(GIZ)、德国智库Agora能源转型论坛和德国能源署（dena）受BMWK委托，与中方相关合作伙伴共同实施该项目。 作为一家德国联邦企业，德国国际合作机构为德国政府实现可持续发展国际合作目标提供相应支持。 出版方： 中德能源转型研究项目 受德国联邦经济和气候保护部（BMWK）委托 北京朝阳区亮马河南路14号塔园外交办公大楼1- 15-1邮编：100600 德国国际合作机构(GIZ) TorstenFritsche 科特纳大街2号 德国柏林10963 项目负责人：AndersHove(侯安德)德国国际合作机构(GIZ) 作者： 薛冰，李宏庆，中国科学院应用生态研究所 MichaelPopp,MarkusZdrallek,JessicaStephan,SvenPack, 伍珀塔尔大学 UlrichJansen,ThorstenKoska，伍珀塔尔机构 AndersHove(侯安德)，PhilippGeres，德国国际合作机构 （GIZ） 设计： 刘雪玲，德国国际合作机构（GIZ） edelman.ergo（受德国联邦经济和气候保护部委托） 图片： 德国联邦经济和气候保护部/封面，P12 Shutterstock_108342809/P10 ©北京，2022年5月 本报告全文受版权保护。所包含信息由编者结合所知，遵循良好科学实践原则编撰而成。作者相信报告中的信息是正确、完整和最新的，但不会对任何明确或隐含的错误承担责任。本出版物中链接的外部网站内容将由其各自出版商全权负责。本文件的陈述不一定反映客户的意见。德国国际合作机构（GIZ）对报告引用的地图是否是最新、准确或完整的不承担任何责任，也不承担因其使用而导致的任何直接或间接损害责任。 目录 执行摘要4 引言5 东桥头村和施瓦格村的比较6 巴伐利亚州施瓦格村6 东桥头村6 施瓦格村和东桥头村的比较8 中国和德国的现状和政策框架11 德国的政策11 中国的政策11 方法和分析13 分析——施瓦格村21 研究问题、假设和方法——东桥头村28 调查结果——东桥头村33 分析——东桥头村34 关于两种研究方法的差别的讨论39 2030年德国和中国的一个村庄40 政策建议41 结论44 附件45 参考文献48 执行摘要 农村地区在低碳能源转型中发挥着至关重要的作用，因为他们有充足的开放空间和相当大的能源消耗。然而，许多关于低碳技术应用或低碳能源系统预测的分析都忽略了农村社区，而更多的关注富裕地区、城市社区或已成规模的可再生能源生产和存储的公用设施。 中德能源转型项目在报告编写过程中，汇聚了能源建模和农村生态学相关学者，对清洁能源技术如何影响德国和中国农村地区的能源流动和碳排放开展了调研和分析。本报告是基于对两个村庄——中国山东省东桥头村和德国巴伐利亚州施瓦格村（Schwaig）——的案例研究结果，分析了如何加速农村地区清洁能源转型，研究了农村社区通过提高能源供应自给自足能力来提高自身韧性、降低用能成本的潜力。 在山东省东桥头村的案例中，研究者考察了整个村庄，通过访谈并结合自上而下和自下而上的分析方法，开发出了东桥头村当前及未来能源系统的能量流动模型，并进行了情景分析。通过分析发现，东桥头村具备依靠光伏和热泵（用于供热以及供冷）满足其大部分用电及供热/供冷需求的潜力。随着电动汽车占比的不断提高，村民可以在日间时段利用太阳能给车辆充电，省下购买燃料的支出。加速推进村庄采用光伏板和太阳能路灯的计划，不仅可以帮助居民节省能源成本，也能推动低碳社会的发展。未来，通过采用电能和热能储存技术，可以进一步提高自给自足能力。 在施瓦格村的案例中，研究者综合利用村庄的调查数据、当地公共事业机构的能源数据以及情景分析，打造了一个能量流动模型，完成了情景分析。研究发现施瓦格村已经实现了较高比率的清洁能源自给自足，采用户用热泵和电动汽车可以进一步提高自给自足率。季节性储能和电网的平衡电力仍是必不可少的。 尽管在收入、职业以及当前供热和电力燃料方面存在显著的差别，但中德两个村庄在清洁能源潜力方面仍存在着共同之处。 通过情景分析和预测，得出以下结论： 分布式能源和自给自足在中德农村都有吸引力：在德国，分布式太阳能、电动汽车和热泵的应用会延续，从而使农村地区拥有实现能源自给自足的巨大潜力。东桥头村具备使用电动汽车和太阳能光伏提高其自给自足程度的潜力，随着收入的增加，其能耗增长速度会变得更快。 在德国，热泵和房屋保温有助于降低太阳能可变性的影响：采用分布式清洁能源使得日常电力供应和负荷更加不稳定——鉴于光伏发电可以占到当地能源产量的四分之一，远超所有家庭在夏季的月度用电负荷总量，我们估计热泵以及保温良好的德国房屋，在减小家庭净负荷方面具有很大的潜力。虽然奥伯丁（Oberding）目前的热泵使用率较低，但根据“dena95情景”，到 2035年会有62%的家庭安装热泵。电动汽车的使用和定时充电可能也会发挥作用，但作用会小得多，因为电动汽车的负荷预计只占总能耗的4%-5%，而供热和制冷负荷则占到16%-17%。 在中国农村地区，分布式能源技术的应用具有更大的不确定性，但潜力也大：在中国，生物能将继续在提高农村可再生能源占比方面发挥更大的作用。尽管分布式光伏、热泵或电动汽车的使用存在不确定性，但本研究采用的情景和预测表明，到2030年，这些技术的应用将大幅提高，尤其是光伏。对那些既需要制冷又需要供热的家庭而言，热泵是一种经济的选择。基于现有发展模型，2020年该村庄的能源自给自足率为16.8%；根据乐观发展情景，能源自给自足率到2025年可能达到80.70%，2030年达到126.16%。 中德两国进行的分析都采用了混合方法，基于现有数据集、源自国家或地方数据的预估、源自施瓦格村配电网的数据以及家庭调查，量化了目前的能源生产和消耗。在进行家庭能源调查时，施瓦格村/奥伯丁的调查回复率为19%，东桥头村的调查回复率为18.8%。德国使用光伏、电动汽车和热泵的情景结合了多种来源，包括与当地官员和专家、德国能源署dena、Agora、德国联邦工业联合会（BDI）和德国行业协会（BWP）的讨论。中国的情景预估来源于当地调查信息，以及对电动汽车和热泵的全国及区域性预期发展分析。 研究人员在两个村庄案例中使用的建模方法有所不同，所以，最终得出的对两个村庄能源自给自足率的估计值不能直接比较。例如，在东桥头村，研究人员考虑了农业废弃物以及所有能源消耗，而在施瓦格村，分析中只考虑了电网电力和家庭电力。 农村能源转型在中德两国都是重要的政策优先事项，因为农村社区在积极推动能源转型方面发挥着重要作用，政策制定者需要确保能源转型能够延伸到农村社区。未来，与此类似的研究可能进一步提高农村居民的意识，并促进与政策制定者就如何确保农村地区的公平能源转型进行的交流。 引言 农村地区参与低碳能源转型并从中受益是至关重要的。迄今为止，中国能源转型包括大规模部署风能和太阳能、对煤电厂和工业行业进行能效升级改造以及在主要城市对电动汽车等新能源技术进行商业化推广。德国是最早大规模部署风能和太阳能的国家之一，农村社区已经从能源设施所有权的能源转型方式中受益。为了实现能源转型，中德两国将加快部署可再生能源，实现交通和供热领域的电气化，并以电热泵或其他低碳方案取代化石燃料供热。这些措施将如何影响农村居民的生活，仍是一个开放性问题，特别是人们担心电气化趋势可能需要对农村配电网进行重大升级。如果分布式能源和储能能够实现更大程度的自给自足，这对于农村地区来说是非常有利的，因为可以减少基础设施成本，从而降低电网费用，并能提高农村地区整体的气候韧性。 中国 对中国能源转型的探讨主要聚焦于能源行业或者城市区域，在快速城市化的背景下，即便有5.1亿人口生活在农村，占中国人口总数的36%，中国广阔的农村地区依然常常被忽视。实现农村地区的能源转型是实现“能源革命”、“乡村振兴”、“美丽中国战略”以及碳达峰碳中和在内的中国国家战略和目标的重要一环。 中国农村地区面临着诸多挑战，例如人口老龄化、土壤和水污染，以及与大城市之间的巨大收入和贫富差距。中国农村地区收入水平较低、技术陈旧，例如二冲程柴油三轮车或者使用散煤或生物质取暖等。很多农村房屋使用的是老旧的建造方法，保温隔热效果不佳；电网接入有限。中国目前正专注于提升农村地区的生活品质，清洁能源转型是其中的一部分，在提高本地空气质量和日常生活能效方面有很大潜力。尽管农村地区的人均能耗量低于城市地区，但农村在碳中和方面也能发挥重要作用，不仅可以通过建设大型能源项目实现，也可以通过分布式清洁能源技术以及能效升级措施来实现。 德国 德国能源转型的初期动力源自1970年代的石油危机， 5 但关键的转折点是1997年签署的《京都议定书》，其中设定了工业化国家减少温室气体排放的最早气候政策目标。12007年，欧盟（EU）据此设定了减少温室气体排放的气候、可再生能源和能效目标。欧盟根据2015年巴黎协定和欧盟绿色协议稳步收紧并更新了自身的目标。2 2011年福岛核反应堆灾难发生后，德国决定加快进程，在2022年之前淘汰核能。32020年，德国政府决定最迟在2038年之前关停所有燃煤电厂，而于2021年12月当 政的新联邦政府有意在2030年达成此目标。4德国旨在 于2045年之前实现气候中和。 要实现这一目标，德国必须使用大量的可再生能源，并大规模扩张分布式能源（DERs）。这些目标也表明交通运输和供热部门必须实现电气化，摆脱目前所主要依赖的化石燃料。能源转型将进一步加大用电需求，这也将凸显尽可能安装更多分布式可再生能源，以减少对输入能源及网络升级需求的重要性。分布式风能和太阳能处于德国低碳能源转型的最前沿，其产权往往是归个人或小型社区所有。德国的农业能源转型也正在进行中，例如农业地区具有采用电动交通和高效供热及供冷的充足空间。 农村能源转型比较 能源转型正在创造机会，尤其是农业地区的机会。相比城市地区，中德农村地区往往有更多的本地可再生能源，也有更大的空间用于部署可再生能源发电设施。因此，农村地区具有采用本地可再生能源实现高度自给自足的潜力。 相比城市，农村往往存在各种结构性短板，体现在较低的收入以及较少的工作岗位方面，例如，2019年巴伐利亚州农村地区的人均收入比城市地区低了9.3%左右。 5 本研究通过对当前能源生产和消耗的量化以及对未来能源情景的分析，对中德两国农村地区迥然不同的清洁能源发展进行比较，研究了巴伐利亚州施瓦格村（位于慕尼黑机场附近）以及山东省东桥头村。这两个村都是农业村镇，但施瓦格村的人均收入远高于东桥头村，分布式能源设施的安装数量也更多。东桥头村严重依赖于煤炭、电和燃油，但大多数家庭也安装了太阳能热水系统，东桥头村对光伏的利用极少，只有大约5%的家庭安装了光伏系统。 两个村庄尽管处于不同的发展阶段，但它们都是各自国家能源转型的一部分，在未来十年都将发生转变，本研究旨在促进对这一转变的可能方向的认知，并预测两个村庄在各自背景下为能源转型目标做出贡献的潜力。 东桥头村和施瓦格村的比较 巴伐利亚州施瓦格村 施瓦格村位于德国巴伐利亚州慕尼黑东北30公里处， 隶属于奥伯丁社区，该社区由7个小村庄组成：奥夫克尔辰（Aufkirchen）、尼泊丁（Niederding）、诺津 （Notzing）、奥伯丁（Oberding）、施瓦格 （Schwaig）、施瓦格洛夫（Schw