“農村有着豐富的土地資源，是發展太陽能、風能、生物質能等多種可再生能源的重要基礎；發揮農村地區的資源禀賦、發展農村可再生能源，對于優化城鄉能源供給結構、改善農民居住生活水平、推動農村經濟建設等諸多方面都有重要意義。”中國工程院院士、清華大學建築節能研究中心主任江億教授2020年6月在山西芮城考察時曾對農村能源發展如是評價。

朱呂村基于牆體儲熱的光伏供暖技術現場施工圖（來源：清華大學建築節能研究中心）

在江億院士的統籌及領導下，清華大學建築節能研究中心（以下簡稱：研究中心）正在與山西芮城縣合作，采用“光儲直柔”技術對朱呂村進行第一期的清潔取暖改造，經曆過第一期的嘗試和項目落地，大家對下一步的整村全面示範充滿期待。

在全國農村能源低碳轉型的浪潮中，已經有不少地方積極實踐嘗試。試點上述“光儲直柔”技術的山西省芮城縣就是其中的引領者之一。2020年，研究中心到山西省芮城縣交流考察，确定可将芮城作為低碳發展的試點縣，提出了2025年實現碳達峰，2035年實現碳中和的目标，并将韌性與包容性協同發展的理念融入到芮城碳達峰碳中和發展規劃中。

協同發展低碳、韌性與包容性，或許是對抗能源轉型中不确定性、保持穩定性和可持續性的關鍵。未來，芮城樣闆能夠持續為地方的轉型實踐提供生動參考。

低碳發展試點縣的優勢

研究中心經過調研後發現，芮城縣内無燃煤、燃油、燃氣礦産資源，所有的化石能源全部依靠外購，同時具備非常可觀的風電光伏發展潛力。其太陽總輻射量在4600～5040 MJ/m2·a之間，屬于國家市場監督管理總局、中國國家标準化管理委員會于2019年發布的《太陽能資源評估方法》标準之下的資源豐富區。同時由于獨特的地形條件，該縣區域内風資源豐富。此外因為是農業大縣，每年可收集的小麥和玉米稭稈都在60萬噸以上，能夠就地獲取豐富的生物質資源。

朱呂村當地采圖（來源：清華大學建築節能研究中心）

彼時芮城縣内已建成了兩期100萬千瓦集中光伏基地，年發電11.6億千瓦時；建成17萬千瓦集中風電基地，年發電1.55億千瓦時。

然而研究中心也發現，雖然當時芮城縣的用電量已經小于其風光發電量，但縣内仍有大量化石能源消耗。

基于此，研究中心以碳中和為目标，對芮城縣進行了社會經濟發展預測與規劃：2035年芮城縣總用電量為33億千瓦時，生物質用量25.3萬噸，煤炭、天然氣、石油等化石燃料用量減為0，完全被零碳電力或生物質燃料取代。

碳中和目标的實施，受到了芮城當地政府的高度重視。 2020年11月，芮城縣委、縣政府委托清華大學建築節能研究中心研究編寫芮城碳達峰碳中和發展規劃，希望成為國家碳中和示範縣，全面嘗試創新的相關技術、政策、機制，并在相關工作上給予了大力支持。

自然資源優勢和地方政策支持，使得碳中和的芮城樣本成為可能。值得一提的是，研究中心為芮城規劃的方案，是以達到滿足動态實時意義上的碳中和為目标，而非簡單将用能和産能做總量平衡。為此，研究人員們綜合考慮能源結構中電力系統的時變性，定義了三種碳排放計算邊界，對芮城能源體系整體的排放情況進行核算，規劃出芮城逐年的碳排放曲線，并計劃分階段實現縣域内的碳中和。

根據研究中心計劃，芮城縣需要從全面發展光電、化石燃料替代、解決電力調控三方面着手開展工作，基于“光儲直柔”和“生物質能”技術建設農村新型能源系統。規劃的第一步，就是通過充分開發利用當地房屋空閑屋頂，發展光伏發電，使其成為主要能源，實現全面電氣化。

未來，芮城還要充分發揮産糧大縣的優勢，發展生物質能，除了解決冬季和連陰天電力供應及中心城區供熱工作之外，加工的商品燃料還能滿足部分工業生産需求，甚至進行能源外輸。

研究中心還計劃推動芮城縣車輛和農機具電氣化，并開發利用其儲電功能，建設充電樁系統；改造部分引黃灌溉系統，成為既可灌溉，又可抽水蓄能的雙功能系統；還有建築柔性用電、工業用電自行調蓄與風光供給實現協同等。

充分利用芮城優勢，發展光儲直柔與生物質能技術

“要想保持芮城項目的可持續性，就在工程推進的過程中秉持‘先易後難，先小後大，先農村後城市’的原則，示範先行，有步驟地推進每一個示範項目，保證每一步走得紮實牢固。”清華大學建築學院副院長楊旭東教授在評價芮城項目時表示，“對于農戶光儲直柔示範，首先就要解決農戶的冬季取暖問題，然後再用光伏發電解決農戶的全年用電問題，在此基礎上建立整村的新型電力系統覆蓋整村的生活、交通的用能。”在這過程中，“光儲直柔”和“生物質能”技術是芮城碳中和的整體規劃的基礎和重點。

“光儲直柔”是一種清潔能源綜合利用新模式。“光”和“儲”分别指分布式光伏和分布式儲能，作為建築配用電系統重要組成部分；“直”指建築配用電網的形式發生改變，從傳統的交流配電網改為采用低壓直流配電網；“柔”則是指建築用電設備具備可中斷、可調節的能力，使建築用電需求從剛性轉變為柔性。

“‘光儲直柔’不僅僅可以用在城市，農村也可以大力推廣。”江億院士曾經在采訪中指出，“按照現在對農村房屋現狀的調查統計，隻要把現有屋頂的閑置空間都充分利用，安裝光伏，不僅可以解決農民的生活用能、生産、交通用能，還可以有一部分電用來發電上網，成為農村新的經濟收入。”

雖然面臨着光伏産品成本高、電能質量不穩定和并網難的難題，但屋頂光伏的效果已經在芮城一期試點過程中有了直觀的體現。“我們在種蘋果的芮城縣朱呂村選取的5戶示範戶進行基于牆體儲熱的光伏供暖技術示範，盡管由于部分示範戶的房屋結構等原因，沒能全部按照理想情況下的設計圖紙進行施工盡管由于部分示範戶的房屋結構以及農戶接受度等原因，沒能全部按照模拟最佳方案的設計圖紙進行施工，但是通過整個供暖季的室溫監測，農戶室内的黑球溫度在60%以上的時間都高于16攝氏度，完全可以滿足農戶的供暖需求。”通過這5戶示範，獲得每戶在整個供暖季的兩千多個小時的測試數據，進而驗證了這個技術的可靠性，研究中心的博士生職遠對這個項目抱有信心。

農戶進行住宅保溫改造（左）和供暖系統的電力計量及控制模塊（右）（來源：清華大學建築節能研究中心）

在實踐應用“光儲直柔”技術的同時，芮城還有廣闊的“生物質能”技術發展空間。生物質能一般取材于農林廢棄物、生活垃圾及畜禽糞便等，具有環境友好、成本低廉和碳中性等特點。但是，由于對生物質資源處理利用的核心技術存在瓶頸等，大部分生物質資源并未能有效資源化利用。

研究中心分析了芮城的生物質能資源應用情況後發現：芮城縣生物質資源總量約25.3萬噸标準煤當量（tce），即具備節約25.3萬噸标準煤的潛力，目前卻主要用于稭稈還田。

為此，研究中心規劃了“生物質能”技術的三種應用場景。

首先是生物質清潔燃料加工，可以輸出生物質燃料銷售給大型工業鍋爐或燃煤電廠進行混燃，這樣不僅可以解決稭稈的就地消納問題，而且能為農戶增加種地收入, 待調峰型生物質熱電廠建成後，還可采用直燃的方式與生活垃圾一起共同作為熱電廠的燃料來源。其次是生物質熱電廠，利用生物質發電、供熱，還可以起到電力調峰的作用。

此外還可以利用生物質生産生物天然氣，對于禽畜糞便類制沼氣，采用“分布化發酵、集中化提純”生産生物天然氣的技術路線，最終在全縣範圍内建設分布式有機廢物多相流沼氣-微藻-有機肥生産集成站和生物天然氣提純站，用以生産優質燃氣，滿足工業需求，同時分離出的二氧化碳還可以用于食品、工業生産等領域，形成碳彙資源。

芮城農戶用于做生物質原料的自加工桔梗壓塊（來源：清華大學建築節能研究中心）

在以“光儲直柔”和“生物質能”技術為核心的碳中和項目落地芮城後，如何保持芮城項目的可持續性，并将芮城樣本複制推廣到其他地區，成為低碳發展過程中需要思索的問題。

在研究中心看來，先将農村示範做好，再結合農村項目的經驗和基礎解決城鎮問題。另外，保持項目可持續性最重要的一點就是在項目設計環節要考慮到項目建成後的長期運行和維護的問題，包括權利歸屬、利益共享機制的建立等。要讓項目發揮長久的作用，就要讓參與方有長久的收益和積極性。

楊旭東認為，芮城規劃的項目目前已具備推廣的條件，但在推廣時要注意因地制宜，不能簡單地複制粘貼，要基于當地的實際情況結合合理的頂層設計甚至預測模型，做出符合當地條件和需求的“芮城方案”。

能源轉型的韌性與包容性發展

當能源變革要求能源結構從化石能源為主體轉變為可再生能源為主體，當氣候變化風險日漸顯著，能源系統面臨的風險不僅限于自然環境風險加強，還有因氣候變化加劇的極端天氣給産能效率、産量甚至是供應輸配設施帶來的風險。在這些風險的威脅下，能源變革必須在實現低碳發展的同時實現韌性發展。

圖片來源《能源轉型的低碳、韌性、包容性發展》

“可再生能源面臨的最大的問題就是不穩定”，正如楊旭東指出的那樣，“而韌性發展可以在達到預期目标的同時兼顧穩定性和抗幹擾能力，比如可以利用儲能、負荷轉移等手段使得極端天氣也能保持能源穩定供給，滿足人們生活與生産的能源需求；或建立自我消納的新型電力系統，在外界電網出現故障的時候也能保證自身平穩運行。”

以芮城為例，采用儲熱技術以及分布式移動儲電技術，可以克服天氣對電力系統的影響，即使在夜間或陰雨天，也能保證農戶的基本用電需求和供暖需求。分布式能源也十分符合鄉村住宅分散、地區偏遠的特點。在農村能源變革中，“分布式能源”将成為能源體系實現低碳轉型和韌性發展的重要手段。

圖片來源《能源轉型的低碳、韌性、包容性發展》

芮城建設碳中和示範縣是在各級政府部門、研究機構、企業、農戶等多方合作和共同摸索中逐步推進的。兼顧各方需求，為各方可能受到的影響提供解決方案，實現成本的合理分擔和收益的合理分配，踐行包容性發展是能源轉型項目順利推進的重要保障。

圖片來源《能源轉型的低碳、韌性、包容性發展》

“包容性發展是達到預期目标的同時讓更多方參與進來，帶動更多的産業發展，讓更多的人受惠。比如，通過建立農村新型電力系統，可以促進電器直流化、農機具電氣化、清潔取暖等的發展。”楊旭東解釋道，“發展可再生能源，促進能源轉型，帶動産業升級，同時降低污染物和碳排放，也是包容性的體現。”

江億院士還進一步肯定了發展農村新型電力系統對于鄉村振興的重要意義：“低碳能源轉型已是國家發展戰略，建設新型農村配電網是發展大勢所趨，要明确低碳能源轉型方向，通過能源轉型拉動鄉村振興建設。建設新型農村配電網将與鄉村振興建設戰略緊密結合，未來将在農村開展‘光儲直柔’系統，充分開發利用農村各類閑置屋頂資源，發展光伏發電。”

對芮城來說，光伏供暖、電動農機具、直流電器、智能充電樁等多領域的協調，不僅使該縣居民獲得了取暖和用電的實惠；通過剩餘電量發電上網，還切實提高了居民的收入；減少化石能源排放帶來的污染也有利于居民的身體健康；均展現了包容性發展理念。

盡管從目前來看，芮城縣的能源轉型嘗試是成功的，并生動地體現了韌性和包容性發展，但由于每個地區的實際情況都有所不同，大面積推廣單一的能源轉型方案，勢必會增加經濟社會發展的風險。按照“試點先行，逐步推廣”的原則，選取一個合适的地區作為示範地，小範圍内推廣，是化解能源轉型帶來的風險、降低成本與提高效率的重要手段。芮城縣當前的積極探索無疑對其他地區的能源轉型具有重要參考價值。

圖片來源《能源轉型的低碳、韌性、包容性發展》

在江億院士看來，低碳轉型是一場革命，從供給側、轉換環節、到用能方式都要有巨大變化，也将實現巨大進步!

（感謝清華大學建築節能研究中心和中國能源模型論壇對此文的學術指導。）

延伸閱讀：中國能源模型論壇《能源轉型的低碳、韌性和包容性發展》

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