吉林省新能源與農業農村電氣化協同發展路徑研究

李宇星楊怡楠王鑫紅王鼎衡夏語婕蘇鈞驛李昊

(1.國網吉林經研院，吉林 長春 130000；2.國網吉林供電公司經濟技術研究所(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大黑土區之一，是“黃金玉米帶”、“大豆之鄉”，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、生態安全和能源安全方面的戰略地位十分重要。吉林省委省政府貫徹新發展理念，提出“三個五”發展戰略，從農業現代化和新型城鎮化、生態文明建設等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、火電規模大，但電煤依賴外運，隨著“碳達峰、碳中和”目標提出，大力發展新能源既是資源稟賦和經濟發展要求，也為新能源與農業農村電氣化協同發展奠定堅實基礎。

1 吉林省新能源與農業農村電氣化協同發展潛力分析

1.1 新能源驅動能源轉型發展的潛力巨大

吉林省風光資源質優量足，全省風光資源可開發容量約為1.15億kW，而現有風光裝機僅為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，處于工業化階段后期[2]，隨著全省經濟社會發展的不斷提升，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：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，需求側調節能力尚未充分挖掘。

1.2 農業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8a穩定在350億kg以上階段性水平，穩居全國第5位，糧食單產居全國第4位。鄉村生產生活存在以下特點：農業機械化發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，省內農業機械總擁有量達到883萬臺，農業機械總動力1.097億kW，主要類型涵蓋拖拉機及配套機械、種植業機械等，受作業規模、組織方式等因素限制，農機技術相對落后，傳統的機械化作業難以滿足農業精準作業的需要。傳統農機基本由柴油、內燃機驅動[5]，農業機械動力依賴化石能源，全省農業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機械以電動機為動力，占比僅為0.7%。農村電網可靠性、穩定性、智能化檢測控制及電力調度能力仍較低[6]，吉林省農村電網網架結構相對薄弱，以輻射式為主，單線或單變占比高；10kV線路聯絡不足，對上級電網支撐能力有待加強，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農村電氣化協同發展形勢分析

2.1 新能源發展形勢分析

2.1.1 吉林省新能源發展現狀分析

2010年以來，吉林電網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，調峰限電與網架限電。調峰限電是由于新能源裝機占比高，電網調峰能力不足，受電力平衡條件限制，無法消納新能源發電電力；網架限電是由于電網輸送能力不滿足新能源發電送出需求，受電網穩定條件約束，限制新能源發電電力。

2.1.2 吉林省新能源發展形勢分析

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。開發建設白城、松原2個新能源產業示范園區，抓好松原長青等12個生物質熱電聯產項目建設。在重大項目建設方面，將打造“兩橫兩縱雙環”電網，完善500kV電網結構，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、綠色工業園區，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

新能源發電具有高度的間歇性和不確定性，為保證電力發、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。電源側調節方面，當新能源電力處于高發時期，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電狀態轉變為用電狀態；相反，當新能源電力處于低發時期，應及時提高火電或水力機組出力，將儲能設施由用電狀態轉變為發電狀態。負荷側調節方面，通過需求響應、有序用電，實現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能力，主要從電力交易機制予以實現，通過峰谷電價、需求響應電價機制等手段，規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調節；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模提升，未來負荷側參與電網調節的規模和能力將顯著增強。

2.2 鄉村生產生活電氣化需求分析

2.2.1 農業現代化及新型城鎮化建設對電力需求提升

農業現代化涉及農田排灌、作物烘干、農機作業、設施農業和糧食儲運等各個環節，相關設備設施目前仍以柴油、內燃機驅動為主導，同時，隨著新型城鎮化建設的有序推進，農村電網網架結構將進一步完善，農業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展

電氣化相較于傳統能源有控制精確、結構簡單、用能高效、低碳環保等特點，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精度、節約種子和化肥。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。考慮到當前農村建筑節能仍處于較低水平、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域應用為主，并逐步推廣應用。

2.2.4 農村分布式電源發展空間較大

吉林省西部、中部地區風光資源儲量豐富，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、養殖業結合建設發展。

2.2.5 移動式能源供給將是農業生產用能的有力補充

電網企業近年來完成了“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、農作物收獲等環節，且僅應用于部分地區，發揮作用有限。隨著未來農業生產電力需求的提升，“井井通”模式難以進一步擴大規模，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，靈活滿足農業生產電力需求。

2.3 鄉村生產生活電氣化技術特性分析

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

2.3.1 電氣化農業機械具有較強的用電可控性

農業機械作業時間段較為規律，在農忙時節一般在白天頻繁實施作業，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負荷狀態及所在臺區的變電站負載率，對充電功率和時段進行智能化控制，充分發揮充電設施可控性參與到電網削峰填谷調節中，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

農業生產季節性強，一般情況下，同一類農機作業周期僅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發揮儲能作用。據不完全統計，吉林省現有農機總動力超過1億kW，將相關動力環節實施電能替代，并于農閑季節作為分布式儲能，則農村電網參與電網調節的能力將十分可觀。

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，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工序、優化用電時間，有效降低作業能耗。同時，對于相同區域、同一類型的作業設備，可以實施細化能源調度，以更長時間窗口的有序用電策略，參與到區域電網調度，削減區域電網峰谷差。

2.3.4 以清潔取暖提高電力系統調節能力

隨著新型城鎮化建設，農村傳統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有農村熱電解耦的能源消費模式。在有效響應電網調度需求的同時，保障區域供暖需求，減少二氧化碳及煙氣粉塵排放。

2.4 農業農村電氣化典型場景

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

2.4.1 農業種植

農業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，光輸出穩定，節能環保。

2.4.2 農業機械

電動農機可以廣泛應用于玉米播種、收獲、運輸、田間植保等各個環節，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農機有控制精確、結構簡單、用能高效、低碳環保等特點，能夠減少農業機械對土壤的擾動、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，以取暖和熱電聯產為主的煤炭消費量常年居高不下。針對此現象，電網公司大力推進電采暖技術的應用。電采暖技術根據“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，節能減排，運行成本經濟實惠。

3 新能源與農業農村電氣化協同發展路徑分析

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，積極推動鄉村振興和黑土地保護，構建現代農業產業體系、生產體系、經營體系。在此背景下，深度挖掘農業農村電力調節能力，推動新能源發展，打造以電為中心的鄉村能源應用體系，具有重要的現實意義和引領作用。新能源與農業農村電氣化互有需求，相得益彰，但在現實發展中存在重大障礙，動力電池的高成本嚴重阻礙了農業電氣化進程。為破解發展難題，本文基于大量調研和分析，提出新能源與農業農村電氣化協同發展方案。

3.1 統一農機電池標準，創新“循環利用”應用體系

電動農機發展仍處于初始階段，相關標準體系仍未健全。因此，有必要做好頂層設計，統一建立外形尺寸、補能方式及通信規約等標準體系。考慮不同類別農機只用于特定季節的特點，通過標準化體系的構建，促進農機動力電池在農業作業季節高度適配、利用率提升，實現動力電池在各類機械上循環利用，提升動力電池價值。

3.2 大力推進電動農機發展，探索“共享利用”商業模式

農機動力電池的“循環利用”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”商業模式，在農忙季節，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，通過農機動力電池集中調控參與新能源消納，大幅提升電力系統調節能力。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 發展分布式電源及電能取暖，通過參與電力調節降低成本

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

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，技術創新和機制創新的潛能需要進一步釋放。因此，需要加強頂層規劃設計，結合各地區鄉村發展水平和特點，因地制宜制定不同形式的鄉村能源發展路線，推動新能源與農業農村電氣化協同演進。