中德低碳农村能源转型之路-中德能源转型研究项目.pdf-solarbe文库

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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 2 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 Torsten Fritsche 科特纳大街 2 号德国柏林 10963 项目负责人 Anders Hove 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 Michael Popp, Markus Zdrallek, Jessica Stephan, Sven Pack, 伍珀塔尔大学 Ulrich Jansen, Thorsten Koska，伍珀塔尔机构 Anders Hove 侯安德，Philipp Geres，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，P 12 Shutterstock_108342809/P 10 © 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。3 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 4 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“dena 95 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。 5 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，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。 1 2007 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。 3 2020 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。6 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（Schwaigerloh ）和施瓦格慕斯（Schwaigermoos ），慕尼黑机场也是奥伯丁社区的一部分。 6 该社区常住人口 6,455 人，其中施瓦格村 1140 人。 7 下图为奥伯丁社区的不同土地用途。图奥伯丁 QGIS 地图，标识土地用途来源伍珀塔尔大学，2021 施瓦格村住宅用地占比高，商业用地占比低，周围主要为农业用地。奥伯丁社区共有 1,416 栋住宅建筑，其中 253 栋在施瓦格村。 8 施瓦格村几乎没有工商企业，约有30 家本地公司都是与机场相关的，例如酒店、商业停车场、物流和运输公司。 9 本研究未包含农业企业，因为它们并没有列入工商业联合会名单。从土地使用图可以看出此区域存在农业企业。施瓦格村人均收入约 25,000 欧元。 10 基于 E-Werk Schweiger oHG 的数据，截至 2021 年末，施瓦格有 978 千瓦光伏装机容量。东桥头村东桥头村位于山东省，距省会济南市 200 公里，距重要的沿海城市青岛市约 350 公里。东桥头村有 446 户 private residences commerce, industry agriculture 慕尼黑机场施瓦格慕斯施瓦格洛夫施瓦格伯丁尼泊丁诺津奥夫克尔辰私人住宅商业、工业农业7 村民，总人口1,832。长期生活在村外的人口为380，包括 210 名务工人员和 170 名学生；约 40-50 人在村内及附近公司或工厂工作，人均年收入人民币22,500 元，相当于 3,000 欧元。图东桥头村的位置和卫星图像来源中国科学院应用生态研究所下图展示了东桥头村家庭收入分布情况。90以上家庭主要收入来源为农业，只有小部分收入来自村外务工（7 ）、服务行业（2）和水产养殖（1）。图东桥头村家庭收入构成和来源来源中国科学院应用生态研究所 10 50 25 15 100,000 元 90 7 2 1 农业其他就业服务业水产养殖业8 施瓦格村和东桥头村对比图月平均太阳辐射量（左）和温度（右）来源美国国家可再生能源实验室（NREL）PVWatts ，2022 图人均能耗（左）和收入（右）来源德国国际合作机构（GIZ ），2022 0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 施瓦格东桥头欧元 0 1 2 3 4 5 6 7 一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一月十二月 kWh/m 2 / 天施瓦格东桥头 -5.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一月十二月 ℃ 施瓦格东桥头 0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 施瓦格东桥头欧元 0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 14,000 16,000 18,000 施瓦格东桥头兆焦9 图燃料构成,2022 年（左）和 2030 年（右）注排除在施瓦格村案例之外的电网电力和液体燃料。来源德国国际合作机构（GIZ ），2022 表施瓦格村和东桥头村的社会经济及能源数据比较德国中国村/ 镇名称施瓦格村东桥头村隶属省/ 州巴伐利亚州山东省人口 1,140 1,832 家庭户数 388 446 人均收入 25,000 欧元 22,500 元人民币年人均能源消耗 4,529 千瓦时 2,377 千瓦时年人均电力消耗 1,082 千瓦时 1,257 千瓦时电力在能源消耗中的占比 23.89 52.88 煤炭消耗/ 占比无 41.54 油消耗/ 占比 1,769 兆瓦时 6.49 燃气消耗/ 占比 590 兆瓦时 12.67 生物能消耗/ 占比 751 兆瓦时 10.50 太阳能发电消耗/ 占比 1,209 兆瓦时风电消耗/ 占比 0 兆瓦时 0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000 40,000 施瓦格东桥头吉焦光伏天然气生物质石油电网液化石油气煤炭其他 0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000 40,000 施瓦格东桥头吉焦光伏天然气生物质石油电网液化石油气煤炭其他10 德国中国水电消耗/ 占比 22,240 兆瓦时能源使用- 供冷/ 供热（） 10 33.10 能源使用- 交通（） 78.22 10.81 能源使用- 其他（） 11.78 56.09 人均碳排放 5,500 千克（巴伐利亚州） 11 5,005 千克汽车拥有率（家庭拥有，不含两轮车或三轮车） 99 49.33 太阳辐照量（年，千瓦时/ 平方米/ 天） 3.42 3.85 太阳辐照量（夏季） 5.35 瓦/ 平方米 4.47 瓦/ 平方米太阳辐照量（冬季） 1.42 瓦/ 平方米 2.89 瓦/ 平方米平均温度（年度） 8 13 平均温度（夏季） 16.5 24.5 平均温度（冬季） -1 0.3 主要职业农业（90）主要本地行业农业、工业、服务业、物流（机场）农业 11 中德政策框架德国政策为了实现本国气候目标，德国建立了一个包括法律及各类资金渠道的框架。该框架始建于 2000 年生效的可再生能源法（EEG ），不久前，该法进行了重大修订。可再生能源法为扩大分布式能源在发电领域的应用提供了激励措施，2001 年之前安装的光伏系统可以得到至少 0.506 欧元/ 千瓦时的上网电价，12 该电价每年都在下降，因为光伏系统的成本也在下降。2022 年，光伏系统上网电价至少为 0.0475 欧元/ 千瓦时。13 固定上网电价制度在20 年后到期。除了固定上网电价以外，分布式能源也享有优先接入电网权，也就是说，一般不会被限电。由于分布式能源上网电价下降，目前大多数光伏系统所有者都投资建设了储能系统，将自用耗电量最大化，因为在大多数情况下，“只能接入电网”的选择不再有利可图。因此，仍需要通过政策来激励更多家庭投资建设储能系统。热电联产法（KWKG ）为支持可再生能源在各部门的应用奠定了基础； 14 交通和供热部门的法案推动了能源转型；德国可再生能源热利用法（EEWärmeG ）和节能条例（EnEV ）在过去有力的推动了可再生能源供热和供冷效率的升级，2020 年建筑能源法（GEG ）取代了这两项措施。针对新建建筑及既有建筑的改造，建筑能源法规聚焦于能效提升，同时也针对用于供热和供冷的可再生能源的占比设定了约束性目标。建筑能源法禁止2026 年之后新建或翻修的建筑在新的供热系统中使用燃油供热。 15 2021 年，建筑电动交通基础设施法（GEIG）生效，为电动交通充电基础设施的扩张提供了支持。以上政策工具都大力地推动了德国的能源转型。 16 德国通过各类融资机会，支持可再生能源的发展和扩张，从而推动能源转型。联邦经济和出口管制局（BAFA ）为完全或部分使用可再生能源的供热系统的安装或升级提供补贴，最高可达60,000 欧元，燃油供热系统被排除在资助计划之外。联邦经济和出口管制局的另一个资助计划是支持电动交通，购买或者租用电动汽车的消费者可收到最高 6,000 欧元的环保津贴。德国复兴信贷银行（KfW ）提供进一步补贴，为节能住宅的翻修或新建提供最高 75,000 欧元的经济支持。风能在扩大利用可再生能源方面也发挥着重要作用，尽管如此，本研究并未在施瓦格村案例中考虑风能，因为施瓦格村紧邻欧洲最繁忙机场之一的跑道。近年来，在扩大风能应用方面，德国遇到了挑战，主要原因包括审批程序漫长复杂，可能要花费多年时间才能完成，缺少用于建筑项目的空间，还有本地居民的接受程度不高，往往对风力涡轮机的噪音或者外形产生顾虑。这些挑战严重阻碍了风能在德国的扩张，甚至威胁到了风能行业在德国的存在。另一个巨大挑战是可用于建造风力涡轮机的地点，德国各州往往都通过法令规定了风力涡轮机和住宅建筑之间的最小距离。例如，在巴伐利亚州，风力涡轮机和住宅建筑之间的距离必须是涡轮机高度的十倍（一个 200 米高涡轮机的建设距离为 2 千米）。因为德国人口密度高，所以这项规定大幅度减少了可用于安装新风力涡轮机的空间，也危及了很多老旧涡轮机的改造。 17 中国政策 2016 年 12 月，中国发布了能源发展“十三五” 规划，其中强调了家庭和工业能源电气化，尤其是在北京、天津、河北及周边区域的受污染地区。规划中提到了以电力供热取代煤炭，推广分时电价，改造农村配电网。计划中包括推广农村地区可再生能源的措施，其中提到了太阳能、风能、小水电、农林废弃物转能以及地热能。规划也强调了农村电力系统可靠率，目标是到 2020 年，在农村地区达到 99.8 的供电可靠率，户均配变容量不低于 2 千伏安。 18 2022 年初发布的“ 十四五 ”现代能源体系规划重点提及了农村能源发展。规划的目标是进入电网建设和升级的第二阶段，提高农村地区的电力保障水平，包括推广农村微电网试点以及农村地区的可再生能源电力供应。中国通过“千家万户沐光行动”和“千乡万村驭风行动”，推广分布式光伏和小型风电。规划中也将农业光伏、生物质能以及地热能列为优先选择，规划中包括了提高农村地区天然气供应、减少散煤供热、推广农用节能技术以及打造 “零碳村庄 ”试点等措施。 19 中国政府反复强调加强农村公共基础设施，尤其是在能源部门。2021 年，在传统的年度农业政策一号文件中，政策制定者把实施乡村清洁能源建设工程、加大农村电网建设力度和提升农村电力保障水平作为目标。该文件也支持建设乡村供气基础设施和储气罐站、发展农村生物质能源以及加强煤炭清洁化利用。 20 在 2022 年的一号文件中，中央政府再一次强调升级农村电网，在农村地区推广光伏和生物质等清洁能源。 21 12 2021 年，中国国务院办公厅印发了关于推动城乡建设绿色发展的意见，列出了有助于打造绿色生态宜居的美丽乡村、提升农村生活品质的各种优先事项，包括完善水、电、气、厕配套附属设施；加强既有农房节能改造；提高镇村设施建设水平；推进农村生活垃圾、污水、厕所粪污、畜禽养殖粪污治理。 22 山东省政策山东省一直在推动打造绿色生态宜居的美丽山东，在此基础上发展农村绿色能源。总的来说，山东省农村电气化水平大幅度提高了农村地区户均配变容量达到2.71 千伏安，年人均电力消耗为427 千瓦时，达到城镇平均水平的80以上；冰箱、洗衣机和空调的拥有量大幅增加，电磁炉和电饭锅已成为常见的烹饪工具；摩托车和农用车辆正逐步被电动汽车所取代。能源使用的清洁度提高了在炊事用能中，沼气、液化石油气、煤气、生物气占48.2，电能占29.1，煤炭占 8.2，柴薪等其他占 14.5；山东农村清洁取暖户 510 万户，占农户总数的40，其中沼气取暖265 万户，电力取暖 155 万户，生物质、太阳能等其他取暖 90 万户。近年来，山东农村清洁能源发展也实现了快速增长，全省户用分布式光伏 58.5 万户，装机容量 1041 万千瓦，光伏装机容量超过了大多数国家；农林生物质发电装机规模 183 万千瓦，年利用农作物秸秆及林业剩余物等 1800 多万吨；生物气发电装机规模 9.5 万千瓦，其中利用畜禽粪污制生物气发电装机规模 2.5 万千瓦，年利用畜禽粪污 557 万吨。 23 13 研究方法和分析风能和太阳能在德国农村地区的广泛应用，表明德国能源转型已经对农村地区产生了巨大影响。 24 在分析施瓦格村能源转型时，本研究致力于（1 ）目前农村能源转型的发展阶段；（2 ）农村能源转型发展中期预测，尤其强调农村家庭的电气化，例如供热和家庭交通。为了回答这些问题，本研究使用了公开可获取的数据，并与伍珀塔尔研究所（Wuppertal Institute）合作对村庄开展调查，计算得出能源转型发展现状，并对未来农村能源转型各种情景进行了分析。本研究采用三步法第一步定义情景框架，第二步将情景数据应用于具体村庄，第三步处理能源数据及调查结果，得出未来不同能源情景下的能流图。德国的情景框架为了预测未来农村能源生产和用电量，首先确定了各种关键技术情景。本研究尤其侧重于电动汽车、热泵和光伏在未来的渗透率。在设定情景时，评估了针对每一类情景的现有研究。例如，开发电动汽车情景的流程如下图所示图德国电动汽车情景的开发流程来源伍珀塔尔大学，2022 对德国的研究采用了统计的概念与方法（meta- analysis ），详细阐述了“悲观”、“中等”及“乐观” 的电动汽车应用场景。为了使研究更具可比性，使用插值法得出了五年的数据。本研究针对电动汽车和热泵的发展都采用了类似的方法。鉴于光伏已得到了广泛应用，四个输电系统运营商会定期发布电网发展计划并提交联邦电网局审核，本研究基于该计划中已确认的情景，开发了光伏情景。 25 电网发展计划确认了德国光伏的三条发展路径，彼此间只有最低程度的差别自2019 年起，不同情境下年度光伏的装机容量应在 3.8 吉瓦到 4.4 吉瓦之间。鉴于德国新一届联邦政府是在2021 年电网发展计划报告发布之后才执政，因此更高的年度装机量也是有可能的。根据当前的联盟协议，德国应在2030 年之前达到200 吉瓦以上的光伏装机容量。 26 根据德国国家层面的发展数据，如下图所示，选择人口密度和建筑存量数据，将这些国家数据细分到各联邦州及社区层面。优先关键研究 2030 年电动车市场发展，德国汽车管理中心（CAM ） 00 区域电力发展需求和负荷曲线，弗劳恩霍夫系统与创新研究所（Fraunhofer ISI 2018 年进度报告，国家电动车平台（NPE ）电动车临界点，波士顿咨询集团 2018 年电动车展望，彭博新能源财经到 2050 年的电动车预测及入门，加拿大皇家银行资本市场 2018 年德国能源署（DENA ）牵头研究所有经评审的关于电动车发展的研究（S ） 25 个情景作为潜在发展路径的基础扫描使用数据基础的过程14 表用于施瓦格村情景的潜在电动汽车、热泵和光伏情景数据概览来源伍珀塔尔大学, 2022 ；德国能源署（dena ） 27 ；德国联邦网络管理局（Bundesnetzagentur ） 28 区域化方法基于情景框架及每一情景的总体国家预测，将数据外推到选定的村庄，例如，下图展示了用于电动汽车的方法，用于热泵和光伏的方法基于输入数据而有所不同。以下数据展现了电动汽车采用区域化方法的一般流程图以电动汽车为例的区域化方法原则来源伍珀塔尔大学在估算热泵的普及度时，区域化程序考虑了联邦州和社区的建筑结构，认为独立式住宅和半独立式住宅是最适合使用热泵的建筑类型。因为缺乏详细的数据，例如实际楼龄和保温隔热程度等参数，所以假定建筑物具有统一的能效，建筑物特征的差异可能不会影响对热泵分布的估算。研究基于人口和家庭规模，对奥伯丁社区不同村庄的电动汽车和热泵数量进行了加权处理，奥伯丁在其官方网站上发布了人口分布数据。 29 基于电网运营商 E- Werk Schweiger oHG 提供的村庄现有装机容量，假设了未来光伏装机分布。市场份额和组合发展研究数据人口登记电动车人口密度土地使用建筑存量筹资项目德国电动车发展各州电动车发展各社区电动车发展各区电动车发展建筑存量人口登记车辆人口登记车辆各年龄组机动化家庭纯收入技术情景年份 2030 2035 电动汽车悲观 353 万 735 万趋势 416 万 865 万乐观 540 万 1125 万热泵德国能源署 TM95 390 万 477.5 万德国能源署 EL95 790 万 1010 万光伏电网发展计划情景 A 90.8 吉瓦 110.1 吉瓦电网发展计划情景 B 96.3 吉瓦 117.8 吉瓦电网发展计划情景 C 97.4 吉瓦 120.1 吉瓦 15 德国的模拟假设为了将奥伯丁的情景数据转变为电动汽车充电基础设施和热泵的能源与电力数值，能量流动模型必须解释光伏系统输出和热泵能耗的剧烈季节性波动。针对电动汽车的充电负荷，只考虑私人充电基础设施，因此只专注于交流充电技术。假设大多数电动汽车充电的功率水平是 11 千瓦或 22 千瓦。在计算电动汽车的能源需求时，对充电行为的预估具有重要意义，因此采用2017 年德国交通研究中的用户行为随机数据作为输入参数，并基于研究中的停车情况建立了充电情景， 30 形成社区内每一充电车辆在一整年内的个体充电概况，从而估算出电动汽车在分钟级别的能源需求。与电动汽车所具有的不可预测的负荷曲线不同，热泵往往呈现出非常相似的用能行为，并会受到季节的强烈影响。热泵的耗能严重依赖于环境温度，而同一社区的环境温度并不会出现显著差异。基于 Wintzek 等人的研究 31 ，考虑到建筑的用热需求和热水需求，模拟中假设了热泵的三种功率等级3 千瓦、6.5 千瓦和9 千瓦。为了反映季节性影响，模拟中使用了不同的标准热泵时间序列，分辨率为一分钟。时间序列反映了老旧房屋和现代化房屋的热泵负荷概况，以及有无阻断期（电网运营商关闭热泵以减少系统负荷）行为。分析使用时间序列数据确定光伏系统输入电网的能量，只需要一个具有代表性的时间序列就够了，因为所研究的社区或村庄内的天气情况不会呈现出任何巨大差异。E-Werk Schweiger oHG 提供了自 2020 年起的测定时间序列，分辨率为15 分钟，本研究对其进行了标准化处理，用作进一步考虑光伏电力分布的依据。此外，研究中也比较并验证了基于“巴伐利亚能源图集” 32 信息生成的情景数据。除了电动汽车和热泵的新负荷之外，还需要对典型的家庭和商业负荷进行建模，以形成对能量流动的全面了解。由于缺乏任何关于家庭具体能耗的可用数据，所以建模依赖于已发布的不同家庭规模的平均能耗，并基于奥伯丁人口普查所发布的家庭规模，推倒出每户的电力消耗， 33 平均电力消耗可以分为低、中和高三级。典型家庭的能耗也会受到季节因素的影响，因此模拟基于 Tjaden 等人研究的时间序列，使用了随机分配的家庭概况。 34 鉴于可用的信息有限，本研究深入的细节程度达不到工业能耗或负荷相同的水平。总的来说，之前的研究表明德国工业和商业负荷与家庭电力消耗大体类似。 35 因为施瓦格村没有大型工业企业，所以将本地工业负荷整合到了家庭年能耗的模拟中。 36 工商业部门对能源消耗划分为工业和农业，与城市地区相比，农业在农村地区的负荷占大部分。进行能量流动建模时，使用了基于 APCS 电力清算与结算数据改编的工农业合成电力负荷概况。 37 通过这种方法，建立了各种时间序列，以15 分钟为间隔进行能量流动建模。通过年度分析方式将供热部门纳入其中。针对建造或翻修年份不同的建筑类型，计算出平均用热需求，可以反映出模拟中各家庭的家庭能耗。 38 分别对“低”、“中”、“高”供热需求进行模拟，将之与相应建筑结构的典型公寓或房屋规模相匹配。研究中使用了比较系数整合本地工业供热需求，该系数代表的是工业用热需求与家庭用热需求的比值，工业需求比家庭用热需求高 38。 39 针对施瓦格村的调查设计能量流动建模的最后一步是人口调查，在获得社区正式批准后，项目组对施瓦格村开展了调查。通过设计三种不同的调查表格，分别从家庭、本地企业以及本地行政部门收集数据。量身定制的调查设计，帮助评估施瓦格村部门耦合和能源转型之前及未来的发展，比较并调整潜在的情景假设。调查收集了三个关键子领域的数据和态度交通、供热和电力使用。为了完成进一步分类和验证，也收集了额外的社会人口特征。家庭调查与企业和行政部门的调查不同，包括更多与参与者主观意见