以色列“零碳計(jì)劃”研究與分析

文 | Shahar Dolev，Yael Cohen-Paran，Noam Segal

編譯 | 張玥

以色列“零碳計(jì)劃”研究與分析

文 | Shahar Dolev，Yael Cohen-Paran，Noam Segal

編譯 | 張玥

以色列能源論壇（Israel Energy Forum）是以色列能源領(lǐng)域一個(gè)著名的非政府組織，致力于促進(jìn)可再生能源的利用、構(gòu)建以色列可持續(xù)發(fā)展的能源體系。該組織針對(duì)以色列未來(lái)實(shí)現(xiàn)100%依賴(lài)可再生能源發(fā)展的可能性開(kāi)展了一項(xiàng)“零碳計(jì)劃”研究并得出結(jié)論。以色列開(kāi)發(fā)水電和地?zé)岚l(fā)電的潛力十分有限，而過(guò)高的人口密度對(duì)光伏發(fā)電和風(fēng)電的開(kāi)發(fā)也形成了一定阻礙，更重要的是，以色列與鄰國(guó)之間并沒(méi)有架設(shè)跨區(qū)域的電網(wǎng)輸配設(shè)施。該組織在此次的研究分析中，采用了一種獨(dú)創(chuàng)的最優(yōu)化問(wèn)題求解法計(jì)算出了合理的可再生能源利用比例，并得出一個(gè)驚人的結(jié)論——在發(fā)電成本保持不變的前提下，以色列2040年的可再生能源使用率高達(dá)80%。

1 背景簡(jiǎn)介

以色列是世界上人口密度最高的國(guó)家之一，國(guó)土面積20000多平方公里，人口總數(shù)800多萬(wàn)，人口年增長(zhǎng)率和GDP年增長(zhǎng)率分別為1.5%和3.1%。從人口和GDP的增長(zhǎng)趨勢(shì)來(lái)看，以色列電力部門(mén)可謂面臨著巨大的供需壓力，只有實(shí)現(xiàn)發(fā)電量年增長(zhǎng)率達(dá)到3.3%的目標(biāo)才能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)日益激增的電力需求。另外，以色列的電網(wǎng)并沒(méi)有與鄰國(guó)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，因此無(wú)法與鄰國(guó)進(jìn)行跨國(guó)電力交換的互補(bǔ)調(diào)劑。根據(jù)官方數(shù)據(jù)顯示，以色列目前的電網(wǎng)只能接納20%－30%的可再生能源。

以色列能源論壇此次開(kāi)展的研究將各類(lèi)能效提升措施以及在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上最具開(kāi)發(fā)性的可再生能源納入考慮范圍，旨在制定出一個(gè)可行性高、合理化的可再生能源利用比例。納入此次研究的可再生能源發(fā)電技術(shù)有：太陽(yáng)能發(fā)電（光伏發(fā)電和光熱發(fā)電）、風(fēng)電（陸上風(fēng)電和海上風(fēng)電）、轉(zhuǎn)廢為能技術(shù)、波浪發(fā)電以及儲(chǔ)能技術(shù)（主要是抽水蓄能技術(shù)）等。

2 研究方法

研究的初步工作是先要估算出到2040年以色列的電力需求總值。運(yùn)用多變量分析方法計(jì)算后，研究通過(guò)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性推斷得出，到2040年以色列的電力需求值將達(dá)到101TWh。下一步工作是將2040年以色列可能采用的能效提升措施納入考慮范圍，比如采用節(jié)能設(shè)備（節(jié)能空調(diào)等）、太陽(yáng)能熱水器、節(jié)能建筑(如空調(diào)安裝數(shù)量少的建筑等), 并改變能源消費(fèi)模式、用電習(xí)慣等 (如將空調(diào)的溫度調(diào)高一些)。研究得出的數(shù)據(jù)比較可觀(guān)，如果上述的能效提升措施能夠得到以色列政府的鼓勵(lì)支持并立即著手實(shí)施，那么到2040年，在不降低民眾生活標(biāo)準(zhǔn)的情況下，以色列的能源需求將會(huì)下降34%。

下一階段的研究工作是要讓可再生能源在一個(gè)全年內(nèi)完全適應(yīng)電力需求曲線(xiàn)的波動(dòng)。研究通過(guò)兩種途徑對(duì)當(dāng)下的電力需求曲線(xiàn)進(jìn)行了調(diào)整，估算出2040年的電力需求曲線(xiàn)。一種途徑是，在常數(shù)不變的情況下，疊加目前的電力需求曲線(xiàn)，這樣才能加大電力需求值并構(gòu)建出2040年的電力供需模式；另一途徑是，考慮到未來(lái)以色列將以可再生能源為主導(dǎo)能源，峰谷分時(shí)電價(jià)便會(huì)與現(xiàn)在的定價(jià)完全相反，比如太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施在中午可以提供大量的廉價(jià)電力，而晚上則會(huì)出現(xiàn)電力短缺的情況，啟用備用電源（儲(chǔ)備電力或者火電）就會(huì)提高成本，因此2040年的電價(jià)將會(huì)出現(xiàn)白天比晚上便宜的情況。為了提高最終結(jié)果的準(zhǔn)確性，針對(duì)這種預(yù)設(shè)模式，此次研究以24小時(shí)為一個(gè)波長(zhǎng)，把白天和晚上的部分電力需求值做了對(duì)調(diào)。

建設(shè)發(fā)電設(shè)施的費(fèi)用、設(shè)備壽命周期內(nèi)運(yùn)行所需的花費(fèi)，并對(duì)火電和可再生能源的成本支出給出了一個(gè)合理的攤銷(xiāo)率——火電為5%,可再生能源發(fā)電為7%（畢竟可再生能源項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)稍高一些）。

運(yùn)維常規(guī)故障排查：此項(xiàng)費(fèi)用主要取決于發(fā)電設(shè)備的規(guī)模。

運(yùn)維突發(fā)故障排查：此項(xiàng)費(fèi)用主要取決于發(fā)電產(chǎn)能的多少。

能源消耗成本：此項(xiàng)成本主要是針對(duì)火電。

其他額外費(fèi)用：污染治理費(fèi)用、基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)部件的維護(hù)、更換、故障維修等費(fèi)用，這些主要取決于當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門(mén)出臺(tái)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。針對(duì)光伏發(fā)電，研究工作也考慮到了對(duì)土地的征用等問(wèn)題。

總成本計(jì)算結(jié)果中還包括兩項(xiàng)隱形成本。一個(gè)是當(dāng)可再生能源發(fā)電超過(guò)電力需求，并且無(wú)法再進(jìn)行存儲(chǔ)不得已而丟棄的那一部分發(fā)電成本。另一個(gè)是平時(shí)處于閑置狀態(tài)的火電廠(chǎng)的運(yùn)維成本，這些火電廠(chǎng)是在可再生能源發(fā)電出現(xiàn)供不應(yīng)求時(shí)，用于彌補(bǔ)電力空缺。

為了計(jì)算出能夠合理實(shí)現(xiàn)消納的可再生能源利用比例，此次研究選擇了獨(dú)創(chuàng)的最優(yōu)化問(wèn)題求解法。該優(yōu)化計(jì)算法首先對(duì)100%化石能源發(fā)電（包括60%天然氣和 40%的煤炭）的成本和發(fā)電量進(jìn)行計(jì)算，然后從6種不同的可再生能源或方法中(太陽(yáng)能光伏、太陽(yáng)能光熱、陸上風(fēng)電、海上風(fēng)電、儲(chǔ)能容量、儲(chǔ)能時(shí)間)選擇一項(xiàng)逐步代入其中進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。經(jīng)過(guò)層層運(yùn)算后，從中選出從化石能源發(fā)電轉(zhuǎn)向可再生能源發(fā)電成本最低的路徑。

在運(yùn)算過(guò)程中，每加入一種可再生能源發(fā)電技術(shù)，就要考慮到收益遞減的問(wèn)題。計(jì)算初始階段，新加入的可再生能源發(fā)電技術(shù)的新增電力都是可以被消納的，但是隨著投入量的加大，在電力生產(chǎn)高峰時(shí)，電力產(chǎn)能將會(huì)超過(guò)電力需求，此時(shí)過(guò)剩的電量就無(wú)法被消納。由此帶來(lái)的結(jié)果就是成本的上升，阻止成本繼續(xù)上升的方法就是代入另一種可以與其形成互補(bǔ)的可再生能源發(fā)電技術(shù)，并依此類(lèi)推。通過(guò)這樣的方法，優(yōu)化計(jì)算法就會(huì)計(jì)算出各類(lèi)不同的可再生能源發(fā)電技術(shù)都將以怎樣的比例分配，才能更好地發(fā)揮自己的經(jīng)濟(jì)效益。整個(gè)優(yōu)化計(jì)算法總共運(yùn)行三次，分別針對(duì)正常能效模式（101TWh/a）、中級(jí)能效模式（86TWh/a）以及高級(jí)能效模式（64TWh/a）三種不同情景模式進(jìn)行計(jì)算。

3 研究結(jié)果

此次的研究結(jié)果首先肯定的是，即使在以色列發(fā)展可再生能源條件有限的情況下，可再生能源也可以在電力消費(fèi)中占到比較高的比例。優(yōu)化計(jì)算法表明，隨著可再生能源發(fā)電技術(shù)的推廣, 可再生能源電力消費(fèi)也會(huì)逐步增加，盡管增幅比較緩慢。當(dāng)前，以色列開(kāi)發(fā)可再生能源的條件十分有限，要實(shí)現(xiàn)可再生能源在電力消費(fèi)中比例的上升還有許多亟待解決的問(wèn)題。此次的研究計(jì)算證明，以色列在實(shí)現(xiàn)能效大幅提升的情況下，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例可以高達(dá)80%以上。

研究根據(jù)優(yōu)化計(jì)算法的結(jié)果得出，從100%化石能源逐漸向可再生能源過(guò)渡的初始階段，電力生產(chǎn)的總成本是呈下降趨勢(shì)的（盡管可再生能源的發(fā)電成本還是高于化石能源）。這種趨勢(shì)的形成原因是：在早期階段，成本較低（因?yàn)闊o(wú)需燃料成本）的可再生能源替代了成本高昂且不環(huán)保的化石能源，僅這一點(diǎn)就大幅降低了發(fā)電成本和其他的額外成本，而且所有的可再生能源電力都可以被消納。但運(yùn)行一段時(shí)間后，成本開(kāi)始如預(yù)期所料呈上升趨勢(shì)，即總成本的消耗又回到了沒(méi)有使用可再生能源的模式中。研究把這種情況稱(chēng)為“收入中立”，這是由于利用可再生能源而省出來(lái)的部分資金又被重新投入到可再生能源發(fā)電設(shè)施的建設(shè)中。

根據(jù)研究結(jié)果，在不考慮能效提升的情況下，使用化石能源所產(chǎn)生的供需成本預(yù)計(jì)是25.1億新謝克爾(約合人民幣41.3億元)，外加12.4億新謝克爾（約合人民幣20.4億元）的額外成本支出，總共為37.5億新謝克爾（約合人民幣61.7億元）。以同樣的成本價(jià)格，只有36%的可再生能源可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電應(yīng)用。超過(guò)這個(gè)比例，成本就會(huì)上升，也就是說(shuō)可再生能源每度電的電價(jià)也會(huì)有大幅上漲。

而隨著能效提升措施的全面施行，以色列總的電力需求將下降36%，使用可再生能源完全滿(mǎn)足總的電力需求也具有了極大的可能性。在這樣的情景模式下，37.5億新謝克爾（約合人民幣61.7億元）的總成本將可以實(shí)現(xiàn)80%的可再生能源發(fā)電應(yīng)用（成本中也包括了利用能效提升措施所需的成本支出）。

研究分析還進(jìn)一步顯示了能效和可再生能源之間存在的密切關(guān)系——在能效沒(méi)有提升的情況下，可再生能源的發(fā)電利用比例將非常低，但是隨著能效提升措施的有效應(yīng)用，可再生能源的應(yīng)用比例以及隨之帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益都將實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展。然而，能源效率和可再生能源之間還有另一層關(guān)系——如果是基于化石燃料發(fā)電的發(fā)電廠(chǎng)，其電廠(chǎng)自身的建設(shè)成本將被視為“沉沒(méi)成本”（即已支付的成本，現(xiàn)在已開(kāi)始產(chǎn)生利潤(rùn)），這對(duì)于可再生能源來(lái)說(shuō)就造成了競(jìng)爭(zhēng)的不公平，因?yàn)榭稍偕茉催€是需要這部分建設(shè)投資的。這樣就對(duì)可再生能源的應(yīng)用產(chǎn)生了負(fù)激勵(lì)效應(yīng)。另一方面， 如果加大對(duì)能效提升的投資，火電機(jī)組的建設(shè)就會(huì)被迫推遲，可再生能源的利用比例也就自然提高。一旦可再生能源發(fā)電機(jī)組投運(yùn)，也會(huì)形成“沉沒(méi)成本”,反過(guò)來(lái)又會(huì)制約火電機(jī)組的建設(shè)。

此次研究得出的另一個(gè)重要結(jié)論是，以色列風(fēng)電的發(fā)展（無(wú)論是陸上風(fēng)電還是海上風(fēng)電）對(duì)提升以色列可再生能源供電比例具有至關(guān)重要的作用。因?yàn)樵谙挛?、傍晚等光照較弱的時(shí)段，太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)能較低而電力需求卻并沒(méi)有下降，因此風(fēng)電就可以彌補(bǔ)此段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的電力短缺，也避免了對(duì)火電等備用電源的依賴(lài)。而從衛(wèi)星數(shù)據(jù)來(lái)看，以色列海上風(fēng)電的發(fā)展前景要比陸上風(fēng)電更為廣闊。然而，由于海上風(fēng)電的技術(shù)還不夠成熟，以色列海上風(fēng)電的發(fā)展也還處于起步階段，因此在此次研究中只有很少一部分的海上風(fēng)電被計(jì)算在內(nèi)。

4 研究局限性

此次的研究計(jì)算中并沒(méi)有計(jì)算電力出現(xiàn)供過(guò)于求時(shí)，對(duì)過(guò)剩電力進(jìn)行儲(chǔ)存所花費(fèi)的成本。因?yàn)闊o(wú)論是在高比例化石能源發(fā)電模式下還是高比例可再生能源發(fā)電模式中，都會(huì)出現(xiàn)這項(xiàng)成本支出，因此這項(xiàng)支出的忽略對(duì)于兩種發(fā)電模式的計(jì)算不會(huì)產(chǎn)生太大的影響。但嚴(yán)謹(jǐn)來(lái)看，在可再生能源發(fā)電模式中由于各類(lèi)資源的多樣性應(yīng)用提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，因此也會(huì)降低對(duì)電力儲(chǔ)存的需求。因此，這項(xiàng)成本支出對(duì)結(jié)果的影響還需得到進(jìn)一步確認(rèn)。

另外，輸配電設(shè)備也沒(méi)有在此次研究計(jì)算中體現(xiàn)出來(lái)。盡管研究表明高比例可再生能源實(shí)現(xiàn)的可能性很大，但目前還無(wú)法證實(shí)相應(yīng)的輸配電設(shè)備是否能夠接收如此大量的可再生能源電力，并輸送給電力消費(fèi)者。高比例可再生能源也就意味著要提高輸電線(xiàn)路的輸送容量，這樣才能及時(shí)將電力送往人口密集的用戶(hù)區(qū)域，配電線(xiàn)路的容量也要做相應(yīng)提升，才能實(shí)現(xiàn)風(fēng)電和光伏等可再生能源間的互補(bǔ)切換。

此次研究只考慮了一個(gè)全年的計(jì)算周期，因此還需要驗(yàn)證該仿真計(jì)算模型在極端條件下（長(zhǎng)期無(wú)風(fēng)、無(wú)光照等極端天氣狀況）的運(yùn)行情況。要達(dá)到這樣的完整性，還需要建立一個(gè)長(zhǎng)期的分析機(jī)制，利用蒙特卡洛方法（也稱(chēng)統(tǒng)計(jì)模擬方法，是一種計(jì)算機(jī)化的數(shù)學(xué)方法，允許人們?cè)u(píng)估定量分析和決策制定過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)）模擬未來(lái)幾年的天氣狀況。然后將此次研究采用的優(yōu)化計(jì)算法對(duì)這一長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)再次進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。

5 結(jié)論

以色列論壇此次開(kāi)展的“零碳計(jì)劃”研究對(duì)以色列未來(lái)實(shí)現(xiàn)高比例可再生能源的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性做了深入研究，并給出了肯定結(jié)論。雖然在當(dāng)前的技術(shù)條件下，實(shí)現(xiàn)向100%可再生能源的過(guò)渡并不現(xiàn)實(shí)。但是，隨著可再生能源發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，以色列未來(lái)終將會(huì)實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。同時(shí)，以色列未來(lái)的能源政策也應(yīng)更加注重能效提升（尤其要加大對(duì)節(jié)能的關(guān)注，如普及節(jié)能建筑等），以此降低電力需求。另外，風(fēng)電（陸上和海上）以及屋頂式光伏的發(fā)展也需要得到進(jìn)一步的扶持。如果以色列現(xiàn)在能有所行動(dòng)，當(dāng)天然氣等化石能源在接下來(lái)的幾十年間消耗殆盡后，以色列也會(huì)有一套替代舊有發(fā)電系統(tǒng)的清潔、可持續(xù)性的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)來(lái)應(yīng)對(duì)未來(lái)的電力需求。