“雙碳”目標(biāo)下以色列的太陽能技術(shù)應(yīng)用介紹

方藝潤

(北京國際科技合作中心(北京港澳臺(tái)科技合作中心)，北京100080)

0 引言

隨著全球氣候變暖已成為人類發(fā)展的最大考驗(yàn)之一，世界各國制定了各自的碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)(下文簡稱為“‘雙碳’目標(biāo)”)，以應(yīng)對全球氣候變化。由于發(fā)展階段不同，很多歐洲國家在20世紀(jì)70年代左右已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了碳達(dá)峰，并提出在21世紀(jì)中期實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。美國和日本也分別在2007、2013年左右實(shí)現(xiàn)了碳達(dá)峰[1]。截至2021年11月，已有66個(gè)國家和地區(qū)提出各自的碳中和目標(biāo)，其中，英國、瑞典等少數(shù)國家已將該目標(biāo)法律化?？傮w來看，大部分國家和地區(qū)(歐美多數(shù)發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體和部分發(fā)展中國家)以2050年作為碳中和目標(biāo)年，少數(shù)國家(比如瑞典、芬蘭等)則將碳中和目標(biāo)年提前到2035—2045年之間。中國以2060年作為碳中和目標(biāo)年，相比于發(fā)達(dá)國家從碳達(dá)峰到碳中和的過渡期少則45年，長則70年，中國的過渡期只留了30年的時(shí)間[2]。

為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，一些國家針對不同行業(yè)制定了相應(yīng)的政策：1)發(fā)展清潔能源，降低煤電的供應(yīng)，英國、丹麥均提出發(fā)展氫能，利用氫能為工業(yè)、交通、電力和住宅領(lǐng)域供能；2)促進(jìn)建設(shè)綠色建筑，通過以“能源之星”(美國)、“建筑物能源合格證明”(德國)等能源效率認(rèn)證形式來減少建筑物的二氧化碳排放量；3)推動(dòng)使用新能源交通工具，比如，提高電動(dòng)車補(bǔ)貼額度(德國)、對零排放汽車免征增值稅(挪威、奧地利)、2035年禁售燃油汽車(日本)，以此減少交通運(yùn)輸業(yè)的碳排放量[3]。本文以以色列為例，對該國在“雙碳”目標(biāo)下的可再生能源技術(shù)路線進(jìn)行介紹，并從太陽能熱發(fā)電、太陽能生活熱水、被動(dòng)式太陽能房、光伏發(fā)電、鹽水太陽能蓄熱池等方面介紹該國對太陽能技術(shù)的利用情況。

1 以色列的可再生能源技術(shù)路線

1.1 國家目標(biāo)

根據(jù)2022年《以色列藍(lán)皮書》報(bào)告，以色列已成為54個(gè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的國家之一。為遵守《聯(lián)合國氣候變化框架公約》(UNFCCC)的承諾，以色列總理本雅明?內(nèi)塔尼亞胡(Benjamin Netanyahu)參加2020年的氣候雄心峰會(huì)時(shí)宣布，以色列“完全致力于到2050年成功從化石燃料過渡到可再生能源”，并承諾到 2050年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，且使該年的溫室氣體排放量比其在2015年時(shí)的排放量減少85%以上，并在2050年實(shí)現(xiàn)95%的電力來自可再生能源[4]。

為實(shí)現(xiàn)2050年的目標(biāo)，以色列政府設(shè)定了相比于2015年，到2030年將溫室氣體排放量減少27%的目標(biāo)，并將該目標(biāo)分解如下：

1)與2015年測量的全國固體廢棄物碳排放量(550 萬t)相比，2030年該值至少減少47%；到2030年全國城市固體廢棄物量將減少71%。

2) 2030年登記的3.5 t重量以下新車的碳排放量限制在2020年登記的3.5 t重量以下新車碳排放量的5%；從2026年開始，所有新的城市公交車均需為符合環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的車型。

3)與2015年測量的全國來自電力的碳排放量(3760萬t)相比，2030年該值需減少30%。

4)相對于2015年全國制造業(yè)1200萬t的溫室氣體排放量，2030年該值至少減少30%。

1.2 具體舉措

為確保實(shí)現(xiàn)2050年目標(biāo)，以色列環(huán)境保護(hù)部、能源部、交通部等部門均提出了相應(yīng)的要求，并牽頭分配項(xiàng)目資金，其中包括投資購買電動(dòng)巴士、推廣充電站、減少工商業(yè)等領(lǐng)域的碳排放量等。

根據(jù)能源部提出的要求，要實(shí)現(xiàn)2050年目標(biāo)，該國80%的能源需來自可再生能源，能源利用形式需向太陽能和氫能等可再生能源形式轉(zhuǎn)變。另外，該部門提出要加強(qiáng)可再生能源基礎(chǔ)設(shè)施的投資，并開發(fā)可再生能源儲(chǔ)存等新技術(shù)。

根據(jù)交通部的計(jì)劃，為實(shí)現(xiàn)上述關(guān)于公交車的2030年目標(biāo)，需要占比為25%的重量在3.5 t以下的公交車和占比為10%的重型卡車達(dá)到零排放，到2050年該占比將提升到100%。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該部門擬采用包括市區(qū)禁止所有車輛通行或僅允許無污染車輛通行、減少車輛車道的數(shù)量、為采用可持續(xù)交通方式(比如：步行、騎自行車等)的人提供道路通行權(quán)等措施。

根據(jù)工業(yè)、貿(mào)易和勞工部的計(jì)劃，以色列的工業(yè)溫室氣體排放量將大幅減少，到2050 年時(shí)其排放量比2015年時(shí)下降40%；計(jì)劃采用再利用、維修、翻新、再制造和回收資源等制造方式，減少從自然中提取新資源，并留下更小的碳足跡。

環(huán)境保護(hù)部計(jì)劃，與2015年相比，2030 年垃圾填埋場的碳排放量將減少47%，到2050年其碳排放量將減少92%。2020年，廢棄物產(chǎn)生的溫室氣體占溫室氣體總排放量的7%以上。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，該部采取減少食物浪費(fèi)、從源頭分離有機(jī)廢物以便進(jìn)行生物堆肥、密封所有垃圾填埋場和安裝采用碳捕獲技術(shù)的裝置等措施。

國家計(jì)劃委員會(huì)計(jì)劃使用遮蔭樹來減少城市的熱島效應(yīng)，并提出建設(shè)綠色建筑的目標(biāo)，即：到2025年，樓層數(shù)為3～5層的所有新房屋和1/4的新公寓樓均實(shí)現(xiàn)零排放，到2030年全部實(shí)現(xiàn)零排放。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，新建的建筑中均將采用絕緣墻和窗戶、地源熱泵和光伏組件等可再生能源利用技術(shù)，即所謂的綠色建筑[5]。

2 以色列的太陽能技術(shù)利用概況

以色列位于31°47′N、35°13′E，太陽能資源極為豐富，年太陽直射輻照量約為2000 kWh/m2，且日照時(shí)間長。由于以色列的自然資源缺乏，每年需要進(jìn)口煤炭和石油，因此該國率先利用的可再生能源是太陽能；而且該國擁有大片沙漠地區(qū)，約占全國總面積的60%，極適合在此類地區(qū)進(jìn)行太陽能發(fā)電項(xiàng)目的開發(fā)。

以色列利用太陽能技術(shù)始于20世紀(jì)50年代，并結(jié)合本國日照時(shí)間長的優(yōu)勢，有效解決了能源短缺問題。以色列有“太陽能之父”之稱的哈里?茲維?塔博爾(Harry Zvi Tabor)于1955年開發(fā)出了太陽能熱水器的原型，截至1967年，該國利用太陽能為約5%的家庭提供了生活熱水，且已售出5萬套太陽能熱水器。以色列在1980年通過法律，要求高度在27 m以下的新建住宅建筑(包括私人住宅和公共住宅)必須安裝太陽能熱水系統(tǒng)[6]；截至2020年底，該國已安裝了超過130萬套太陽能熱水器。

以色列的太陽能發(fā)電技術(shù)在行業(yè)中領(lǐng)先，該國許多公司生產(chǎn)的太陽能產(chǎn)品應(yīng)用于多個(gè)國外的太陽能發(fā)電項(xiàng)目，其中，位于以色列西部海濱城市赫茲利亞(Herzliya)的SolarEdge公司已成為光伏逆變器業(yè)務(wù)的引領(lǐng)者。

2008年，以色列的太陽能發(fā)電上網(wǎng)政策獲得批準(zhǔn)，鼓勵(lì)了很多民用和商用太陽能發(fā)電項(xiàng)目的開發(fā)。以色列提出在2050年之前，要在屋頂、交通設(shè)施頂棚、開放空間等區(qū)域安裝光伏組件，占地面積約達(dá)930 km2。目前，以色列的太陽能技術(shù)應(yīng)用場景廣泛。下文從太陽能熱發(fā)電、太陽能生活熱水、被動(dòng)式太陽能房、光伏發(fā)電、鹽水太陽能蓄熱池等方面對以色列的太陽能利用方式進(jìn)行介紹。

2.1 太陽能熱發(fā)電

2012年，Bright Source Energy公司、通用電氣(GE)公司(原為Alstom公司，后該公司被GE公司并購)和NOY基礎(chǔ)設(shè)施與能源投資基金共同在以色列投資建立Megalim Solar Power公司，該公司將在以色列的內(nèi)蓋夫沙漠建立裝機(jī)容量為121 MW的塔式太陽能熱發(fā)電站。該項(xiàng)目的核心是建設(shè)Ashalim太陽能塔，該塔高達(dá)240 m，是截至2017年世界上最高的太陽能塔之一；圍繞Ashalim太陽能塔的是5.5萬面定日鏡，用以聚焦太陽光線。整個(gè)塔式太陽能熱發(fā)電站的總投資約為7.5億美元，根據(jù)以色列媒體Ynet的報(bào)道，該太陽能熱發(fā)電站的年總發(fā)電量可以滿足以色列用電需求的1%[7]。該太陽能熱發(fā)電站于2019年投入運(yùn)營。

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是由美國和以色列聯(lián)合建立的路茲太陽能熱發(fā)電國際有限公司研發(fā)而成。在該系統(tǒng)中，拋物面反光鏡將太陽光聚集在中心管上，并通過該中心管泵送導(dǎo)熱油，太陽能加熱導(dǎo)熱油，溫度超過200 ℃產(chǎn)生蒸汽，蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。隨后，路茲太陽能熱發(fā)電國際有限公司在美國加利福尼亞的莫哈維沙漠(Mojave Desert)修建了9座槽式太陽能熱發(fā)電站，總發(fā)電能力達(dá)18850 MW。

2.2 太陽能生活熱水

安裝于屋頂?shù)奶柲軣崴魇且陨凶畛Ｒ姷奶柲軣崂梅绞?。該國典型的家用太陽能熱水器包?個(gè)150 L的絕緣儲(chǔ)熱水箱和1個(gè)2 m2的平板太陽能集熱器。平板太陽能集熱器用于收集太陽輻射，然后通過以重力驅(qū)動(dòng)的回路將熱水輸送到絕緣儲(chǔ)熱水箱。此類太陽能熱水器的年均效率約為50%。因此，此類太陽能熱水器每年可為其所有者節(jié)省約2000 kWh的電費(fèi)。一天內(nèi)，太陽能熱水器加熱后水的平均溫度比其起始溫度高出約30 ℃，即該裝置可將水加熱到50 ℃左右，這意味著一年內(nèi)大多數(shù)時(shí)間段都不需要使用備用電加熱線圈(安裝在絕緣儲(chǔ)熱水箱內(nèi))來確保水溫適宜。

2.3 被動(dòng)式太陽能房

以色列通常被認(rèn)為是“高溫”國家，但其實(shí)該國冬天的氣溫還是相對較低，特別是在耶路撒冷等山區(qū)、高原地區(qū)、內(nèi)蓋夫沙漠地區(qū)。由于以色列的冬季相對較短，若采用太陽能集熱器、電動(dòng)循環(huán)泵和儲(chǔ)熱器等組成的太陽能主動(dòng)供暖方式，不具有成本優(yōu)勢。而被動(dòng)式太陽能房可以使房屋在冬天時(shí)充分利用太陽輻射取暖，而在夏天保持涼爽，但其需要絕緣良好的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和適當(dāng)面積的朝南窗戶，以積攢足夠的太陽輻射量來消除大的溫度波動(dòng)并為夜間提供熱存儲(chǔ)。以色列第一個(gè)被動(dòng)式太陽能房由干燥的磚坯建造而成，位于本古里安大學(xué)Sede Boker校區(qū)。該太陽能房自20世紀(jì)70年代末完成以來，被動(dòng)式太陽能房的基本設(shè)計(jì)原理已被全國各地的建筑廣泛應(yīng)用。

在以色列較冷的地區(qū)，典型的被動(dòng)式太陽能房的屋頂使用10 cm厚的聚氨酯隔熱材料；向南開窗，墻體結(jié)構(gòu)根據(jù)當(dāng)?shù)亟ㄖ?guī)范進(jìn)行一些表面處理，包括墻體內(nèi)表面采用1 cm厚的灰泥、墻體采用10 cm厚的蓄熱固態(tài)混凝土、外層采用5 cm厚的聚氨酯泡沫保溫材料。在以色列溫度較高的地區(qū)，被動(dòng)式太陽能房采用較小面積的窗戶，所有窗戶都配備外部百葉窗，以減少不必要的夏日太陽輻射。

2.4 光伏發(fā)電

盡管以色列為利用光伏發(fā)電技術(shù)提供了理想的氣候條件，但光伏發(fā)電技術(shù)中太陽電池的成本仍較高，導(dǎo)致該國的光伏發(fā)電示范項(xiàng)目相對較少。但是許多私營企業(yè)家購買(通常是向地方政府)了小型光伏發(fā)電照明設(shè)備，包括光伏組件、蓄電池、小功率燈和光伏控制器等，可用于公共汽車站附近的照明。

2014年10月，以色列公司Sologic Renewable Energy Systems宣布了其名為“eTree”的新項(xiàng)目。eTree是一棵“太陽樹”，其樹干上安裝有光伏組件，可利用太陽能產(chǎn)生電力。第1棵eTree安裝在HaNadiv花園中，之后此類樹還將安裝在其他公園、購物中心、運(yùn)動(dòng)場和社區(qū)公共休息區(qū)域等公共場所。除了遮陽和發(fā)電功能之外，此類樹還能提供免費(fèi)WiFi、在炎熱的天氣時(shí)提供冷水、為電子設(shè)備充電、在夜晚時(shí)提供照明和為電子顯示屏供電等。

2.5 鹽水太陽能蓄熱池

鹽水太陽能蓄熱池是利用太陽輻射加熱人工鹽水池，再搭配熱交換器和渦輪機(jī)來發(fā)電。該發(fā)電方式的原理是：由于鹽水池底部的鹽密度比頂部高，底部的高濃度鹽水因太陽輻射加熱后比重變大不會(huì)往上流，利用鹽分梯度來阻止熱對流，這樣底部的熱量不容易流失，最終接近100 ℃，然后再借助渦輪機(jī)來發(fā)電[8]。

Beit Ha’aravah鹽水太陽能蓄熱池示范項(xiàng)目的鹽水池面積為250000 m2，可以大面積存儲(chǔ)能量。該鹽水太陽能蓄熱池采用5 MW的低溫渦輪機(jī)來發(fā)電，這種低溫渦輪機(jī)的熱力學(xué)效率很低，最高約為1%，預(yù)計(jì)Beit Ha’aravah鹽水太陽能蓄熱池每年平均僅產(chǎn)生約570 kW的電功率。雖然5 MW低溫渦輪機(jī)的熱力學(xué)效率很低，但與其他太陽能技術(shù)相比，鹽水太陽能蓄熱池的特別之處在于可以存儲(chǔ)能量，在鹽水池較低處其溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要幾周時(shí)間，之后可以很穩(wěn)定的儲(chǔ)存熱量。在實(shí)際應(yīng)用中，鹽水太陽能蓄熱池在白天吸收太陽能，渦輪機(jī)只需在清晨和傍晚時(shí)運(yùn)行取能，只要其每年的取能功率不超過570 kW，就可以穩(wěn)定取能[9]。

3 結(jié)論

本文以以色列為例，對該國在“雙碳”目標(biāo)下的可再生能源技術(shù)路線進(jìn)行了介紹，并從太陽能熱發(fā)電、太陽能生活熱水、被動(dòng)式太陽能房、光伏發(fā)電、鹽水太陽能蓄熱池等方面介紹了該國對太陽能技術(shù)的利用情況。以色列的太陽能技術(shù)具有一定的創(chuàng)新性，可以解決當(dāng)?shù)氐木G色能源問題。中國幅員遼闊，在光照時(shí)間長的地區(qū)也應(yīng)用了太陽能技術(shù)，以色列的太陽能技術(shù)對中國的太陽能利用具有一定的參考價(jià)值。