以色列“零碳計劃”研究與分析

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

編譯 | 張玥

以色列“零碳計劃”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）是以色列能源領域一個著名的非政府組織，致力于促進可再生能源的利用、構(gòu)建以色列可持續(xù)發(fā)展的能源體系。該組織針對以色列未來實現(xiàn)100%依賴可再生能源發(fā)展的可能性開展了一項“零碳計劃”研究并得出結(jié)論。以色列開發(fā)水電和地熱發(fā)電的潛力十分有限，而過高的人口密度對光伏發(fā)電和風電的開發(fā)也形成了一定阻礙，更重要的是，以色列與鄰國之間并沒有架設跨區(qū)域的電網(wǎng)輸配設施。該組織在此次的研究分析中，采用了一種獨創(chuàng)的最優(yōu)化問題求解法計算出了合理的可再生能源利用比例，并得出一個驚人的結(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80%。

1 背景簡介

以色列是世界上人口密度最高的國家之一，國土面積20000多平方公里，人口總數(shù)800多萬，人口年增長率和GDP年增長率分別為1.5%和3.1%。從人口和GDP的增長趨勢來看，以色列電力部門可謂面臨著巨大的供需壓力，只有實現(xiàn)發(fā)電量年增長率達到3.3%的目標才能滿足國內(nèi)日益激增的電力需求。另外，以色列的電網(wǎng)并沒有與鄰國實現(xiàn)互聯(lián)互通，因此無法與鄰國進行跨國電力交換的互補調(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展的研究將各類能效提升措施以及在技術和經(jīng)濟上最具開發(fā)性的可再生能源納入考慮范圍，旨在制定出一個可行性高、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)電技術有：太陽能發(fā)電（光伏發(fā)電和光熱發(fā)電）、風電（陸上風電和海上風電）、轉(zhuǎn)廢為能技術、波浪發(fā)電以及儲能技術（主要是抽水蓄能技術）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。運用多變量分析方法計算后，研究通過簡單的線性推斷得出，到2040年以色列的電力需求值將達到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)能設備（節(jié)能空調(diào)等）、太陽能熱水器、節(jié)能建筑(如空調(diào)安裝數(shù)量少的建筑等), 并改變能源消費模式、用電習慣等 (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，如果上述的能效提升措施能夠得到以色列政府的鼓勵支持并立即著手實施，那么到2040年，在不降低民眾生活標準的情況下，以色列的能源需求將會下降34%。

下一階段的研究工作是要讓可再生能源在一個全年內(nèi)完全適應電力需求曲線的波動。研究通過兩種途徑對當下的電力需求曲線進行了調(diào)整，估算出2040年的電力需求曲線。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，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，考慮到未來以色列將以可再生能源為主導能源，峰谷分時電價便會與現(xiàn)在的定價完全相反，比如太陽能發(fā)電設施在中午可以提供大量的廉價電力，而晚上則會出現(xiàn)電力短缺的情況，啟用備用電源（儲備電力或者火電）就會提高成本，因此2040年的電價將會出現(xiàn)白天比晚上便宜的情況。為了提高最終結(jié)果的準確性，針對這種預設模式，此次研究以24小時為一個波長，把白天和晚上的部分電力需求值做了對調(diào)。

建設發(fā)電設施的費用、設備壽命周期內(nèi)運行所需的花費，并對火電和可再生能源的成本支出給出了一個合理的攤銷率——火電為5%,可再生能源發(fā)電為7%（畢竟可再生能源項目風險稍高一些）。

運維常規(guī)故障排查：此項費用主要取決于發(fā)電設備的規(guī)模。

運維突發(fā)故障排查：此項費用主要取決于發(fā)電產(chǎn)能的多少。

能源消耗成本：此項成本主要是針對火電。

其他額外費用：污染治理費用、基礎設施相關部件的維護、更換、故障維修等費用，這些主要取決于當?shù)丨h(huán)保部門出臺的相關標準和要求。針對光伏發(fā)電，研究工作也考慮到了對土地的征用等問題。

總成本計算結(jié)果中還包括兩項隱形成本。一個是當可再生能源發(fā)電超過電力需求，并且無法再進行存儲不得已而丟棄的那一部分發(fā)電成本。另一個是平時處于閑置狀態(tài)的火電廠的運維成本，這些火電廠是在可再生能源發(fā)電出現(xiàn)供不應求時，用于彌補電力空缺。

為了計算出能夠合理實現(xiàn)消納的可再生能源利用比例，此次研究選擇了獨創(chuàng)的最優(yōu)化問題求解法。該優(yōu)化計算法首先對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)電量進行計算，然后從6種不同的可再生能源或方法中(太陽能光伏、太陽能光熱、陸上風電、海上風電、儲能容量、儲能時間)選擇一項逐步代入其中進行優(yōu)化計算。經(jīng)過層層運算后，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。

在運算過程中，每加入一種可再生能源發(fā)電技術，就要考慮到收益遞減的問題。計算初始階段，新加入的可再生能源發(fā)電技術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，電力產(chǎn)能將會超過電力需求，此時過剩的電量就無法被消納。由此帶來的結(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的可再生能源發(fā)電技術，并依此類推。通過這樣的方法，優(yōu)化計算法就會計算出各類不同的可再生能源發(fā)電技術都將以怎樣的比例分配，才能更好地發(fā)揮自己的經(jīng)濟效益。整個優(yōu)化計算法總共運行三次，分別針對正常能效模式（101TWh/a）、中級能效模式（86TWh/a）以及高級能效模式（64TWh/a）三種不同情景模式進行計算。

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中占到比較高的比例。優(yōu)化計算法表明，隨著可再生能源發(fā)電技術的推廣, 可再生能源電力消費也會逐步增加，盡管增幅比較緩慢。當前，以色列開發(fā)可再生能源的條件十分有限，要實現(xiàn)可再生能源在電力消費中比例的上升還有許多亟待解決的問題。此次的研究計算證明，以色列在實現(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80%以上。

研究根據(jù)優(yōu)化計算法的結(jié)果得出，從100%化石能源逐漸向可再生能源過渡的初始階段，電力生產(chǎn)的總成本是呈下降趨勢的（盡管可再生能源的發(fā)電成本還是高于化石能源）。這種趨勢的形成原因是：在早期階段，成本較低（因為無需燃料成本）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。但運行一段時間后，成本開始如預期所料呈上升趨勢，即總成本的消耗又回到了沒有使用可再生能源的模式中。研究把這種情況稱為“收入中立”，這是由于利用可再生能源而省出來的部分資金又被重新投入到可再生能源發(fā)電設施的建設中。

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)生的供需成本預計是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）。以同樣的成本價格，只有36%的可再生能源可以實現(xiàn)發(fā)電應用。超過這個比例，成本就會上升，也就是說可再生能源每度電的電價也會有大幅上漲。

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）的總成本將可以實現(xiàn)80%的可再生能源發(fā)電應用（成本中也包括了利用能效提升措施所需的成本支出）。

研究分析還進一步顯示了能效和可再生能源之間存在的密切關系——在能效沒有提升的情況下，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用，可再生能源的應用比例以及隨之帶來的經(jīng)濟效益都將實現(xiàn)突破性進展。然而，能源效率和可再生能源之間還有另一層關系——如果是基于化石燃料發(fā)電的發(fā)電廠，其電廠自身的建設成本將被視為“沉沒成本”（即已支付的成本，現(xiàn)在已開始產(chǎn)生利潤），這對于可再生能源來說就造成了競爭的不公平，因為可再生能源還是需要這部分建設投資的。這樣就對可再生能源的應用產(chǎn)生了負激勵效應。另一方面， 如果加大對能效提升的投資，火電機組的建設就會被迫推遲，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)電機組投運，也會形成“沉沒成本”,反過來又會制約火電機組的建設。

此次研究得出的另一個重要結(jié)論是，以色列風電的發(fā)展（無論是陸上風電還是海上風電）對提升以色列可再生能源供電比例具有至關重要的作用。因為在下午、傍晚等光照較弱的時段，太陽能發(fā)電產(chǎn)能較低而電力需求卻并沒有下降，因此風電就可以彌補此段時間內(nèi)出現(xiàn)的電力短缺，也避免了對火電等備用電源的依賴。而從衛(wèi)星數(shù)據(jù)來看，以色列海上風電的發(fā)展前景要比陸上風電更為廣闊。然而，由于海上風電的技術還不夠成熟，以色列海上風電的發(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電被計算在內(nèi)。

4 研究局限性

此次的研究計算中并沒有計算電力出現(xiàn)供過于求時，對過剩電力進行儲存所花費的成本。因為無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，都會出現(xiàn)這項成本支出，因此這項支出的忽略對于兩種發(fā)電模式的計算不會產(chǎn)生太大的影響。但嚴謹來看，在可再生能源發(fā)電模式中由于各類資源的多樣性應用提高了整個系統(tǒng)的可靠性，因此也會降低對電力儲存的需求。因此，這項成本支出對結(jié)果的影響還需得到進一步確認。

另外，輸配電設備也沒有在此次研究計算中體現(xiàn)出來。盡管研究表明高比例可再生能源實現(xiàn)的可能性很大，但目前還無法證實相應的輸配電設備是否能夠接收如此大量的可再生能源電力，并輸送給電力消費者。高比例可再生能源也就意味著要提高輸電線路的輸送容量，這樣才能及時將電力送往人口密集的用戶區(qū)域，配電線路的容量也要做相應提升，才能實現(xiàn)風電和光伏等可再生能源間的互補切換。

此次研究只考慮了一個全年的計算周期，因此還需要驗證該仿真計算模型在極端條件下（長期無風、無光照等極端天氣狀況）的運行情況。要達到這樣的完整性，還需要建立一個長期的分析機制，利用蒙特卡洛方法（也稱統(tǒng)計模擬方法，是一種計算機化的數(shù)學方法，允許人們評估定量分析和決策制定過程中的風險）模擬未來幾年的天氣狀況。然后將此次研究采用的優(yōu)化計算法對這一長時間段內(nèi)的相關數(shù)據(jù)再次進行驗證計算。

5 結(jié)論

以色列論壇此次開展的“零碳計劃”研究對以色列未來實現(xiàn)高比例可再生能源的技術可行性和經(jīng)濟實用性做了深入研究，并給出了肯定結(jié)論。雖然在當前的技術條件下，實現(xiàn)向100%可再生能源的過渡并不現(xiàn)實。但是，隨著可再生能源發(fā)電技術的不斷進步，以色列未來終將會實現(xiàn)該目標。同時，以色列未來的能源政策也應更加注重能效提升（尤其要加大對節(jié)能的關注，如普及節(jié)能建筑等），以此降低電力需求。另外，風電（陸上和海上）以及屋頂式光伏的發(fā)展也需要得到進一步的扶持。如果以色列現(xiàn)在能有所行動，當天然氣等化石能源在接下來的幾十年間消耗殆盡后，以色列也會有一套替代舊有發(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)來應對未來的電力需求。