“雙碳”目標下以色列的太陽能技術應用介紹

方藝潤

(北京國際科技合作中心(北京港澳臺科技合作中心)，北京100080)

0 引言

隨著全球氣候變暖已成為人類發展的最大考驗之一，世界各國制定了各自的碳達峰、碳中和目標(下文簡稱為“‘雙碳’目標”)，以應對全球氣候變化。由于發展階段不同，很多歐洲國家在20世紀70年代左右已經實現了碳達峰，并提出在21世紀中期實現碳中和目標。美國和日本也分別在2007、2013年左右實現了碳達峰[1]。截至2021年11月，已有66個國家和地區提出各自的碳中和目標，其中，英國、瑞典等少數國家已將該目標法律化。總體來看，大部分國家和地區(歐美多數發達經濟體和部分發展中國家)以2050年作為碳中和目標年，少數國家(比如瑞典、芬蘭等)則將碳中和目標年提前到2035—2045年之間。中國以2060年作為碳中和目標年，相比于發達國家從碳達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年的時間[2]。

為實現“雙碳”目標，一些國家針對不同行業制定了相應的政策：1)發展清潔能源，降低煤電的供應，英國、丹麥均提出發展氫能，利用氫能為工業、交通、電力和住宅領域供能；2)促進建設綠色建筑，通過以“能源之星”(美國)、“建筑物能源合格證明”(德國)等能源效率認證形式來減少建筑物的二氧化碳排放量；3)推動使用新能源交通工具，比如，提高電動車補貼額度(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)，以此減少交通運輸業的碳排放量[3]。本文以以色列為例，對該國在“雙碳”目標下的可再生能源技術路線進行介紹，并從太陽能熱發電、太陽能生活熱水、被動式太陽能房、光伏發電、鹽水太陽能蓄熱池等方面介紹該國對太陽能技術的利用情況。

1 以色列的可再生能源技術路線

1.1 國家目標

根據2022年《以色列藍皮書》報告，以色列已成為54個實現碳達峰的國家之一。為遵守《聯合國氣候變化框架公約》(UNFCCC)的承諾，以色列總理本雅明?內塔尼亞胡(Benjamin Netanyahu)參加2020年的氣候雄心峰會時宣布，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年實現碳中和目標，且使該年的溫室氣體排放量比其在2015年時的排放量減少85%以上，并在2050年實現95%的電力來自可再生能源[4]。

為實現2050年的目標，以色列政府設定了相比于2015年，到2030年將溫室氣體排放量減少27%的目標，并將該目標分解如下：

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保排放標準的車型。

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

為確保實現2050年目標，以色列環境保護部、能源部、交通部等部門均提出了相應的要求，并牽頭分配項目資金，其中包括投資購買電動巴士、推廣充電站、減少工商業等領域的碳排放量等。

根據能源部提出的要求，要實現2050年目標，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變。另外，該部門提出要加強可再生能源基礎設施的投資，并開發可再生能源儲存等新技術。

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

根據工業、貿易和勞工部的計劃，以色列的工業溫室氣體排放量將大幅減少，到2050 年時其排放量比2015年時下降40%；計劃采用再利用、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。

環境保護部計劃，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，廢棄物產生的溫室氣體占溫室氣體總排放量的7%以上。為實現上述目標，該部采取減少食物浪費、從源頭分離有機廢物以便進行生物堆肥、密封所有垃圾填埋場和安裝采用碳捕獲技術的裝置等措施。

國家計劃委員會計劃使用遮蔭樹來減少城市的熱島效應，并提出建設綠色建筑的目標，即：到2025年，樓層數為3～5層的所有新房屋和1/4的新公寓樓均實現零排放，到2030年全部實現零排放。為實現這一目標，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，即所謂的綠色建筑[5]。

2 以色列的太陽能技術利用概況

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，且日照時間長。由于以色列的自然資源缺乏，每年需要進口煤炭和石油，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，約占全國總面積的60%，極適合在此類地區進行太陽能發電項目的開發。

以色列利用太陽能技術始于20世紀50年代，并結合本國日照時間長的優勢，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[6]；截至2020年底，該國已安裝了超過130萬套太陽能熱水器。

以色列的太陽能發電技術在行業中領先，該國許多公司生產的太陽能產品應用于多個國外的太陽能發電項目，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務的引領者。

2008年，以色列的太陽能發電上網政策獲得批準，鼓勵了很多民用和商用太陽能發電項目的開發。以色列提出在2050年之前，要在屋頂、交通設施頂棚、開放空間等區域安裝光伏組件，占地面積約達930 km2。目前，以色列的太陽能技術應用場景廣泛。下文從太陽能熱發電、太陽能生活熱水、被動式太陽能房、光伏發電、鹽水太陽能蓄熱池等方面對以色列的太陽能利用方式進行介紹。

2.1 太陽能熱發電

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基礎設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蓋夫沙漠建立裝機容量為121 MW的塔式太陽能熱發電站。該項目的核心是建設Ashalim太陽能塔，該塔高達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。整個塔式太陽能熱發電站的總投資約為7.5億美元，根據以色列媒體Ynet的報道，該太陽能熱發電站的年總發電量可以滿足以色列用電需求的1%[7]。該太陽能熱發電站于2019年投入運營。

槽式太陽能熱發電系統是由美國和以色列聯合建立的路茲太陽能熱發電國際有限公司研發而成。在該系統中，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熱油，太陽能加熱導熱油，溫度超過200 ℃產生蒸汽，蒸汽推動汽輪機發電。隨后，路茲太陽能熱發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座槽式太陽能熱發電站，總發電能力達18850 MW。

2.2 太陽能生活熱水

安裝于屋頂的太陽能熱水器是以色列最常見的太陽能熱利用方式。該國典型的家用太陽能熱水器包括1個150 L的絕緣儲熱水箱和1個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，然后通過以重力驅動的回路將熱水輸送到絕緣儲熱水箱。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省約2000 kWh的電費。一天內，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，這意味著一年內大多數時間段都不需要使用備用電加熱線圈(安裝在絕緣儲熱水箱內)來確保水溫適宜。

2.3 被動式太陽能房

以色列通常被認為是“高溫”國家，但其實該國冬天的氣溫還是相對較低，特別是在耶路撒冷等山區、高原地區、內蓋夫沙漠地區。由于以色列的冬季相對較短，若采用太陽能集熱器、電動循環泵和儲熱器等組成的太陽能主動供暖方式，不具有成本優勢。而被動式太陽能房可以使房屋在冬天時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結構和適當面積的朝南窗戶，以積攢足夠的太陽輻射量來消除大的溫度波動并為夜間提供熱存儲。以色列第一個被動式太陽能房由干燥的磚坯建造而成，位于本古里安大學Sede Boker校區。該太陽能房自20世紀70年代末完成以來，被動式太陽能房的基本設計原理已被全國各地的建筑廣泛應用。

在以色列較冷的地區，典型的被動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，墻體結構根據當地建筑規范進行一些表面處理，包括墻體內表面采用1 cm厚的灰泥、墻體采用10 cm厚的蓄熱固態混凝土、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，被動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 光伏發電

盡管以色列為利用光伏發電技術提供了理想的氣候條件，但光伏發電技術中太陽電池的成本仍較高，導致該國的光伏發電示范項目相對較少。但是許多私營企業家購買(通常是向地方政府)了小型光伏發電照明設備，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、運動場和社區公共休息區域等公共場所。除了遮陽和發電功能之外，此類樹還能提供免費WiFi、在炎熱的天氣時提供冷水、為電子設備充電、在夜晚時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來發電。該發電方式的原理是：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 ℃，然后再借助渦輪機來發電[8]。

Beit Ha’aravah鹽水太陽能蓄熱池示范項目的鹽水池面積為250000 m2，可以大面積存儲能量。該鹽水太陽能蓄熱池采用5 MW的低溫渦輪機來發電，這種低溫渦輪機的熱力學效率很低，最高約為1%，預計Beit Ha’aravah鹽水太陽能蓄熱池每年平均僅產生約570 kW的電功率。雖然5 MW低溫渦輪機的熱力學效率很低，但與其他太陽能技術相比，鹽水太陽能蓄熱池的特別之處在于可以存儲能量，在鹽水池較低處其溫度達到穩定狀態需要幾周時間，之后可以很穩定的儲存熱量。在實際應用中，鹽水太陽能蓄熱池在白天吸收太陽能，渦輪機只需在清晨和傍晚時運行取能，只要其每年的取能功率不超過570 kW，就可以穩定取能[9]。

3 結論

本文以以色列為例，對該國在“雙碳”目標下的可再生能源技術路線進行了介紹，并從太陽能熱發電、太陽能生活熱水、被動式太陽能房、光伏發電、鹽水太陽能蓄熱池等方面介紹了該國對太陽能技術的利用情況。以色列的太陽能技術具有一定的創新性，可以解決當地的綠色能源問題。中國幅員遼闊，在光照時間長的地區也應用了太陽能技術，以色列的太陽能技術對中國的太陽能利用具有一定的參考價值。