以色列现代农业用能对我国建设农业能源互联网的启示

魏中辉，付学谦

（中国农业大学 信息与电气工程学院，北京 100083）

0 引言

以色列是中东地区的一个自然资源和土地资源都严重不足的国家，尤其是水资源的缺乏，严重阻碍着以色列农业的发展。但是经过几十年的发展，以色列已经成为一个农业发达国家。在以色列农业发展的过程中有大量的能源作为支撑，早在20世纪80年代，以色列学者就提出由于灌溉性质和大多数耕地的降水量不足，以色列农业可能是世界上能源消耗最大的农业部门之一［1］。对能源的利用促进着以色列农业的高速发展，依靠农业上的各种用能技术，以色列的农业生产率大幅度提高。

在能源互联网的背景之下，农业与能源互联网的深度融合已成为农业能源体系的发展趋势［2］。基于现代农业产业园的产业模式特点，中国的学者提出了农业工程能源互联网的概念［3］。2021 年中央1号文件指出要促进农业农村现代化建设，加快农业的高质高效发展。从这个角度来说，研究中国农业能源互联网的建设特点和方向，对提高中国农业产值和加快科技兴农步伐具有重要意义。目前中国农业能源技术相对落后，农业用能方式单一，针对中国农业发展特点，有针对性地引入先进的农业能源技术会加快中国科技兴农进程，提高农业产值。

从负荷侧角度来说，在以色列农业发展的过程中，各种能源技术为以色列农业用能提供了支持。例如:电力海水淡化灌溉技术和电力废水处理灌溉技术为以色列农业提供了丰富的淡水；电力驱动的农业滴灌系统和利用可再生能源的垂直农场的出现使以色列的农业更加集约化、标准化。结合以色列的农业发展特点，本文将从用能角度对部分为以色列农业发展起到关键作用的用能技术做出分析，并且根据中国农业能源互联网的发展特点，有针对性地从这些用能技术中得到启示，对中国农业能源互联网的建设做出展望。

1 以色列农业用能技术分析

以色列农业与能源结合的形式非常丰富，以下是几个以色列农业与能源结合的典型特点:①清洁能源的利用程度高，例如以色列南部沙漠区的萨玛尔集体农场利用30 面巨大的反射镜将阳光汇集于30 m高的锅炉炉壁来吸收热能，从而产生高压蒸汽发电，以此来全天候为萨玛尔农场的种植业与养殖业供电［4］；②农业用能方式多样化，以色列为缓和能源危机，其利用太阳能、牛粪发电、风力发电、电厂供热、农作物残渣、地热能等多种能源形式来为农业供能［5］；③农业用水的能源消耗占比大，仅用于向农场供水的能源消耗就占以色列农业能源的50%，农业供水部门是以色列电力的主要买家［5］。

根据异质能源特性，以色列农业的发展融合了多种用能技术。电力海水淡化灌溉技术、电力废水处理灌溉技术为以色列农业生产提供大量的淡水；电力滴灌技术在节约电力能源的同时，高效地将水送到农作物的根部；光伏纳滤膜灌溉技术和垂直农场技术利用太阳能等清洁能源维持整个系统的运转。本节将从能源的角度，分析以上技术的用能特点，以此来体现能源在以色列农业生产上起到的巨大作用。图1描述了以色列水、电、农业的流转途径。

图1 以色列水、电、农业的流转途径Fig.1 Circulation channels of water,electricity and agriculture in Israel

1.1 电力海水淡化灌溉技术

灌溉是改变农业用地温湿度的一种方法，通过灌溉可以给农作物的生长提供合适的农业气象条件。用于农业灌溉的电力海水淡化技术将是满足缺水地区日益增长的用水需求的一个重要技术来源［6］。现如今通过电力海水淡化技术产生的淡水已经成为以色列农业用水的主要来源之一。在以色列的海水淡化过程中，传统电力是海水淡化各个阶段所需能量的主要来源。以色列特拉维夫大学学者［7］的研究表明，在电力海水淡化过程中有4个基本阶段，这些阶段都需要消耗大量的电能，包括①摄入和预处理待淡化的海水；②电动泵的增压系统的水平为800～1 000 psi（1 psi=6 894.76 Pa），使海水通过滤膜；③从水中分离盐水；④处理淡化之后的水，使其稳定。

以色列电力海水淡化多采用反渗透技术，其通过建设5个总生产规模为6亿m3/年的电力反渗透海水淡化工厂，解决了包括农业用水缺乏在内的水资源短缺问题［8］。以索瑞克大型电力海水淡化工厂为例，该工厂的占地规模为10万m2，日产淡水62.4万m3。用于生产适合农业灌溉用水的双道反渗透脱盐设备的比能示意图如图2所示［6］。图2说明了反渗透流程，确定了电力海水脱盐过程中每个组件的电力需求，其中消耗电力最多的电力高压泵是整个电力海水反渗透淡化系统的核心部件，电力高压泵将海水增压使其穿过半透膜，实现压差造水。

图2 用于生产适合农业灌溉用水的双道反渗透脱盐设备的比能示意图Fig.2 Schematic diagram specific energy of a dual⁃channel SWRO desalination plant suitable for agricultural irrigation water

以下是产生农业灌溉用水的电力海水淡化技术耗能分析，以色列建设的5座规模较大的海水淡化工厂的能耗符合下列的数据。以色列理工学院拉宾海水淡化实验室的学者［8］指出海水淡化中主要的能源消耗在反渗透过程，反渗透海水淡化装置的一般能耗为3.5 kWh/m3。额外的成本，如泵送、预处理、盐水排放和工厂内使用的电力总计为0.3～1.5 kWh/m3。某些情况下，例如海水淡化设施的安装规模较小、位置偏远、设计或操作经验不足，能源消耗可能会增加到3.0～7.0 kWh/m3。

以色列和美国学者共同提出:用于生产农业灌溉用水的最先进的反渗透设备的总能源消耗在3.0～7.0 kWh/m3之间，预处理和后处理过程同时也消耗了反渗透脱盐过程的很大一部分能量［6］。海水预处理阶段电力消耗为0.2～0.4 kWh/m3；后处理过程（通过第2 个反渗透通道去除硼和氯的过程）估计需要消耗0.5 kWh/m3的电力。例如:在以色列阿什凯隆电力海水淡化工厂的一些反渗透海水淡化设施，硼和氯的后处理采用了多个反渗透通道和阶段的组合，消耗了大量的电能。

通过消耗大量电能，电力海水淡化所产生的淡水很大程度上供应了以色列的农业灌溉用水，大量的脱盐海水流入以色列的水经济中。在以色列采用电力海水淡化技术供应水源20多年后，以色列农业用地盐碱度不断上升的负面趋势完全扭转，这表明可持续灌溉农业可以在以色列和更多干旱地区得到充分的应用，电力海水淡化灌溉技术对以色列的农业生产起到至关重要的作用［9］。

1.2 光伏纳滤膜淡化灌溉技术

对以色列来说，与传统电力相比，为了得到充足的农业用水，利用当地丰富的太阳能淡化含盐量较低的水也是生产农业用水的一个有效途径。以色列学者将光伏纳滤膜淡化技术产生的淡水用于集约型农业灌溉，以色列哈茨瓦的太阳能光伏纳滤膜微咸水淡化试点工厂设计目的是淡化当地中等含盐量的水，纳滤膜淡化系统配置了光伏组件容量规模为4.2 kWp的组件阵列［11］，产水量为0.25 m3/h，灌溉500 m2的农业小区［12］，光伏元件可以为整个纳滤膜淡化系统提供淡化的动力；同时以色列哈茨瓦试验工厂采用混合配置方式设计电源，允许压力泵和其他的系统元件从光伏阵列或电网获取电力，在电池和电网之间加装一个控制箱，可以允许测试不同的操作策略［10］。在该方案的评估阶段，具体能耗（1.37 kWh/m3）达到并且超过了预期水平。以色列哈特兹瓦光伏纳滤膜淡化装置试验设计方案图如图3所示［10］。

图3 以色列哈特兹瓦光伏纳滤膜淡化装置试验设计方案图Fig.3 The experimental design plan of the photovoltaic nanofiltration membrane desalination unit in Hatzwa，Israel

文献［11］指出，纳滤膜淡化微咸水是咸水淡化的新机遇，研究人员采用纳滤膜处理微咸水，并将滤液用于灌溉，发现纳滤膜系统与反渗透系统相比，能耗降低了40%，地下水抽取减少了34%，农业生物质产量增加了18%。

1.3 电力污水处理灌溉技术

在以色列农业采用滴灌技术灌溉的同时，也存在一个平行的过程:处理过的污水成为了以色列农业部门的另一个重要用水来源［12］。污水处理的过程中会消耗大量的电能，主要用能体现在泵送和处理阶段。

以下内容基于以色列常见污水处理技术的相关过程，分析每个环节处理1 m3污水相应的电力能源投入［13］。以以色列特拉维夫污水处理工程（夏夫丹污水处理厂）为例，每年为特拉维夫13 个行政区处理的污水规模达1.3 亿m3，每日的污水处理规模达36 万m3，作为以色列最大的单点水源，该厂能满足内盖夫沙漠60%的农业灌溉用水［14］。以色列特拉维夫污水处理工程的示意图如图4所示［13］。

图4 以色列特拉维夫污水处理设施示意图Fig.4 Schematic diagram of sewage treatment facilities in Tel Aviv，Israel

（1）原污水处理:在第一次上升30 m的过程中，每1 m泵送的耗能值为6 Wh/m3；再从沉淀池到操作池上升10 m时，每1 m泵送的耗能值为4.3 Wh/m3。

（2）泵送和曝气:该过程需要电能为288 Wh/m3。

（3）强化处理:根据特拉维夫污水处理厂的数据，这里的强化处理是一种机械-生物处理，曝气采用了曝气器和扩散器。泵送、曝气和混合共消耗能量750 Wh/m3。

（4）未经处理的污泥:初级沉淀或2 级生物处理产生的活性污泥，处理该污泥的能耗为100～150 Wh/m3。

从以色列国家能源消耗的比例来说，仅生产农业灌溉所用的淡水，所用的电能就是非常巨大的。表1反映了为以色列农业灌溉提供支持的电力海水淡化灌溉技术和电力污水处理灌溉技术的能源消耗占国家总能源消耗的比例。

表1 以色列电力海水淡化灌溉技术及电力污水处理灌溉技术的能耗占比Table 1 Energy consumption ratio of electricity desalination irrigation technology and electricity wastewater treatment irrigation technology in Israel%

1.4 电力滴灌技术

滴灌是通过一种叫做滴头的装置给农作物的生长提供水的方法。电源是电力滴灌水肥一体化技术的动力基础。滴灌技术中能量单元提供的电能能将井水或者地表水引入灌溉系统。典型电力滴灌系统布局和装配示意图如图5所示［19］。

图5 典型电力滴灌系统布局和装配示意图Fig.5 Schematic diagram of layout and assembly of typical power drip irrigation components

以色列耐特菲姆公司研发的滴灌系统可以实现精准灌溉和智能水肥一体化［20］，滴灌系统主要的耗能元件是水泵，高效的水泵是滴灌系统的核心元件，水泵从能量单元获取能量，为整个滴灌系统提供动力。电力驱动水泵，泵房对水压进行控制，使水通过过滤装置进入到田间滴管系统。滴灌系统在泵房的控制下采用低压模式运作，能更好地减少电力能源的损耗。以色列的滴灌技术主要来源于该国的基布兹集体农庄。

1.5 垂直农业

以色列进行垂直农场建设的主要优势在于以色列有充足的太阳能资源。文献［21］提出了一种以色列的垂直农场设计:垂直农场的规模为12 层，每层的种植系统面积为100 m2，布局有4排LED灯，每排的LED 灯数量为10 个。垂直农场内部的每一层都作为一个环境受控的生长室，每个生长室由6层水培盆组成；每一个生长室都有LED灯24 h为作物的生长提供稳定的光环境，营养丰富的水通过泵系统泵入生长室，该垂直农场每年共产出胡萝卜、土豆、草莓等10种农产品共计929.5 t。

以色列该垂直农场设计的主要能源部件和耗能部件有①太阳能电池板:太阳能电池板安装在大楼每一层的外部，最大限度地暴露在阳光下，使垂直农场能够自己供电；②LED 灯:垂直农场的每一层都将包含“生产堆”，上面安装LED灯；③先进的水培系统:使用先进的水培系统种植农产品，该系统主要部件为管道、水盘、泵，其中主要的耗能部件为水泵，能实现垂直农场的供水循环。垂直农场依靠持续的能源供应来为LED 照明系统和水泵供电。普通的垂直农场的组件图如图6所示［22］。

图6 垂直农场的组件图Fig.6 Component diagram of the vertical farm

2 对中国建设农业能源互联网的启示

园区农业能源互联网是能源互联网在农业领域的延伸，园区农业能源互联网以电力系统和新能源发电为核心，利用先进的信息技术、物联网技术将能源系统与设施农业互联起来，从而实现对农业系统和能源系统的全面感知、管理与控制[23]。园区农业能源互联网的主要的结构包括物理系统和信息系统2 大部分，在物理侧通过各种农业用能技术将热网、电网等能源网络和农业的集约化生产联系起来；在信息侧通过农业传感器、能源量测仪表等仪器将农业物联网和电力物联网连接起来，实现农业信息和能源系统信息的互联共享。

园区农业能源互联网的物理系统由“源-网-储-荷”4部分组成，本文从园区农业能源互联网物理系统中的“荷”的角度出发，通过分析以色列的部分农业用能技术，结合中国不同地域的农业和能源上的特点，有针对性地对中国不同地区建设园区农业能源互联网提出了一些在农业用能负荷技术上的建议。

（1）中国南方沿海的海岛上淡水资源相对缺乏，仅依靠天然淡水无法为农业灌溉提供大量的淡水资源。结合中国南方海岛设施农业与能源结构的特点，在中国南方海岛建设园区农业能源互联网的过程中，在园区农业能源互联网的负荷侧能源技术中引入电力海水淡化灌溉技术可以加强海岛农业与能源的耦合联系，推动中国南方海岛地区园区农业能源互联网的发展。

（2）结合中国东部地区(如山东省)电力供给充足、电网覆盖率高和该地区农业规模大、农业灌溉用水缺乏的特点，以色列的电力污水处理灌溉技术建议在中国该地区的园区农业能源互联网的负荷侧能源技术上进行推广利用。

（3）中国西北地区（如宁夏、甘肃、陕西等地）电力供应不足，电网覆盖率低，同时农业灌溉用水缺乏限制着该地农业的发展，但是西北地区太阳能和咸水资源非常丰富，结合西北地区的能源现状与农业特点，在该地园区农业能源互联网的负荷侧能源技术的建设中建议引进基于光伏发电的纳滤膜微咸水淡化灌溉技术。

（4）通过建设城市被动式太阳能建筑等手段，可以在城市中充分利用太阳能。结合城市能源特点以及城市土地资源紧张的现状，建议在城市农业能源互联网的负荷侧建设中大力发展垂直农场技术。

（5）中国新疆地区蒸发问题最为严重，同时该地区在农业上的能源供应不充足，所以在该地区园区农业能源互联网的负荷侧能源技术的建设过程中建议引进具有高效节能、节水特点的电力滴灌技术，可以在一定程度上解决该地区农业的能源供应不足以及农业灌溉用水缺乏的问题。由于电力滴灌技术可以保证在低压条件下向农作物均匀灌水，因此推广电力滴灌技术还可以推动中国园区农业能源互联网的负荷侧——农业科技园区标准化建设，促进中国精细农业发展。

3 结束语

在能源互联网的背景下，园区农业能源互联网促进了能源与农业的协同发展，对提高农业产值具有重要意义。本文主要有以下2点结论:①在园区农业能源互联网的建设中，农业科技园区是农业集约化生产的所在地，以色列多样化的农业能源技术为该国促进农业生产集约化以及促进农业产值的提高提供了关键的技术支撑，这为中国园区农业能源互联网负荷侧能源技术的建设提供了参考；②结合中国不同地区的农业和能源特点，可以有针对性地在地区园区农业能源互联网的负荷侧引入农业能源技术以促进这些地区农业产值的提高。