“双碳”目标下以色列的太阳能技术应用介绍

方艺润

(北京国际科技合作中心(北京港澳台科技合作中心)，北京100080)

0 引言

随着全球气候变暖已成为人类发展的最大考验之一，世界各国制定了各自的碳达峰、碳中和目标(下文简称为“‘双碳’目标”)，以应对全球气候变化。由于发展阶段不同，很多欧洲国家在20世纪70年代左右已经实现了碳达峰，并提出在21世纪中期实现碳中和目标。美国和日本也分别在2007、2013年左右实现了碳达峰[1]。截至2021年11月，已有66个国家和地区提出各自的碳中和目标，其中，英国、瑞典等少数国家已将该目标法律化。总体来看，大部分国家和地区(欧美多数发达经济体和部分发展中国家)以2050年作为碳中和目标年，少数国家(比如瑞典、芬兰等)则将碳中和目标年提前到2035—2045年之间。中国以2060年作为碳中和目标年，相比于发达国家从碳达峰到碳中和的过渡期少则45年，长则70年，中国的过渡期只留了30年的时间[2]。

为实现“双碳”目标，一些国家针对不同行业制定了相应的政策：1)发展清洁能源，降低煤电的供应，英国、丹麦均提出发展氢能，利用氢能为工业、交通、电力和住宅领域供能；2)促进建设绿色建筑，通过以“能源之星”(美国)、“建筑物能源合格证明”(德国)等能源效率认证形式来减少建筑物的二氧化碳排放量；3)推动使用新能源交通工具，比如，提高电动车补贴额度(德国)、对零排放汽车免征增值税(挪威、奥地利)、2035年禁售燃油汽车(日本)，以此减少交通运输业的碳排放量[3]。本文以以色列为例，对该国在“双碳”目标下的可再生能源技术路线进行介绍，并从太阳能热发电、太阳能生活热水、被动式太阳能房、光伏发电、盐水太阳能蓄热池等方面介绍该国对太阳能技术的利用情况。

1 以色列的可再生能源技术路线

1.1 国家目标

根据2022年《以色列蓝皮书》报告，以色列已成为54个实现碳达峰的国家之一。为遵守《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)的承诺，以色列总理本雅明•内塔尼亚胡(Benjamin Netanyahu)参加2020年的气候雄心峰会时宣布，以色列“完全致力于到2050年成功从化石燃料过渡到可再生能源”，并承诺到 2050年实现碳中和目标，且使该年的温室气体排放量比其在2015年时的排放量减少85%以上，并在2050年实现95%的电力来自可再生能源[4]。

为实现2050年的目标，以色列政府设定了相比于2015年，到2030年将温室气体排放量减少27%的目标，并将该目标分解如下：

1)与2015年测量的全国固体废弃物碳排放量(550 万t)相比，2030年该值至少减少47%；到2030年全国城市固体废弃物量将减少71%。

2) 2030年登记的3.5 t重量以下新车的碳排放量限制在2020年登记的3.5 t重量以下新车碳排放量的5%；从2026年开始，所有新的城市公交车均需为符合环保排放标准的车型。

3)与2015年测量的全国来自电力的碳排放量(3760万t)相比，2030年该值需减少30%。

4)相对于2015年全国制造业1200万t的温室气体排放量，2030年该值至少减少30%。

1.2 具体举措

为确保实现2050年目标，以色列环境保护部、能源部、交通部等部门均提出了相应的要求，并牵头分配项目资金，其中包括投资购买电动巴士、推广充电站、减少工商业等领域的碳排放量等。

根据能源部提出的要求，要实现2050年目标，该国80%的能源需来自可再生能源，能源利用形式需向太阳能和氢能等可再生能源形式转变。另外，该部门提出要加强可再生能源基础设施的投资，并开发可再生能源储存等新技术。

根据交通部的计划，为实现上述关于公交车的2030年目标，需要占比为25%的重量在3.5 t以下的公交车和占比为10%的重型卡车达到零排放，到2050年该占比将提升到100%。为实现这一目标，该部门拟采用包括市区禁止所有车辆通行或仅允许无污染车辆通行、减少车辆车道的数量、为采用可持续交通方式(比如：步行、骑自行车等)的人提供道路通行权等措施。

根据工业、贸易和劳工部的计划，以色列的工业温室气体排放量将大幅减少，到2050 年时其排放量比2015年时下降40%；计划采用再利用、维修、翻新、再制造和回收资源等制造方式，减少从自然中提取新资源，并留下更小的碳足迹。

环境保护部计划，与2015年相比，2030 年垃圾填埋场的碳排放量将减少47%，到2050年其碳排放量将减少92%。2020年，废弃物产生的温室气体占温室气体总排放量的7%以上。为实现上述目标，该部采取减少食物浪费、从源头分离有机废物以便进行生物堆肥、密封所有垃圾填埋场和安装采用碳捕获技术的装置等措施。

国家计划委员会计划使用遮荫树来减少城市的热岛效应，并提出建设绿色建筑的目标，即：到2025年，楼层数为3～5层的所有新房屋和1/4的新公寓楼均实现零排放，到2030年全部实现零排放。为实现这一目标，新建的建筑中均将采用绝缘墙和窗户、地源热泵和光伏组件等可再生能源利用技术，即所谓的绿色建筑[5]。

2 以色列的太阳能技术利用概况

以色列位于31°47′N、35°13′E，太阳能资源极为丰富，年太阳直射辐照量约为2000 kWh/m2，且日照时间长。由于以色列的自然资源缺乏，每年需要进口煤炭和石油，因此该国率先利用的可再生能源是太阳能；而且该国拥有大片沙漠地区，约占全国总面积的60%，极适合在此类地区进行太阳能发电项目的开发。

以色列利用太阳能技术始于20世纪50年代，并结合本国日照时间长的优势，有效解决了能源短缺问题。以色列有“太阳能之父”之称的哈里•兹维•塔博尔(Harry Zvi Tabor)于1955年开发出了太阳能热水器的原型，截至1967年，该国利用太阳能为约5%的家庭提供了生活热水，且已售出5万套太阳能热水器。以色列在1980年通过法律，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)必须安装太阳能热水系统[6]；截至2020年底，该国已安装了超过130万套太阳能热水器。

以色列的太阳能发电技术在行业中领先，该国许多公司生产的太阳能产品应用于多个国外的太阳能发电项目，其中，位于以色列西部海滨城市赫兹利亚(Herzliya)的SolarEdge公司已成为光伏逆变器业务的引领者。

2008年，以色列的太阳能发电上网政策获得批准，鼓励了很多民用和商用太阳能发电项目的开发。以色列提出在2050年之前，要在屋顶、交通设施顶棚、开放空间等区域安装光伏组件，占地面积约达930 km2。目前，以色列的太阳能技术应用场景广泛。下文从太阳能热发电、太阳能生活热水、被动式太阳能房、光伏发电、盐水太阳能蓄热池等方面对以色列的太阳能利用方式进行介绍。

2.1 太阳能热发电

2012年，Bright Source Energy公司、通用电气(GE)公司(原为Alstom公司，后该公司被GE公司并购)和NOY基础设施与能源投资基金共同在以色列投资建立Megalim Solar Power公司，该公司将在以色列的内盖夫沙漠建立装机容量为121 MW的塔式太阳能热发电站。该项目的核心是建设Ashalim太阳能塔，该塔高达240 m，是截至2017年世界上最高的太阳能塔之一；围绕Ashalim太阳能塔的是5.5万面定日镜，用以聚焦太阳光线。整个塔式太阳能热发电站的总投资约为7.5亿美元，根据以色列媒体Ynet的报道，该太阳能热发电站的年总发电量可以满足以色列用电需求的1%[7]。该太阳能热发电站于2019年投入运营。

槽式太阳能热发电系统是由美国和以色列联合建立的路兹太阳能热发电国际有限公司研发而成。在该系统中，抛物面反光镜将太阳光聚集在中心管上，并通过该中心管泵送导热油，太阳能加热导热油，温度超过200 ℃产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机发电。随后，路兹太阳能热发电国际有限公司在美国加利福尼亚的莫哈维沙漠(Mojave Desert)修建了9座槽式太阳能热发电站，总发电能力达18850 MW。

2.2 太阳能生活热水

安装于屋顶的太阳能热水器是以色列最常见的太阳能热利用方式。该国典型的家用太阳能热水器包括1个150 L的绝缘储热水箱和1个2 m2的平板太阳能集热器。平板太阳能集热器用于收集太阳辐射，然后通过以重力驱动的回路将热水输送到绝缘储热水箱。此类太阳能热水器的年均效率约为50%。因此，此类太阳能热水器每年可为其所有者节省约2000 kWh的电费。一天内，太阳能热水器加热后水的平均温度比其起始温度高出约30 ℃，即该装置可将水加热到50 ℃左右，这意味着一年内大多数时间段都不需要使用备用电加热线圈(安装在绝缘储热水箱内)来确保水温适宜。

2.3 被动式太阳能房

以色列通常被认为是“高温”国家，但其实该国冬天的气温还是相对较低，特别是在耶路撒冷等山区、高原地区、内盖夫沙漠地区。由于以色列的冬季相对较短，若采用太阳能集热器、电动循环泵和储热器等组成的太阳能主动供暖方式，不具有成本优势。而被动式太阳能房可以使房屋在冬天时充分利用太阳辐射取暖，而在夏天保持凉爽，但其需要绝缘良好的建筑围护结构和适当面积的朝南窗户，以积攒足够的太阳辐射量来消除大的温度波动并为夜间提供热存储。以色列第一个被动式太阳能房由干燥的砖坯建造而成，位于本古里安大学Sede Boker校区。该太阳能房自20世纪70年代末完成以来，被动式太阳能房的基本设计原理已被全国各地的建筑广泛应用。

在以色列较冷的地区，典型的被动式太阳能房的屋顶使用10 cm厚的聚氨酯隔热材料；向南开窗，墙体结构根据当地建筑规范进行一些表面处理，包括墙体内表面采用1 cm厚的灰泥、墙体采用10 cm厚的蓄热固态混凝土、外层采用5 cm厚的聚氨酯泡沫保温材料。在以色列温度较高的地区，被动式太阳能房采用较小面积的窗户，所有窗户都配备外部百叶窗，以减少不必要的夏日太阳辐射。

2.4 光伏发电

尽管以色列为利用光伏发电技术提供了理想的气候条件，但光伏发电技术中太阳电池的成本仍较高，导致该国的光伏发电示范项目相对较少。但是许多私营企业家购买(通常是向地方政府)了小型光伏发电照明设备，包括光伏组件、蓄电池、小功率灯和光伏控制器等，可用于公共汽车站附近的照明。

2014年10月，以色列公司Sologic Renewable Energy Systems宣布了其名为“eTree”的新项目。eTree是一棵“太阳树”，其树干上安装有光伏组件，可利用太阳能产生电力。第1棵eTree安装在HaNadiv花园中，之后此类树还将安装在其他公园、购物中心、运动场和社区公共休息区域等公共场所。除了遮阳和发电功能之外，此类树还能提供免费WiFi、在炎热的天气时提供冷水、为电子设备充电、在夜晚时提供照明和为电子显示屏供电等。

2.5 盐水太阳能蓄热池

盐水太阳能蓄热池是利用太阳辐射加热人工盐水池，再搭配热交换器和涡轮机来发电。该发电方式的原理是：由于盐水池底部的盐密度比顶部高，底部的高浓度盐水因太阳辐射加热后比重变大不会往上流，利用盐分梯度来阻止热对流，这样底部的热量不容易流失，最终接近100 ℃，然后再借助涡轮机来发电[8]。

Beit Ha’aravah盐水太阳能蓄热池示范项目的盐水池面积为250000 m2，可以大面积存储能量。该盐水太阳能蓄热池采用5 MW的低温涡轮机来发电，这种低温涡轮机的热力学效率很低，最高约为1%，预计Beit Ha’aravah盐水太阳能蓄热池每年平均仅产生约570 kW的电功率。虽然5 MW低温涡轮机的热力学效率很低，但与其他太阳能技术相比，盐水太阳能蓄热池的特别之处在于可以存储能量，在盐水池较低处其温度达到稳定状态需要几周时间，之后可以很稳定的储存热量。在实际应用中，盐水太阳能蓄热池在白天吸收太阳能，涡轮机只需在清晨和傍晚时运行取能，只要其每年的取能功率不超过570 kW，就可以稳定取能[9]。

3 结论

本文以以色列为例，对该国在“双碳”目标下的可再生能源技术路线进行了介绍，并从太阳能热发电、太阳能生活热水、被动式太阳能房、光伏发电、盐水太阳能蓄热池等方面介绍了该国对太阳能技术的利用情况。以色列的太阳能技术具有一定的创新性，可以解决当地的绿色能源问题。中国幅员辽阔，在光照时间长的地区也应用了太阳能技术，以色列的太阳能技术对中国的太阳能利用具有一定的参考价值。