以色列“零碳计划”研究与分析

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

编译 | 张玥

以色列“零碳计划”研究与分析

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

编译 | 张玥

以色列能源论坛（Israel Energy Forum）是以色列能源领域一个著名的非政府组织，致力于促进可再生能源的利用、构建以色列可持续发展的能源体系。该组织针对以色列未来实现100%依赖可再生能源发展的可能性开展了一项“零碳计划”研究并得出结论。以色列开发水电和地热发电的潜力十分有限，而过高的人口密度对光伏发电和风电的开发也形成了一定阻碍，更重要的是，以色列与邻国之间并没有架设跨区域的电网输配设施。该组织在此次的研究分析中，采用了一种独创的最优化问题求解法计算出了合理的可再生能源利用比例，并得出一个惊人的结论——在发电成本保持不变的前提下，以色列2040年的可再生能源使用率高达80%。

1 背景简介

以色列是世界上人口密度最高的国家之一，国土面积20000多平方公里，人口总数800多万，人口年增长率和GDP年增长率分别为1.5%和3.1%。从人口和GDP的增长趋势来看，以色列电力部门可谓面临着巨大的供需压力，只有实现发电量年增长率达到3.3%的目标才能满足国内日益激增的电力需求。另外，以色列的电网并没有与邻国实现互联互通，因此无法与邻国进行跨国电力交换的互补调剂。根据官方数据显示，以色列目前的电网只能接纳20%－30%的可再生能源。

以色列能源论坛此次开展的研究将各类能效提升措施以及在技术和经济上最具开发性的可再生能源纳入考虑范围，旨在制定出一个可行性高、合理化的可再生能源利用比例。纳入此次研究的可再生能源发电技术有：太阳能发电（光伏发电和光热发电）、风电（陆上风电和海上风电）、转废为能技术、波浪发电以及储能技术（主要是抽水蓄能技术）等。

2 研究方法

研究的初步工作是先要估算出到2040年以色列的电力需求总值。运用多变量分析方法计算后，研究通过简单的线性推断得出，到2040年以色列的电力需求值将达到101TWh。下一步工作是将2040年以色列可能采用的能效提升措施纳入考虑范围，比如采用节能设备（节能空调等）、太阳能热水器、节能建筑(如空调安装数量少的建筑等), 并改变能源消费模式、用电习惯等 (如将空调的温度调高一些)。研究得出的数据比较可观，如果上述的能效提升措施能够得到以色列政府的鼓励支持并立即着手实施，那么到2040年，在不降低民众生活标准的情况下，以色列的能源需求将会下降34%。

下一阶段的研究工作是要让可再生能源在一个全年内完全适应电力需求曲线的波动。研究通过两种途径对当下的电力需求曲线进行了调整，估算出2040年的电力需求曲线。一种途径是，在常数不变的情况下，叠加目前的电力需求曲线，这样才能加大电力需求值并构建出2040年的电力供需模式；另一途径是，考虑到未来以色列将以可再生能源为主导能源，峰谷分时电价便会与现在的定价完全相反，比如太阳能发电设施在中午可以提供大量的廉价电力，而晚上则会出现电力短缺的情况，启用备用电源（储备电力或者火电）就会提高成本，因此2040年的电价将会出现白天比晚上便宜的情况。为了提高最终结果的准确性，针对这种预设模式，此次研究以24小时为一个波长，把白天和晚上的部分电力需求值做了对调。

建设发电设施的费用、设备寿命周期内运行所需的花费，并对火电和可再生能源的成本支出给出了一个合理的摊销率——火电为5%,可再生能源发电为7%（毕竟可再生能源项目风险稍高一些）。

运维常规故障排查：此项费用主要取决于发电设备的规模。

运维突发故障排查：此项费用主要取决于发电产能的多少。

能源消耗成本：此项成本主要是针对火电。

其他额外费用：污染治理费用、基础设施相关部件的维护、更换、故障维修等费用，这些主要取决于当地环保部门出台的相关标准和要求。针对光伏发电，研究工作也考虑到了对土地的征用等问题。

总成本计算结果中还包括两项隐形成本。一个是当可再生能源发电超过电力需求，并且无法再进行存储不得已而丢弃的那一部分发电成本。另一个是平时处于闲置状态的火电厂的运维成本，这些火电厂是在可再生能源发电出现供不应求时，用于弥补电力空缺。

为了计算出能够合理实现消纳的可再生能源利用比例，此次研究选择了独创的最优化问题求解法。该优化计算法首先对100%化石能源发电（包括60%天然气和 40%的煤炭）的成本和发电量进行计算，然后从6种不同的可再生能源或方法中(太阳能光伏、太阳能光热、陆上风电、海上风电、储能容量、储能时间)选择一项逐步代入其中进行优化计算。经过层层运算后，从中选出从化石能源发电转向可再生能源发电成本最低的路径。

在运算过程中，每加入一种可再生能源发电技术，就要考虑到收益递减的问题。计算初始阶段，新加入的可再生能源发电技术的新增电力都是可以被消纳的，但是随着投入量的加大，在电力生产高峰时，电力产能将会超过电力需求，此时过剩的电量就无法被消纳。由此带来的结果就是成本的上升，阻止成本继续上升的方法就是代入另一种可以与其形成互补的可再生能源发电技术，并依此类推。通过这样的方法，优化计算法就会计算出各类不同的可再生能源发电技术都将以怎样的比例分配，才能更好地发挥自己的经济效益。整个优化计算法总共运行三次，分别针对正常能效模式（101TWh/a）、中级能效模式（86TWh/a）以及高级能效模式（64TWh/a）三种不同情景模式进行计算。

3 研究结果

此次的研究结果首先肯定的是，即使在以色列发展可再生能源条件有限的情况下，可再生能源也可以在电力消费中占到比较高的比例。优化计算法表明，随着可再生能源发电技术的推广, 可再生能源电力消费也会逐步增加，尽管增幅比较缓慢。当前，以色列开发可再生能源的条件十分有限，要实现可再生能源在电力消费中比例的上升还有许多亟待解决的问题。此次的研究计算证明，以色列在实现能效大幅提升的情况下，可再生能源在能源结构中的比例可以高达80%以上。

研究根据优化计算法的结果得出，从100%化石能源逐渐向可再生能源过渡的初始阶段，电力生产的总成本是呈下降趋势的（尽管可再生能源的发电成本还是高于化石能源）。这种趋势的形成原因是：在早期阶段，成本较低（因为无需燃料成本）的可再生能源替代了成本高昂且不环保的化石能源，仅这一点就大幅降低了发电成本和其他的额外成本，而且所有的可再生能源电力都可以被消纳。但运行一段时间后，成本开始如预期所料呈上升趋势，即总成本的消耗又回到了没有使用可再生能源的模式中。研究把这种情况称为“收入中立”，这是由于利用可再生能源而省出来的部分资金又被重新投入到可再生能源发电设施的建设中。

根据研究结果，在不考虑能效提升的情况下，使用化石能源所产生的供需成本预计是25.1亿新谢克尔(约合人民币41.3亿元)，外加12.4亿新谢克尔（约合人民币20.4亿元）的额外成本支出，总共为37.5亿新谢克尔（约合人民币61.7亿元）。以同样的成本价格，只有36%的可再生能源可以实现发电应用。超过这个比例，成本就会上升，也就是说可再生能源每度电的电价也会有大幅上涨。

而随着能效提升措施的全面施行，以色列总的电力需求将下降36%，使用可再生能源完全满足总的电力需求也具有了极大的可能性。在这样的情景模式下，37.5亿新谢克尔（约合人民币61.7亿元）的总成本将可以实现80%的可再生能源发电应用（成本中也包括了利用能效提升措施所需的成本支出）。

研究分析还进一步显示了能效和可再生能源之间存在的密切关系——在能效没有提升的情况下，可再生能源的发电利用比例将非常低，但是随着能效提升措施的有效应用，可再生能源的应用比例以及随之带来的经济效益都将实现突破性进展。然而，能源效率和可再生能源之间还有另一层关系——如果是基于化石燃料发电的发电厂，其电厂自身的建设成本将被视为“沉没成本”（即已支付的成本，现在已开始产生利润），这对于可再生能源来说就造成了竞争的不公平，因为可再生能源还是需要这部分建设投资的。这样就对可再生能源的应用产生了负激励效应。另一方面， 如果加大对能效提升的投资，火电机组的建设就会被迫推迟，可再生能源的利用比例也就自然提高。一旦可再生能源发电机组投运，也会形成“沉没成本”,反过来又会制约火电机组的建设。

此次研究得出的另一个重要结论是，以色列风电的发展（无论是陆上风电还是海上风电）对提升以色列可再生能源供电比例具有至关重要的作用。因为在下午、傍晚等光照较弱的时段，太阳能发电产能较低而电力需求却并没有下降，因此风电就可以弥补此段时间内出现的电力短缺，也避免了对火电等备用电源的依赖。而从卫星数据来看，以色列海上风电的发展前景要比陆上风电更为广阔。然而，由于海上风电的技术还不够成熟，以色列海上风电的发展也还处于起步阶段，因此在此次研究中只有很少一部分的海上风电被计算在内。

4 研究局限性

此次的研究计算中并没有计算电力出现供过于求时，对过剩电力进行储存所花费的成本。因为无论是在高比例化石能源发电模式下还是高比例可再生能源发电模式中，都会出现这项成本支出，因此这项支出的忽略对于两种发电模式的计算不会产生太大的影响。但严谨来看，在可再生能源发电模式中由于各类资源的多样性应用提高了整个系统的可靠性，因此也会降低对电力储存的需求。因此，这项成本支出对结果的影响还需得到进一步确认。

另外，输配电设备也没有在此次研究计算中体现出来。尽管研究表明高比例可再生能源实现的可能性很大，但目前还无法证实相应的输配电设备是否能够接收如此大量的可再生能源电力，并输送给电力消费者。高比例可再生能源也就意味着要提高输电线路的输送容量，这样才能及时将电力送往人口密集的用户区域，配电线路的容量也要做相应提升，才能实现风电和光伏等可再生能源间的互补切换。

此次研究只考虑了一个全年的计算周期，因此还需要验证该仿真计算模型在极端条件下（长期无风、无光照等极端天气状况）的运行情况。要达到这样的完整性，还需要建立一个长期的分析机制，利用蒙特卡洛方法（也称统计模拟方法，是一种计算机化的数学方法，允许人们评估定量分析和决策制定过程中的风险）模拟未来几年的天气状况。然后将此次研究采用的优化计算法对这一长时间段内的相关数据再次进行验证计算。

5 结论

以色列论坛此次开展的“零碳计划”研究对以色列未来实现高比例可再生能源的技术可行性和经济实用性做了深入研究，并给出了肯定结论。虽然在当前的技术条件下，实现向100%可再生能源的过渡并不现实。但是，随着可再生能源发电技术的不断进步，以色列未来终将会实现该目标。同时，以色列未来的能源政策也应更加注重能效提升（尤其要加大对节能的关注，如普及节能建筑等），以此降低电力需求。另外，风电（陆上和海上）以及屋顶式光伏的发展也需要得到进一步的扶持。如果以色列现在能有所行动，当天然气等化石能源在接下来的几十年间消耗殆尽后，以色列也会有一套替代旧有发电系统的清洁、可持续性的可再生能源发电系统来应对未来的电力需求。