以色列現代農業用能對我國建設農業能源互聯網的啟示

魏中輝，付學謙

（中國農業大學 信息與電氣工程學院，北京 100083）

0 引言

以色列是中東地區的一個自然資源和土地資源都嚴重不足的國家，尤其是水資源的缺乏，嚴重阻礙著以色列農業的發展。但是經過幾十年的發展，以色列已經成為一個農業發達國家。在以色列農業發展的過程中有大量的能源作為支撐，早在20世紀80年代，以色列學者就提出由于灌溉性質和大多數耕地的降水量不足，以色列農業可能是世界上能源消耗最大的農業部門之一［1］。對能源的利用促進著以色列農業的高速發展，依靠農業上的各種用能技術，以色列的農業生產率大幅度提高。

在能源互聯網的背景之下，農業與能源互聯網的深度融合已成為農業能源體系的發展趨勢［2］。基于現代農業產業園的產業模式特點，中國的學者提出了農業工程能源互聯網的概念［3］。2021 年中央1號文件指出要促進農業農村現代化建設，加快農業的高質高效發展。從這個角度來說，研究中國農業能源互聯網的建設特點和方向，對提高中國農業產值和加快科技興農步伐具有重要意義。目前中國農業能源技術相對落后，農業用能方式單一，針對中國農業發展特點，有針對性地引入先進的農業能源技術會加快中國科技興農進程，提高農業產值。

從負荷側角度來說，在以色列農業發展的過程中，各種能源技術為以色列農業用能提供了支持。例如:電力海水淡化灌溉技術和電力廢水處理灌溉技術為以色列農業提供了豐富的淡水；電力驅動的農業滴灌系統和利用可再生能源的垂直農場的出現使以色列的農業更加集約化、標準化。結合以色列的農業發展特點，本文將從用能角度對部分為以色列農業發展起到關鍵作用的用能技術做出分析，并且根據中國農業能源互聯網的發展特點，有針對性地從這些用能技術中得到啟示，對中國農業能源互聯網的建設做出展望。

1 以色列農業用能技術分析

以色列農業與能源結合的形式非常豐富，以下是幾個以色列農業與能源結合的典型特點:①清潔能源的利用程度高，例如以色列南部沙漠區的薩瑪爾集體農場利用30 面巨大的反射鏡將陽光匯集于30 m高的鍋爐爐壁來吸收熱能，從而產生高壓蒸汽發電，以此來全天候為薩瑪爾農場的種植業與養殖業供電［4］；②農業用能方式多樣化，以色列為緩和能源危機，其利用太陽能、牛糞發電、風力發電、電廠供熱、農作物殘渣、地熱能等多種能源形式來為農業供能［5］；③農業用水的能源消耗占比大，僅用于向農場供水的能源消耗就占以色列農業能源的50%，農業供水部門是以色列電力的主要買家［5］。

根據異質能源特性，以色列農業的發展融合了多種用能技術。電力海水淡化灌溉技術、電力廢水處理灌溉技術為以色列農業生產提供大量的淡水；電力滴灌技術在節約電力能源的同時，高效地將水送到農作物的根部；光伏納濾膜灌溉技術和垂直農場技術利用太陽能等清潔能源維持整個系統的運轉。本節將從能源的角度，分析以上技術的用能特點，以此來體現能源在以色列農業生產上起到的巨大作用。圖1描述了以色列水、電、農業的流轉途徑。

圖1 以色列水、電、農業的流轉途徑Fig.1 Circulation channels of water,electricity and agriculture in Israel

1.1 電力海水淡化灌溉技術

灌溉是改變農業用地溫濕度的一種方法，通過灌溉可以給農作物的生長提供合適的農業氣象條件。用于農業灌溉的電力海水淡化技術將是滿足缺水地區日益增長的用水需求的一個重要技術來源［6］。現如今通過電力海水淡化技術產生的淡水已經成為以色列農業用水的主要來源之一。在以色列的海水淡化過程中，傳統電力是海水淡化各個階段所需能量的主要來源。以色列特拉維夫大學學者［7］的研究表明，在電力海水淡化過程中有4個基本階段，這些階段都需要消耗大量的電能，包括①攝入和預處理待淡化的海水；②電動泵的增壓系統的水平為800～1 000 psi（1 psi=6 894.76 Pa），使海水通過濾膜；③從水中分離鹽水；④處理淡化之后的水，使其穩定。

以色列電力海水淡化多采用反滲透技術，其通過建設5個總生產規模為6億m3/年的電力反滲透海水淡化工廠，解決了包括農業用水缺乏在內的水資源短缺問題［8］。以索瑞克大型電力海水淡化工廠為例，該工廠的占地規模為10萬m2，日產淡水62.4萬m3。用于生產適合農業灌溉用水的雙道反滲透脫鹽設備的比能示意圖如圖2所示［6］。圖2說明了反滲透流程，確定了電力海水脫鹽過程中每個組件的電力需求，其中消耗電力最多的電力高壓泵是整個電力海水反滲透淡化系統的核心部件，電力高壓泵將海水增壓使其穿過半透膜，實現壓差造水。

圖2 用于生產適合農業灌溉用水的雙道反滲透脫鹽設備的比能示意圖Fig.2 Schematic diagram specific energy of a dual?channel SWRO desalination plant suitable for agricultural irrigation water

以下是產生農業灌溉用水的電力海水淡化技術耗能分析，以色列建設的5座規模較大的海水淡化工廠的能耗符合下列的數據。以色列理工學院拉賓海水淡化實驗室的學者［8］指出海水淡化中主要的能源消耗在反滲透過程，反滲透海水淡化裝置的一般能耗為3.5 kWh/m3。額外的成本，如泵送、預處理、鹽水排放和工廠內使用的電力總計為0.3～1.5 kWh/m3。某些情況下，例如海水淡化設施的安裝規模較小、位置偏遠、設計或操作經驗不足，能源消耗可能會增加到3.0～7.0 kWh/m3。

以色列和美國學者共同提出:用于生產農業灌溉用水的最先進的反滲透設備的總能源消耗在3.0～7.0 kWh/m3之間，預處理和后處理過程同時也消耗了反滲透脫鹽過程的很大一部分能量［6］。海水預處理階段電力消耗為0.2～0.4 kWh/m3；后處理過程（通過第2 個反滲透通道去除硼和氯的過程）估計需要消耗0.5 kWh/m3的電力。例如:在以色列阿什凱隆電力海水淡化工廠的一些反滲透海水淡化設施，硼和氯的后處理采用了多個反滲透通道和階段的組合，消耗了大量的電能。

通過消耗大量電能，電力海水淡化所產生的淡水很大程度上供應了以色列的農業灌溉用水，大量的脫鹽海水流入以色列的水經濟中。在以色列采用電力海水淡化技術供應水源20多年后，以色列農業用地鹽堿度不斷上升的負面趨勢完全扭轉，這表明可持續灌溉農業可以在以色列和更多干旱地區得到充分的應用，電力海水淡化灌溉技術對以色列的農業生產起到至關重要的作用［9］。

1.2 光伏納濾膜淡化灌溉技術

對以色列來說，與傳統電力相比，為了得到充足的農業用水，利用當地豐富的太陽能淡化含鹽量較低的水也是生產農業用水的一個有效途徑。以色列學者將光伏納濾膜淡化技術產生的淡水用于集約型農業灌溉，以色列哈茨瓦的太陽能光伏納濾膜微咸水淡化試點工廠設計目的是淡化當地中等含鹽量的水，納濾膜淡化系統配置了光伏組件容量規模為4.2 kWp的組件陣列［11］，產水量為0.25 m3/h，灌溉500 m2的農業小區［12］，光伏元件可以為整個納濾膜淡化系統提供淡化的動力；同時以色列哈茨瓦試驗工廠采用混合配置方式設計電源，允許壓力泵和其他的系統元件從光伏陣列或電網獲取電力，在電池和電網之間加裝一個控制箱，可以允許測試不同的操作策略［10］。在該方案的評估階段，具體能耗（1.37 kWh/m3）達到并且超過了預期水平。以色列哈特茲瓦光伏納濾膜淡化裝置試驗設計方案圖如圖3所示［10］。

圖3 以色列哈特茲瓦光伏納濾膜淡化裝置試驗設計方案圖Fig.3 The experimental design plan of the photovoltaic nanofiltration membrane desalination unit in Hatzwa，Israel

文獻［11］指出，納濾膜淡化微咸水是咸水淡化的新機遇，研究人員采用納濾膜處理微咸水，并將濾液用于灌溉，發現納濾膜系統與反滲透系統相比，能耗降低了40%，地下水抽取減少了34%，農業生物質產量增加了18%。

1.3 電力污水處理灌溉技術

在以色列農業采用滴灌技術灌溉的同時，也存在一個平行的過程:處理過的污水成為了以色列農業部門的另一個重要用水來源［12］。污水處理的過程中會消耗大量的電能，主要用能體現在泵送和處理階段。

以下內容基于以色列常見污水處理技術的相關過程，分析每個環節處理1 m3污水相應的電力能源投入［13］。以以色列特拉維夫污水處理工程（夏夫丹污水處理廠）為例，每年為特拉維夫13 個行政區處理的污水規模達1.3 億m3，每日的污水處理規模達36 萬m3，作為以色列最大的單點水源，該廠能滿足內蓋夫沙漠60%的農業灌溉用水［14］。以色列特拉維夫污水處理工程的示意圖如圖4所示［13］。

圖4 以色列特拉維夫污水處理設施示意圖Fig.4 Schematic diagram of sewage treatment facilities in Tel Aviv，Israel

（1）原污水處理:在第一次上升30 m的過程中，每1 m泵送的耗能值為6 Wh/m3；再從沉淀池到操作池上升10 m時，每1 m泵送的耗能值為4.3 Wh/m3。

（2）泵送和曝氣:該過程需要電能為288 Wh/m3。

（3）強化處理:根據特拉維夫污水處理廠的數據，這里的強化處理是一種機械-生物處理，曝氣采用了曝氣器和擴散器。泵送、曝氣和混合共消耗能量750 Wh/m3。

（4）未經處理的污泥:初級沉淀或2 級生物處理產生的活性污泥，處理該污泥的能耗為100～150 Wh/m3。

從以色列國家能源消耗的比例來說，僅生產農業灌溉所用的淡水，所用的電能就是非常巨大的。表1反映了為以色列農業灌溉提供支持的電力海水淡化灌溉技術和電力污水處理灌溉技術的能源消耗占國家總能源消耗的比例。

表1 以色列電力海水淡化灌溉技術及電力污水處理灌溉技術的能耗占比Table 1 Energy consumption ratio of electricity desalination irrigation technology and electricity wastewater treatment irrigation technology in Israel%

1.4 電力滴灌技術

滴灌是通過一種叫做滴頭的裝置給農作物的生長提供水的方法。電源是電力滴灌水肥一體化技術的動力基礎。滴灌技術中能量單元提供的電能能將井水或者地表水引入灌溉系統。典型電力滴灌系統布局和裝配示意圖如圖5所示［19］。

圖5 典型電力滴灌系統布局和裝配示意圖Fig.5 Schematic diagram of layout and assembly of typical power drip irrigation components

以色列耐特菲姆公司研發的滴灌系統可以實現精準灌溉和智能水肥一體化［20］，滴灌系統主要的耗能元件是水泵，高效的水泵是滴灌系統的核心元件，水泵從能量單元獲取能量，為整個滴灌系統提供動力。電力驅動水泵，泵房對水壓進行控制，使水通過過濾裝置進入到田間滴管系統。滴灌系統在泵房的控制下采用低壓模式運作，能更好地減少電力能源的損耗。以色列的滴灌技術主要來源于該國的基布茲集體農莊。

1.5 垂直農業

以色列進行垂直農場建設的主要優勢在于以色列有充足的太陽能資源。文獻［21］提出了一種以色列的垂直農場設計:垂直農場的規模為12 層，每層的種植系統面積為100 m2，布局有4排LED燈，每排的LED 燈數量為10 個。垂直農場內部的每一層都作為一個環境受控的生長室，每個生長室由6層水培盆組成；每一個生長室都有LED燈24 h為作物的生長提供穩定的光環境，營養豐富的水通過泵系統泵入生長室，該垂直農場每年共產出胡蘿卜、土豆、草莓等10種農產品共計929.5 t。

以色列該垂直農場設計的主要能源部件和耗能部件有①太陽能電池板:太陽能電池板安裝在大樓每一層的外部，最大限度地暴露在陽光下，使垂直農場能夠自己供電；②LED 燈:垂直農場的每一層都將包含“生產堆”，上面安裝LED燈；③先進的水培系統:使用先進的水培系統種植農產品，該系統主要部件為管道、水盤、泵，其中主要的耗能部件為水泵，能實現垂直農場的供水循環。垂直農場依靠持續的能源供應來為LED 照明系統和水泵供電。普通的垂直農場的組件圖如圖6所示［22］。

圖6 垂直農場的組件圖Fig.6 Component diagram of the vertical farm

2 對中國建設農業能源互聯網的啟示

園區農業能源互聯網是能源互聯網在農業領域的延伸，園區農業能源互聯網以電力系統和新能源發電為核心，利用先進的信息技術、物聯網技術將能源系統與設施農業互聯起來，從而實現對農業系統和能源系統的全面感知、管理與控制[23]。園區農業能源互聯網的主要的結構包括物理系統和信息系統2 大部分，在物理側通過各種農業用能技術將熱網、電網等能源網絡和農業的集約化生產聯系起來；在信息側通過農業傳感器、能源量測儀表等儀器將農業物聯網和電力物聯網連接起來，實現農業信息和能源系統信息的互聯共享。

園區農業能源互聯網的物理系統由“源-網-儲-荷”4部分組成，本文從園區農業能源互聯網物理系統中的“荷”的角度出發，通過分析以色列的部分農業用能技術，結合中國不同地域的農業和能源上的特點，有針對性地對中國不同地區建設園區農業能源互聯網提出了一些在農業用能負荷技術上的建議。

（1）中國南方沿海的海島上淡水資源相對缺乏，僅依靠天然淡水無法為農業灌溉提供大量的淡水資源。結合中國南方海島設施農業與能源結構的特點，在中國南方海島建設園區農業能源互聯網的過程中，在園區農業能源互聯網的負荷側能源技術中引入電力海水淡化灌溉技術可以加強海島農業與能源的耦合聯系，推動中國南方海島地區園區農業能源互聯網的發展。

（2）結合中國東部地區(如山東省)電力供給充足、電網覆蓋率高和該地區農業規模大、農業灌溉用水缺乏的特點，以色列的電力污水處理灌溉技術建議在中國該地區的園區農業能源互聯網的負荷側能源技術上進行推廣利用。

（3）中國西北地區（如寧夏、甘肅、陜西等地）電力供應不足，電網覆蓋率低，同時農業灌溉用水缺乏限制著該地農業的發展，但是西北地區太陽能和咸水資源非常豐富，結合西北地區的能源現狀與農業特點，在該地園區農業能源互聯網的負荷側能源技術的建設中建議引進基于光伏發電的納濾膜微咸水淡化灌溉技術。

（4）通過建設城市被動式太陽能建筑等手段，可以在城市中充分利用太陽能。結合城市能源特點以及城市土地資源緊張的現狀，建議在城市農業能源互聯網的負荷側建設中大力發展垂直農場技術。

（5）中國新疆地區蒸發問題最為嚴重，同時該地區在農業上的能源供應不充足，所以在該地區園區農業能源互聯網的負荷側能源技術的建設過程中建議引進具有高效節能、節水特點的電力滴灌技術，可以在一定程度上解決該地區農業的能源供應不足以及農業灌溉用水缺乏的問題。由于電力滴灌技術可以保證在低壓條件下向農作物均勻灌水，因此推廣電力滴灌技術還可以推動中國園區農業能源互聯網的負荷側——農業科技園區標準化建設，促進中國精細農業發展。

3 結束語

在能源互聯網的背景下，園區農業能源互聯網促進了能源與農業的協同發展，對提高農業產值具有重要意義。本文主要有以下2點結論:①在園區農業能源互聯網的建設中，農業科技園區是農業集約化生產的所在地，以色列多樣化的農業能源技術為該國促進農業生產集約化以及促進農業產值的提高提供了關鍵的技術支撐，這為中國園區農業能源互聯網負荷側能源技術的建設提供了參考；②結合中國不同地區的農業和能源特點，可以有針對性地在地區園區農業能源互聯網的負荷側引入農業能源技術以促進這些地區農業產值的提高。