為實現(xiàn)“雙碳”目標，應對全球氣候變化，我國能源結構正在加快從高污染化石燃料向低污染清潔能源轉型，以太陽能和風能為代表的清潔能源成為發(fā)展熱點。

近日，復旦大學環(huán)境科學與工程系青年研究員王戎團隊在《自然》發(fā)表最新研究成果，首次從能源系統(tǒng)統(tǒng)籌的角度提出了中國加速發(fā)展光電和風電、實現(xiàn)碳中和目標的最優(yōu)路徑，并揭示了中國太陽能和風能資源的潛力和成本。

全球競爭中搶占優(yōu)勢地位的好契機

在我國能源要素里，煤炭雖然發(fā)揮了壓艙石的作用，但其帶來的負面效應已較為明顯。當前，依賴化石燃料工業(yè)的發(fā)展已經到了瓶頸期，當務之急是加快發(fā)展新能源。近年來，可再生能源尤其是太陽能和風能在我國的能源比重不斷提高，成效顯著。

“太陽能、風能是綠色可再生能源，非常清潔，而且還是很有前景的投資方向，會帶動一系列相關產業(yè)的發(fā)展。”王戎在接受《中國科學報》采訪時表示，無論是從環(huán)境保護還是從經濟發(fā)展的角度出發(fā)，太陽能、風能資源的研究都非常重要。

比如，生產太陽能面板的半導體材料，風機的芯片，實時掌控風速、風向的人工智能技術等，都是新能源的研究方向。

“如果我國能夠提前布局，將整個光電和風電產業(yè)鏈發(fā)展起來，未來將在全球競爭中占據(jù)優(yōu)勢地位。”王戎說。

自2018年起，長期從事大氣化學模型研究的王戎就開始把研究重心轉到能源上。他希望找到一條適合中國國情的、發(fā)展太陽能和風能的最優(yōu)路徑，并為我國碳中和目標下的能源轉型提供科學建議。

建立地球數(shù)字智能信息復雜系統(tǒng)

關于太陽能和風能的研究有很多，每年發(fā)表的相關文章層出不窮。但是，以往的研究有一個局限，就是缺乏高時空分辨率的地球數(shù)字智能信息復雜系統(tǒng)，因此研究結果并不能準確反映中國太陽能和風能的發(fā)電潛力和變化趨勢，致使在氣候治理的綜合評估中無法準確預估我國能源轉型的最佳路徑和減排潛力。

為解決這一問題，研究團隊急需一個高分辨率的地球系統(tǒng)模型。恰好中國科學院大氣物理研究所有一臺地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置，為這項研究的開展提供了地球系統(tǒng)多年太陽輻射和風速小時空間數(shù)據(jù)的計算平臺。

“我們花了近一年半的時間，把這個地球系統(tǒng)的數(shù)據(jù)從400公里左右的粗分辨率做成接近1公里左右的高分辨率。”王戎說。

橫在前路上的另一個挑戰(zhàn)是電力系統(tǒng)大數(shù)據(jù)的建立。“電力系統(tǒng)包括輸電、儲能和電力終端。我國的太陽能、風能主要集中在新疆、青海、甘肅、內蒙古等西部地區(qū)，產出的電能需要輸送到全國各地，這就需要建立特高壓輸電網絡。此外，由于我國儲能潛力不足，導致一些電力消費部門可能在某一時段出現(xiàn)缺電的現(xiàn)象。”王戎介紹說。

因此，把地球系統(tǒng)與電力系統(tǒng)結合起來就成為研究的關鍵。

研究團隊基于地球系統(tǒng)中多年太陽輻射和風速小時空間數(shù)據(jù)，綜合考慮國家行政區(qū)劃、土地類型、氣候條件、地形等空間地理信息，建立起高時空分辨率的地球數(shù)字智能信息復雜系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)研究者的需求調整優(yōu)化目標。

此外，他們還協(xié)調統(tǒng)籌發(fā)展特高壓線路電力輸送、選擇合適的儲能系統(tǒng)類型、優(yōu)化用電端電力負荷，根據(jù)平準化度電成本最低的原則，優(yōu)化出2767個光伏電廠、1066個陸上風電廠和11個大型海上風電廠的空間分布和建造規(guī)模，并基于技術學習對成本的影響優(yōu)化各電廠的建造時間，制定了中國加速發(fā)展太陽能和風能發(fā)電替代化石燃料的中長期建設方案。

為了實現(xiàn)碳中和目標，如果按照當前規(guī)劃的太陽能和風能發(fā)電的建造速度，我國太陽能和風能資源還無法滿足未來的能源需求，因此需要采用大量的碳捕獲與封存設施，而這些設施每年需要接近20萬億千瓦時的裝機量，經濟成本較高。

“我們研究的優(yōu)化模型可以以較低的成本增加太陽能和風能發(fā)電，發(fā)電量可從每年9萬億千瓦時增加到每年15萬億千瓦時，減排成本可從每噸二氧化碳約700元降至每噸二氧化碳約40元，大大增加了使用太陽能和風能資源的潛力。”王戎說。

這也說明，增加太陽能和風能有效的發(fā)電量可以降低實現(xiàn)碳中和的總成本，加快我國清潔能源的發(fā)展速度。

為區(qū)域發(fā)展提供新動能

我國的太陽能和風能資源主要分布在經濟相對落后的西部地區(qū)，區(qū)域間的電力輸送在提升用電效率的同時，也會給西部地區(qū)帶來潛在的經濟收益，促進地區(qū)的經濟發(fā)展。

在優(yōu)化的太陽能和風能發(fā)展路徑的基礎上，研究團隊解析了區(qū)域間的資金流動情況。王戎介紹，如果采用每噸二氧化碳700元的價格，到2060年，光電和風電的資金流動將達到年均7萬億元。

其中，光電和風電的電力傳輸產生的最大資金流是從華東流向西北，將達到每年約1.4萬億元的規(guī)模。而優(yōu)化光電和風電的空間布局可以使經濟相對落后地區(qū)的居民受益，其中西北地區(qū)的年人均收入有望從21萬元增加到25萬元。

“根據(jù)我們的模型預估，新疆地區(qū)是未來最重要的太陽能和風能資源所在地。”王戎表示。

2060年，新疆地區(qū)的光伏和風電廠預計可達255個，裝機容量約為23億千瓦，而配套特高壓線路總容量將達到20億千瓦，儲能設施容量也將達到2.7億千瓦，根據(jù)當前化石燃料價格推算出相關的年收益可達3800億元。

通過建立高分辨率的地球數(shù)字智能信息復雜系統(tǒng)，該研究發(fā)現(xiàn)，即使未來技術發(fā)展進一步降低光伏和風機的成本，但考慮到新建太陽能光伏和風力發(fā)電廠的技術挑戰(zhàn)，仍需擴大當前的清潔能源投資規(guī)模，加快國家電力系統(tǒng)升級速度，特別是需要發(fā)展超大規(guī)模光伏和風能發(fā)電及高壓輸電的技術，提高太陽能、風能在我國未來能源生產中的比重，降低電力系統(tǒng)轉型升級、實現(xiàn)碳中和目標的經濟成本。

“易獲取的清潔能源是有限的，但我國可以加大清潔能源投資、優(yōu)化源荷調控、加強配套設施建設，大幅降低太陽能、風能的成本。”王戎說。

研究結果指出，在考慮技術進步等因素后，未來10年的發(fā)展規(guī)劃對于我國實現(xiàn)碳中和目標非常關鍵。優(yōu)化當前清潔能源發(fā)展的規(guī)劃和布局，可以避免在后期承擔更大的經濟損失。同時，升級國家電力系統(tǒng)后，發(fā)展太陽能和風能將會使區(qū)域間產生資金流動，為西部地區(qū)帶來收益，從而進一步為區(qū)域發(fā)展提供新動能。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06180-8