寻找发展太阳能和风能的最优路径

为实现“双碳”目标，应对全球气候变化，我国能源结构正在加快从高污染化石燃料向低污染清洁能源转型，以太阳能和风能为代表的清洁能源成为发展热点。

近日，复旦大学环境科学与工程系青年研究员王戎团队在《自然》发表最新研究成果，首次从能源系统统筹的角度提出了中国加速发展光电和风电、实现碳中和目标的最优路径，并揭示了中国太阳能和风能资源的潜力和成本。

全球竞争中抢占优势地位的好契机

在我国能源要素里，煤炭虽然发挥了压舱石的作用，但其带来的负面效应已较为明显。当前，依赖化石燃料工业的发展已经到了瓶颈期，当务之急是加快发展新能源。近年来，可再生能源尤其是太阳能和风能在我国的能源比重不断提高，成效显著。

“太阳能、风能是绿色可再生能源，非常清洁，而且还是很有前景的投资方向，会带动一系列相关产业的发展。”王戎在接受《中国科学报》采访时表示，无论是从环境保护还是从经济发展的角度出发，太阳能、风能资源的研究都非常重要。

比如，生产太阳能面板的半导体材料，风机的芯片，实时掌控风速、风向的人工智能技术等，都是新能源的研究方向。

“如果我国能够提前布局，将整个光电和风电产业链发展起来，未来将在全球竞争中占据优势地位。”王戎说。

自2018年起，长期从事大气化学模型研究的王戎就开始把研究重心转到能源上。他希望找到一条适合中国国情的、发展太阳能和风能的最优路径，并为我国碳中和目标下的能源转型提供科学建议。

建立地球数字智能信息复杂系统

关于太阳能和风能的研究有很多，每年发表的相关文章层出不穷。但是，以往的研究有一个局限，就是缺乏高时空分辨率的地球数字智能信息复杂系统，因此研究结果并不能准确反映中国太阳能和风能的发电潜力和变化趋势，致使在气候治理的综合评估中无法准确预估我国能源转型的最佳路径和减排潜力。

为解决这一问题，研究团队急需一个高分辨率的地球系统模型。恰好中国科学院大气物理研究所有一台地球系统数值模拟装置，为这项研究的开展提供了地球系统多年太阳辐射和风速小时空间数据的计算平台。

“我们花了近一年半的时间，把这个地球系统的数据从400公里左右的粗分辨率做成接近1公里左右的高分辨率。”王戎说。

横在前路上的另一个挑战是电力系统大数据的建立。“电力系统包括输电、储能和电力终端。我国的太阳能、风能主要集中在新疆、青海、甘肃、内蒙古等西部地区，产出的电能需要输送到全国各地，这就需要建立特高压输电网络。此外，由于我国储能潜力不足，导致一些电力消费部门可能在某一时段出现缺电的现象。”王戎介绍说。

因此，把地球系统与电力系统结合起来就成为研究的关键。

研究团队基于地球系统中多年太阳辐射和风速小时空间数据，综合考虑国家行政区划、土地类型、气候条件、地形等空间地理信息，建立起高时空分辨率的地球数字智能信息复杂系统。该系统可以根据研究者的需求调整优化目标。

此外，他们还协调统筹发展特高压线路电力输送、选择合适的储能系统类型、优化用电端电力负荷，根据平准化度电成本最低的原则，优化出2767个光伏电厂、1066个陆上风电厂和11个大型海上风电厂的空间分布和建造规模，并基于技术学习对成本的影响优化各电厂的建造时间，制定了中国加速发展太阳能和风能发电替代化石燃料的中长期建设方案。

为了实现碳中和目标，如果按照当前规划的太阳能和风能发电的建造速度，我国太阳能和风能资源还无法满足未来的能源需求，因此需要采用大量的碳捕获与封存设施，而这些设施每年需要接近20万亿千瓦时的装机量，经济成本较高。

“我们研究的优化模型可以以较低的成本增加太阳能和风能发电，发电量可从每年9万亿千瓦时增加到每年15万亿千瓦时，减排成本可从每吨二氧化碳约700元降至每吨二氧化碳约40元，大大增加了使用太阳能和风能资源的潜力。”王戎说。

这也说明，增加太阳能和风能有效的发电量可以降低实现碳中和的总成本，加快我国清洁能源的发展速度。

为区域发展提供新动能

我国的太阳能和风能资源主要分布在经济相对落后的西部地区，区域间的电力输送在提升用电效率的同时，也会给西部地区带来潜在的经济收益，促进地区的经济发展。

在优化的太阳能和风能发展路径的基础上，研究团队解析了区域间的资金流动情况。王戎介绍，如果采用每吨二氧化碳700元的价格，到2060年，光电和风电的资金流动将达到年均7万亿元。

其中，光电和风电的电力传输产生的最大资金流是从华东流向西北，将达到每年约1.4万亿元的规模。而优化光电和风电的空间布局可以使经济相对落后地区的居民受益，其中西北地区的年人均收入有望从21万元增加到25万元。

“根据我们的模型预估，新疆地区是未来最重要的太阳能和风能资源所在地。”王戎表示。

2060年，新疆地区的光伏和风电厂预计可达255个，装机容量约为23亿千瓦，而配套特高压线路总容量将达到20亿千瓦，储能设施容量也将达到2.7亿千瓦，根据当前化石燃料价格推算出相关的年收益可达3800亿元。

通过建立高分辨率的地球数字智能信息复杂系统，该研究发现，即使未来技术发展进一步降低光伏和风机的成本，但考虑到新建太阳能光伏和风力发电厂的技术挑战，仍需扩大当前的清洁能源投资规模，加快国家电力系统升级速度，特别是需要发展超大规模光伏和风能发电及高压输电的技术，提高太阳能、风能在我国未来能源生产中的比重，降低电力系统转型升级、实现碳中和目标的经济成本。

“易获取的清洁能源是有限的，但我国可以加大清洁能源投资、优化源荷调控、加强配套设施建设，大幅降低太阳能、风能的成本。”王戎说。

研究结果指出，在考虑技术进步等因素后，未来10年的发展规划对于我国实现碳中和目标非常关键。优化当前清洁能源发展的规划和布局，可以避免在后期承担更大的经济损失。同时，升级国家电力系统后，发展太阳能和风能将会使区域间产生资金流动，为西部地区带来收益，从而进一步为区域发展提供新动能。

相关论文信息：

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