為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，應(yīng)對(duì)全球氣候變化，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)正在加快從高污染化石燃料向低污染清潔能源轉(zhuǎn)型，以太陽能和風(fēng)能為代表的清潔能源成為發(fā)展熱點(diǎn)。

近日，復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系青年研究員王戎團(tuán)隊(duì)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(guó)加速發(fā)展光電和風(fēng)電、實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的最優(yōu)路徑，并揭示了中國(guó)太陽能和風(fēng)能資源的潛力和成本。

全球競(jìng)爭(zhēng)中搶占優(yōu)勢(shì)地位的好契機(jī)

在我國(guó)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(fù)面效應(yīng)已較為明顯。當(dāng)前，依賴化石燃料工業(yè)的發(fā)展已經(jīng)到了瓶頸期，當(dāng)務(wù)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(fēng)能在我國(guó)的能源比重不斷提高，成效顯著。

“太陽能、風(fēng)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(huì)帶動(dòng)一系列相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。”王戎在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示，無論是從環(huán)境保護(hù)還是從經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度出發(fā)，太陽能、風(fēng)能資源的研究都非常重要。

比如，生產(chǎn)太陽能面板的半導(dǎo)體材料，風(fēng)機(jī)的芯片，實(shí)時(shí)掌控風(fēng)速、風(fēng)向的人工智能技術(shù)等，都是新能源的研究方向。

“如果我國(guó)能夠提前布局，將整個(gè)光電和風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展起來，未來將在全球競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。”王戎說。

自2018年起，長(zhǎng)期從事大氣化學(xué)模型研究的王戎就開始把研究重心轉(zhuǎn)到能源上。他希望找到一條適合中國(guó)國(guó)情的、發(fā)展太陽能和風(fēng)能的最優(yōu)路徑，并為我國(guó)碳中和目標(biāo)下的能源轉(zhuǎn)型提供科學(xué)建議。

建立地球數(shù)字智能信息復(fù)雜系統(tǒng)

關(guān)于太陽能和風(fēng)能的研究有很多，每年發(fā)表的相關(guān)文章層出不窮。但是，以往的研究有一個(gè)局限，就是缺乏高時(shí)空分辨率的地球數(shù)字智能信息復(fù)雜系統(tǒng)，因此研究結(jié)果并不能準(zhǔn)確反映中國(guó)太陽能和風(fēng)能的發(fā)電潛力和變化趨勢(shì)，致使在氣候治理的綜合評(píng)估中無法準(zhǔn)確預(yù)估我國(guó)能源轉(zhuǎn)型的最佳路徑和減排潛力。

為解決這一問題，研究團(tuán)隊(duì)急需一個(gè)高分辨率的地球系統(tǒng)模型。恰好中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所有一臺(tái)地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置，為這項(xiàng)研究的開展提供了地球系統(tǒng)多年太陽輻射和風(fēng)速小時(shí)空間數(shù)據(jù)的計(jì)算平臺(tái)。

“我們花了近一年半的時(shí)間，把這個(gè)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(gè)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(chǔ)能和電力終端。我國(guó)的太陽能、風(fēng)能主要集中在新疆、青海、甘肅、內(nèi)蒙古等西部地區(qū)，產(chǎn)出的電能需要輸送到全國(guó)各地，這就需要建立特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)。此外，由于我國(guó)儲(chǔ)能潛力不足，導(dǎo)致一些電力消費(fèi)部門可能在某一時(shí)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(jié)合起來就成為研究的關(guān)鍵。

研究團(tuán)隊(duì)基于地球系統(tǒng)中多年太陽輻射和風(fēng)速小時(shí)空間數(shù)據(jù)，綜合考慮國(guó)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(shí)空分辨率的地球數(shù)字智能信息復(fù)雜系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)研究者的需求調(diào)整優(yōu)化目標(biāo)。

此外，他們還協(xié)調(diào)統(tǒng)籌發(fā)展特高壓線路電力輸送、選擇合適的儲(chǔ)能系統(tǒng)類型、優(yōu)化用電端電力負(fù)荷，根據(jù)平準(zhǔn)化度電成本最低的原則，優(yōu)化出2767個(gè)光伏電廠、1066個(gè)陸上風(fēng)電廠和11個(gè)大型海上風(fēng)電廠的空間分布和建造規(guī)模，并基于技術(shù)學(xué)習(xí)對(duì)成本的影響優(yōu)化各電廠的建造時(shí)間，制定了中國(guó)加速發(fā)展太陽能和風(fēng)能發(fā)電替代化石燃料的中長(zhǎng)期建設(shè)方案。

為了實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，如果按照當(dāng)前規(guī)劃的太陽能和風(fēng)能發(fā)電的建造速度，我國(guó)太陽能和風(fēng)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(shè)施，而這些設(shè)施每年需要接近20萬億千瓦時(shí)的裝機(jī)量，經(jīng)濟(jì)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(fēng)能發(fā)電，發(fā)電量可從每年9萬億千瓦時(shí)增加到每年15萬億千瓦時(shí)，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(fēng)能資源的潛力。”王戎說。

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

為區(qū)域發(fā)展提供新動(dòng)能

我國(guó)的太陽能和風(fēng)能資源主要分布在經(jīng)濟(jì)相對(duì)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(shí)，也會(huì)給西部地區(qū)帶來潛在的經(jīng)濟(jì)收益，促進(jìn)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

在優(yōu)化的太陽能和風(fēng)能發(fā)展路徑的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)解析了區(qū)域間的資金流動(dòng)情況。王戎介紹，如果采用每噸二氧化碳700元的價(jià)格，到2060年，光電和風(fēng)電的資金流動(dòng)將達(dá)到年均7萬億元。

其中，光電和風(fēng)電的電力傳輸產(chǎn)生的最大資金流是從華東流向西北，將達(dá)到每年約1.4萬億元的規(guī)模。而優(yōu)化光電和風(fēng)電的空間布局可以使經(jīng)濟(jì)相對(duì)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(yù)估，新疆地區(qū)是未來最重要的太陽能和風(fēng)能資源所在地。”王戎表示。

2060年，新疆地區(qū)的光伏和風(fēng)電廠預(yù)計(jì)可達(dá)255個(gè)，裝機(jī)容量約為23億千瓦，而配套特高壓線路總?cè)萘繉⑦_(dá)到20億千瓦，儲(chǔ)能設(shè)施容量也將達(dá)到2.7億千瓦，根據(jù)當(dāng)前化石燃料價(jià)格推算出相關(guān)的年收益可達(dá)3800億元。

通過建立高分辨率的地球數(shù)字智能信息復(fù)雜系統(tǒng)，該研究發(fā)現(xiàn)，即使未來技術(shù)發(fā)展進(jìn)一步降低光伏和風(fēng)機(jī)的成本，但考慮到新建太陽能光伏和風(fēng)力發(fā)電廠的技術(shù)挑戰(zhàn)，仍需擴(kuò)大當(dāng)前的清潔能源投資規(guī)模，加快國(guó)家電力系統(tǒng)升級(jí)速度，特別是需要發(fā)展超大規(guī)模光伏和風(fēng)能發(fā)電及高壓輸電的技術(shù)，提高太陽能、風(fēng)能在我國(guó)未來能源生產(chǎn)中的比重，降低電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級(jí)、實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)成本。

“易獲取的清潔能源是有限的，但我國(guó)可以加大清潔能源投資、優(yōu)化源荷調(diào)控、加強(qiáng)配套設(shè)施建設(shè)，大幅降低太陽能、風(fēng)能的成本。”王戎說。

研究結(jié)果指出，在考慮技術(shù)進(jìn)步等因素后，未來10年的發(fā)展規(guī)劃對(duì)于我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)非常關(guān)鍵。優(yōu)化當(dāng)前清潔能源發(fā)展的規(guī)劃和布局，可以避免在后期承擔(dān)更大的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，升級(jí)國(guó)家電力系統(tǒng)后，發(fā)展太陽能和風(fēng)能將會(huì)使區(qū)域間產(chǎn)生資金流動(dòng)，為西部地區(qū)帶來收益，從而進(jìn)一步為區(qū)域發(fā)展提供新動(dòng)能。

相關(guān)論文信息：

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