Nature再发复旦大学王戎团队研究成果！太阳能和风能资源的潜力会是无限的吗？

7月26日，复旦大学环境科学与工程系、IRDR国际卓越中心王戎团队在《自然》杂志（Nature）在线发表题为“Accelerating the energy transition towards photovoltaic and wind in China”（注：《加速中国光伏发电和风电的能源转型》）的研究论文，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2060年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。

在研究中，王戎团队基于高时空分辨率的地球智能信息数据系统，优化电厂建造的空间位置和发电量，统筹发展基础配套设施建设（特高压线路UHV和储能设施），协调各省份发电和用电负荷实现（电）源（负）荷互动，并预估未来技术进步的影响，实现未来40年的能源系统转型动态数学建模，构建了2021-2060年期间中国使用大规模太阳能光伏和风能电厂替代化石燃料的优化模型，提出了低成本且高效用的能源转型方案，揭示了大幅降低发电成本、提高电力使用效率、加速脱贫进程和实现碳中和目标的可能性，强调了增加当前升级电力系统投资对于实现中国2060年碳中和目标的重要性，为我国“碳中和”目标下能源转型提供了科学建议。

建立复旦大学地球数字智能信息复杂系统，预估我国太阳能和风能开发的最优发展路径

以往研究由于缺乏高时空分辨率的地球数字智能信息系统，不能准确量化中国太阳能光伏和风能的发电潜力和变化趋势，导致在气候治理的综合评估中无法准确预估能源转型的最佳路径。

复旦领衔的研究团队基于地球系统中多年太阳辐射和风速的小时空间数据，综合考虑国家行政区划、土地类型、气候条件、地形、海拔、陆地自然保护区、海上航线、海水深度、海洋自然保护区、特高压变电站位置等空间地理信息，建立高时空分辨率的数字地球智能网络，基于五种不同的电厂形态分布和电厂各组件成本，协调统筹发展特高压线路电力运输、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（LCOE）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光伏和风能发电替代化石燃料的中长期建设方案。

在2060年碳中和条件下，该研究通过综合考虑陆地碳汇、非电力部门电气化以及除光伏和风能以外的可再生能源发电量，比较了发展太阳能光伏和风能发电与使用其它清洁能源（水电、生物质、核能等）对成本的影响，并分析了增加特高压输电线路投资对光伏和风力发电成本的影响。结果表明，为了达到2060年碳中和目标，如果按照当前规划的太阳能光伏和风能发电建造速度，太阳能和风能资源相对有限，需要较多的碳捕获与封存（每年需要接近20万亿千瓦时的装机量），造成较高的减排经济成本，而该研究的优化模型以较低的成本增加太阳能光伏和风能发电，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元降低到每吨二氧化碳约40元，大大增加了太阳能和风能资源的潜力，因此，增加太阳能光伏和风能有效的发电量可以降低碳减排总成本，加快我国清洁能源的发展速度。

优化光电和风电空间布局，实现碳中和目标，为地区发展提供新动力

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，区域间的电力运输在提升用电效率的同时，会给西部地区带来潜在的经济收益，促进地区经济发展。

该研究基于优化的太阳能光伏和风能发展路径，解析了区域之间的资金流动情况，并量化了加快太阳能光伏和风能发展速度对减小贫富差距的影响。如果采用每吨二氧化碳700元的碳价，到2060年，光伏和风能发电的资金流动将达到年均7万亿元，是当前中国扶贫年均投资的15倍，其中，光伏发电和风电电力传输导致最大的资金流是从华东流向西北（将达到每年约14000亿元的规模），优化光电和风电的空间布局可以使最贫困的居民受益，其中西北地区的人均收入从21万元将增加到25万元。比如，复旦模型预估我国新疆地区是未来最重要的太阳能和风能资源所在地，在2060年光伏和风电厂可达到255个，装机容量约为23亿千瓦，但配套特高压线路总容量将达到20亿千瓦，储能设施容量需达到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到3800亿元。

领先世界的中国光伏发电和风电在高速发展，但考虑到未来中国经济高速发展需要大量的电力能源，为实现2060年的碳中和目标，仍需加快能源系统的清洁低碳转型。

通过建立高分辨率的数字地球智能电力系统大数据网络，该研究发现，即使未来技术进步会进一步降低光伏和风机的成本，但考虑到未来新建太阳能光伏和风能发电厂的技术挑战，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，提高建造超大规模光伏和风能发电和高压输电的技术，降低我国电力系统实现碳中和的经济成本。

图1：我国实现2060年碳中和的电力系统转型路径

图2：优化未来四十年发展太阳能光伏和风能发电的时空布局

图3：优化太阳能和风能的电力系统对碳减排成本的影响

图4：发展太阳能和风能发电对地区人均收入的影响

作为该研究的重要结论，由于易获取的清洁能源是有限的，我国需要扩大清洁能源投资、优化源荷调控、加强配套设施建设。该研究提出了中国加速发展风电和光电实现碳中和目标的最优路径，在考虑技术进步等因素后，未来十年的发展规划对于我国实现2060年碳中和目标非常关键，优化当前国家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导致区域间资金流动，为西部地区带来收益，进一步减少贫困人口，为区域发展提供新的动力。

团队长期从事气候变化与能源系统前沿研究，不断取得阶段性成果

复旦大学环境科学与工程系博士研究生王怡静为论文第一作者，第一届“上海科技青年35人引领计划”的入选者、青年研究员王戎为通讯作者，复旦大学张人禾教授（中国科学院院士）、陈建民教授（欧洲科学院院士）、汤绪教授、王琳教授为重要共同作者，中国科学院大气物理所、法国气候变化中心、日本国立环境研究所、塞浦路斯研究所气候与大气研究中心、西班牙全球生态研究所为重要合作单位。该项工作得到了国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金的资助。

为推动我国实现“双碳”目标，王戎团队长期从事气候变化与能源系统的前沿研究，并不断取得阶段性成果，本次成果为团队在《自然》杂志上发表的第二篇研究论文。

2022年9月7日，研究团队首次在《自然》杂志发表题为“Delayed use of bioenergy crops might threaten climate and food security”的研究论文（https://doi.org/10.1038/s41586-022-05055-8），从地球系统反馈角度率先提出了气候变化对生物质能源技术的负反馈机制，揭示了气候减排系统的临界点。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06180-8