為了達(dá)成“雙碳”目標(biāo)，應(yīng)對(duì)全球氣候變化，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)正在加快實(shí)現(xiàn)從高污染化石燃料向低污染清潔能源的轉(zhuǎn)型，以太陽(yáng)能和風(fēng)能為代表的清潔能源成為發(fā)展熱點(diǎn)。
雖然這類清潔能源的成本在不斷下降，但由于國(guó)家未來(lái)高質(zhì)量發(fā)展對(duì)能源的巨大需求，切實(shí)探明未來(lái)氣候變化背景下的能源安全風(fēng)險(xiǎn)，提出科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)高效的清潔能源發(fā)展規(guī)劃，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要的科學(xué)意義。
7月26日，上海復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系、IRDR國(guó)際卓越中心王戎團(tuán)隊(duì)在《自然》（Nature）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)2060年碳中和目標(biāo)的最優(yōu)路徑，并揭示了中國(guó)太陽(yáng)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)的能源要素里，煤炭占大頭，發(fā)揮了“壓艙石”的作用。但是帶來(lái)的負(fù)效應(yīng)也極為明顯，環(huán)境、生態(tài)、氣候壓力巨大。煤電占比高導(dǎo)致我國(guó)能源消耗消費(fèi)產(chǎn)生的二氧化碳排放強(qiáng)度高于世界平均水平。
依賴化石燃料工業(yè)的發(fā)展已經(jīng)到了瓶頸期，加快新能源發(fā)展成了當(dāng)務(wù)之急。近年來(lái)，可再生能源飛速發(fā)展，尤其是太陽(yáng)能和風(fēng)能在我國(guó)的能源比重中不斷提升，成效顯著。
無(wú)論是從環(huán)境保護(hù)還是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度出發(fā)，太陽(yáng)能、風(fēng)能資源研究都非常重要。
“太陽(yáng)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。太陽(yáng)能、風(fēng)能還會(huì)帶動(dòng)一系列相關(guān)產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。”王戎在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示。
比如，生產(chǎn)太陽(yáng)能所需電板的半導(dǎo)體材料、風(fēng)機(jī)所需的芯片、能實(shí)時(shí)掌控風(fēng)速風(fēng)向的人工智能技術(shù)等等。
“如果整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈能發(fā)展起來(lái)，而且我國(guó)能夠提前布局的話，這將是我國(guó)在未來(lái)全球競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位的好契機(jī)。”王戎說(shuō)。
2018年起，長(zhǎng)期從事大氣化學(xué)模型研究的王戎在回國(guó)后把研究重心轉(zhuǎn)移到了能源上，希望能找到一條適合中國(guó)國(guó)情的、發(fā)展太陽(yáng)能和風(fēng)能的最優(yōu)道路，并為我國(guó)“碳中和”目標(biāo)下能源轉(zhuǎn)型提供一些科學(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(yáng)能和風(fēng)能的研究有很多，每年發(fā)表的文章此起彼伏，但是以往的研究有一個(gè)局限，那就是缺乏高時(shí)空分辨率的地球數(shù)字智能信息復(fù)雜系統(tǒng)，所以并不能準(zhǔn)確反映中國(guó)太陽(yáng)能光伏和風(fēng)能的發(fā)電潛力和變化趨勢(shì)，導(dǎo)致在氣候治理的綜合評(píng)估中無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)估能源轉(zhuǎn)型的最佳路徑和減排潛力。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)非常需要一個(gè)高分辨率的地球系統(tǒng)模型，恰好中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所建的“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”，為這項(xiàng)研究的開(kāi)展提供了地球系統(tǒng)多年太陽(yáng)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)從一個(gè)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(shuō)。
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(yáng)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)出的電能需要運(yùn)輸?shù)饺珖?guó)各地，就得建立特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)。此外，我國(guó)儲(chǔ)能潛力也不夠，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。
研究的關(guān)鍵是需要把地球系統(tǒng)與電力系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。
研究團(tuán)隊(duì)基于地球系統(tǒng)中多年太陽(yáng)輻射和風(fēng)速的小時(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、海拔、陸地自然保護(hù)區(qū)、海上航線、海水深度、海洋自然保護(hù)區(qū)、特高壓變電站位置等空間地理信息，才建立起高時(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，他們協(xié)調(diào)統(tǒng)籌發(fā)展特高壓線路電力運(yùn)輸、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（LCOE）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(yáng)能光伏和風(fēng)能發(fā)電替代化石燃料的中長(zhǎng)期建設(shè)方案。
為了達(dá)到2060年碳中和目標(biāo)，如果按照當(dāng)前規(guī)劃的太陽(yáng)能光伏和風(fēng)能發(fā)電建造速度，太陽(yáng)能和風(fēng)能資源會(huì)無(wú)法滿足未來(lái)的能源需求，需要采用大量的碳捕獲與封存設(shè)施（每年需要接近20萬(wàn)億千瓦時(shí)的裝機(jī)量），造成較高的經(jīng)濟(jì)成本。
“我們研究的優(yōu)化模型以較低的成本增加太陽(yáng)能光伏和風(fēng)能發(fā)電，發(fā)電量可從每年9萬(wàn)億千瓦時(shí)增加到每年15萬(wàn)億千瓦時(shí)，減排成本可從每噸二氧化碳約700元降低到每噸二氧化碳約40元，大大增加了使用太陽(yáng)能和風(fēng)能資源的潛力。”王戎介紹。
這也說(shuō)明，增加太陽(yáng)能光伏和風(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。
為地區(qū)發(fā)展提供新動(dòng)力
我國(guó)的太陽(yáng)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)域間的電力運(yùn)輸在提升用電效率的同時(shí)，也會(huì)給西部地區(qū)帶來(lái)潛在的經(jīng)濟(jì)收益，促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
在優(yōu)化的太陽(yáng)能光伏和風(fēng)能發(fā)展路徑基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)解析了區(qū)域之間的資金流動(dòng)情況。
王戎介紹，如果采用每噸二氧化碳700元的碳價(jià)，到2060年，光伏和風(fēng)能發(fā)電的資金流動(dòng)將達(dá)到年均7萬(wàn)億元，是當(dāng)前中國(guó)扶貧年均投資的15倍。
其中，光伏發(fā)電和風(fēng)電電力傳輸導(dǎo)致最大的資金流是從華東流向西北（將達(dá)到每年約14000億元的規(guī)模），優(yōu)化光電和風(fēng)電的空間布局可以使最貧困的居民受益，其中西北地區(qū)的人均收入從21萬(wàn)元將可能增加到25萬(wàn)元。
“根據(jù)我們的模型預(yù)估，我國(guó)新疆地區(qū)是未來(lái)最重要的太陽(yáng)能和風(fēng)能資源所在地。”王戎表示。
在2060年，新疆地區(qū)光伏和風(fēng)電廠可達(dá)到255個(gè)，裝機(jī)容量約為23億千瓦，但配套特高壓線路總?cè)萘繉⑦_(dá)到20億千瓦，儲(chǔ)能設(shè)施容量需達(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)到3800億元。
通過(guò)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(lái)技術(shù)發(fā)展會(huì)進(jìn)一步降低光伏和風(fēng)機(jī)的成本，但考慮到未來(lái)新建太陽(yáng)能光伏和風(fēng)能發(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)展建造超大規(guī)模光伏和風(fēng)能發(fā)電和高壓輸電的技術(shù)，提高太陽(yáng)能、風(fēng)能在我國(guó)未來(lái)能源生產(chǎn)中的比重，降低我國(guó)電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型實(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)可以擴(kuò)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(yáng)能、風(fēng)能的成本。”王戎說(shuō)。
研究結(jié)果指出，在考慮技術(shù)進(jìn)步等因素后，未來(lái)十年的發(fā)展規(guī)劃對(duì)于我國(guó)實(shí)現(xiàn)2060年碳中和目標(biāo)非常關(guān)鍵，優(yōu)化當(dāng)前國(guó)家清潔能源發(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(yáng)能和風(fēng)能將會(huì)導(dǎo)致區(qū)域間資金流動(dòng)，為西部地區(qū)帶來(lái)收益，進(jìn)一步減少貧困人口，為區(qū)域發(fā)展提供新的動(dòng)力。
原標(biāo)題：我國(guó)太陽(yáng)能和風(fēng)能開(kāi)發(fā)有最優(yōu)路徑
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