导读

复旦大学环境科学与工程系和IRDR国际卓越中心的王戎团队在《自然》杂志上发表了一篇研究论文，名为“Accelerating the energy transition towards photovoltaic and wind in China”（《加速中国光伏发电和风电的能源转型》）。这项研究从宏观的能源系统角度出发，展示了中国如何加速太阳能和风能的发展，以便在2060年之前达到碳中和的目标。王戎团队利用高时空分辨率的地球智能信息数据系统来定位最佳的电厂建设位置，同时优化其发电能力。团队还进行了对特高压输电线路（UHV）和储能设施的综合规划，以及各省份的发电和电力需求平衡。此外，研究还考虑了未来技术进步对能源系统的影响，通过对未来40年能源转型的动态数学建模，为中国在2021-2060年间大规模使用太阳能光伏和风能替代化石燃料制定了策略。

这项研究不仅揭示了太阳能和风能在降低成本和提高效率方面的巨大潜力，还强调了加速电力系统升级投资对于实现中国2060年碳中和目标的关键性。

01

我国太阳能和风能开发的最优发展路径预估

王戎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。

图1 优化太阳能和风能的电力系统对碳减排成本的影响

（来源：Nature）

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。

02

优化光电和风电空间布局实现碳中和目标

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。

按照每吨二氧化碳700元的碳价计算，到2060年，太阳能和风能产业将产生年均7万亿元的资金流动。这一数字是目前中国扶贫投资的15倍！而这一巨大的资金流，最主要的方向将是从经济发达的华东地区流向资源丰富的西北地区。如果优化光伏和风能的空间布局，那么最贫困的地区的居民将从中受益，尤其是西北地区，那里的人均收入将从21万元增加到25万元。其中，新疆地区无疑是这一趋势的最大受益者。预计到2060年，新疆地区的光伏和风电厂数量将达到255个，其装机容量更是高达23亿千瓦。为了支持这种发展，配套的特高压线路和储能设施的容量也将大幅增加。而根据当前的化石燃料价格，新疆地区仅从这两种清洁能源中就可以获得年收益达到3800亿元。

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

（图源：Nature）

尽管中国的光伏发电和风电技术在全球范围内均处于领先地位并持续高速发展，但考虑到国家未来经济的高速增长和对电力的巨大需求，要在2060年前达到碳中和目标，中国仍然面临巨大挑战。即使现有技术不断进步，未来太阳能光伏和风能发电的成本可能会进一步降低，但随之而来的技术挑战不容小觑。

图3 发展太阳能和风能发电对地区人均收入的影响

（图源：Nature）

单靠目前的技术和投资水平，要完成如此宏大的能源转型目标仍然非常困难。因此，为了更好地应对未来的挑战和不确定性，中国需要扩大清洁能源的投资，加快其电力系统的升级，提高大规模光伏和风能发电及高压输电的技术水平。

图4 我国实现2060年碳中和的电力系统转型路径

（图源：Nature）

03

结论与展望

鉴于可获得的清洁能源存量有限，我国有必要增加清洁能源的投资，改进源与负荷的协同调度，以及增强相关的配套设备建设。考虑到技术创新和其他相关因素，未来十年的能源战略对于中国达到2060年的碳中和承诺至关重要。通过现在重新规划和调整清洁能源的发展策略，可以避免在长远的未来遭受更大的经济压力。此外，随着电力系统的更新与升级，太阳能和风能的增长将促使资金在各区域之间流动，为经济较落后的西部带来利益，进而有助于缩小地区间的经济差距，为当地的发展注入新的活力。

参考文献

Wang, Y., Wang, R., Tanaka, K. et al. Accelerating the energy transition towards photovoltaic and wind in China. Nature 619, 761–767 (2023).

排版 | 王子露李妍如

审核 | 魏一凡王智慧车明遇刘小梦

太阳能和风能资源的潜力会是无限的吗