7月26日，復旦大學環(huán)境科學與工程系、IRDR國際卓越中心王戎團隊在《自然》雜志（Nature）在線發(fā)表題為“Accelerating the energy transition towards photovoltaic and wind in China”（注：《加速中國光伏發(fā)電和風電的能源轉(zhuǎn)型》）的研究論文，首次從能源系統(tǒng)統(tǒng)籌的角度提出了中國加速發(fā)展光電和風電、實現(xiàn)2060年碳中和目標的最優(yōu)路徑，并揭示了中國太陽能和風能資源的潛力和成本。

在研究中，王戎團隊基于高時空分辨率的地球智能信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)，優(yōu)化電廠建造的空間位置和發(fā)電量，統(tǒng)籌發(fā)展基礎(chǔ)配套設(shè)施建設(shè)（特高壓線路UHV和儲能設(shè)施），協(xié)調(diào)各省份發(fā)電和用電負荷實現(xiàn)（電）源（負）荷互動，并預(yù)估未來技術(shù)進步的影響，實現(xiàn)未來40年的能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型動態(tài)數(shù)學建模，構(gòu)建了2021-2060年期間中國使用大規(guī)模太陽能光伏和風能電廠替代化石燃料的優(yōu)化模型，提出了低成本且高效用的能源轉(zhuǎn)型方案，揭示了大幅降低發(fā)電成本、提高電力使用效率、加速脫貧進程和實現(xiàn)碳中和目標的可能性，強調(diào)了增加當前升級電力系統(tǒng)投資對于實現(xiàn)中國2060年碳中和目標的重要性，為我國“碳中和”目標下能源轉(zhuǎn)型提供了科學建議。

建立復旦大學地球數(shù)字智能信息復雜系統(tǒng)，預(yù)估我國太陽能和風能開發(fā)的最優(yōu)發(fā)展路徑

以往研究由于缺乏高時空分辨率的地球數(shù)字智能信息系統(tǒng)，不能準確量化中國太陽能光伏和風能的發(fā)電潛力和變化趨勢，導致在氣候治理的綜合評估中無法準確預(yù)估能源轉(zhuǎn)型的最佳路徑。

復旦領(lǐng)銜的研究團隊基于地球系統(tǒng)中多年太陽輻射和風速的小時空間數(shù)據(jù)，綜合考慮國家行政區(qū)劃、土地類型、氣候條件、地形、海拔、陸地自然保護區(qū)、海上航線、海水深度、海洋自然保護區(qū)、特高壓變電站位置等空間地理信息，建立高時空分辨率的數(shù)字地球智能網(wǎng)絡(luò)，基于五種不同的電廠形態(tài)分布和電廠各組件成本，協(xié)調(diào)統(tǒng)籌發(fā)展特高壓線路電力運輸、選擇合適的儲能系統(tǒng)類型、優(yōu)化用電端電力負荷，根據(jù)平準化度電成本（LCOE）最低的原則優(yōu)化出2767個光伏電廠、1066個陸上風電廠和11個大型海上風電廠的空間分布和建造規(guī)模，并基于技術(shù)學習對成本的影響優(yōu)化各電廠的建造時間，制定了中國加速發(fā)展太陽能光伏和風能發(fā)電替代化石燃料的中長期建設(shè)方案。

在2060年碳中和條件下，該研究通過綜合考慮陸地碳匯、非電力部門電氣化以及除光伏和風能以外的可再生能源發(fā)電量，比較了發(fā)展太陽能光伏和風能發(fā)電與使用其它清潔能源（水電、生物質(zhì)、核能等）對成本的影響，并分析了增加特高壓輸電線路投資對光伏和風力發(fā)電成本的影響。結(jié)果表明，為了達到2060年碳中和目標，如果按照當前規(guī)劃的太陽能光伏和風能發(fā)電建造速度，太陽能和風能資源相對有限，需要較多的碳捕獲與封存（每年需要接近20萬億千瓦時的裝機量），造成較高的減排經(jīng)濟成本，而該研究的優(yōu)化模型以較低的成本增加太陽能光伏和風能發(fā)電，發(fā)電量可從每年9萬億千瓦時增加到每年15萬億千瓦時，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，大大增加了太陽能和風能資源的潛力，因此，增加太陽能光伏和風能有效的發(fā)電量可以降低碳減排總成本，加快我國清潔能源的發(fā)展速度。

優(yōu)化光電和風電空間布局，實現(xiàn)碳中和目標，為地區(qū)發(fā)展提供新動力

我國的太陽能和風能資源主要分布在經(jīng)濟相對落后的西部地區(qū)，區(qū)域間的電力運輸在提升用電效率的同時，會給西部地區(qū)帶來潛在的經(jīng)濟收益，促進地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展。

該研究基于優(yōu)化的太陽能光伏和風能發(fā)展路徑，解析了區(qū)域之間的資金流動情況，并量化了加快太陽能光伏和風能發(fā)展速度對減小貧富差距的影響。如果采用每噸二氧化碳700元的碳價，到2060年，光伏和風能發(fā)電的資金流動將達到年均7萬億元，是當前中國扶貧年均投資的15倍，其中，光伏發(fā)電和風電電力傳輸導致最大的資金流是從華東流向西北（將達到每年約14000億元的規(guī)模），優(yōu)化光電和風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21萬元將增加到25萬元。比如，復旦模型預(yù)估我國新疆地區(qū)是未來最重要的太陽能和風能資源所在地，在2060年光伏和風電廠可達到255個，裝機容量約為23億千瓦，但配套特高壓線路總?cè)萘繉⑦_到20億千瓦，儲能設(shè)施容量需達到2.7億千瓦，根據(jù)當前化石燃料價格推算出相關(guān)的年收益可達到3800億元。

領(lǐng)先世界的中國光伏發(fā)電和風電在高速發(fā)展，但考慮到未來中國經(jīng)濟高速發(fā)展需要大量的電力能源，為實現(xiàn)2060年的碳中和目標，仍需加快能源系統(tǒng)的清潔低碳轉(zhuǎn)型。

通過建立高分辨率的數(shù)字地球智能電力系統(tǒng)大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，該研究發(fā)現(xiàn)，即使未來技術(shù)進步會進一步降低光伏和風機的成本，但考慮到未來新建太陽能光伏和風能發(fā)電廠的技術(shù)挑戰(zhàn)，仍需擴大當前的清潔能源投資規(guī)模，加快國家電力系統(tǒng)升級速度，提高建造超大規(guī)模光伏和風能發(fā)電和高壓輸電的技術(shù)，降低我國電力系統(tǒng)實現(xiàn)碳中和的經(jīng)濟成本。

圖1：我國實現(xiàn)2060年碳中和的電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型路徑

圖2：優(yōu)化未來四十年發(fā)展太陽能光伏和風能發(fā)電的時空布局

圖3：優(yōu)化太陽能和風能的電力系統(tǒng)對碳減排成本的影響

圖4：發(fā)展太陽能和風能發(fā)電對地區(qū)人均收入的影響

作為該研究的重要結(jié)論，由于易獲取的清潔能源是有限的，我國需要擴大清潔能源投資、優(yōu)化源荷調(diào)控、加強配套設(shè)施建設(shè)。該研究提出了中國加速發(fā)展風電和光電實現(xiàn)碳中和目標的最優(yōu)路徑，在考慮技術(shù)進步等因素后，未來十年的發(fā)展規(guī)劃對于我國實現(xiàn)2060年碳中和目標非常關(guān)鍵，優(yōu)化當前國家清潔能源發(fā)展的規(guī)劃和布局，可以避免在后期承擔更大的經(jīng)濟損失。同時，升級國家電力系統(tǒng)后，發(fā)展太陽能和風能將會導致區(qū)域間資金流動，為西部地區(qū)帶來收益，進一步減少貧困人口，為區(qū)域發(fā)展提供新的動力。

團隊長期從事氣候變化與能源系統(tǒng)前沿研究，不斷取得階段性成果

復旦大學環(huán)境科學與工程系博士研究生王怡靜為論文第一作者，第一屆“上海科技青年35人引領(lǐng)計劃”的入選者、青年研究員王戎為通訊作者，復旦大學張人禾教授（中國科學院院士）、陳建民教授（歐洲科學院院士）、湯緒教授、王琳教授為重要共同作者，中國科學院大氣物理所、法國氣候變化中心、日本國立環(huán)境研究所、塞浦路斯研究所氣候與大氣研究中心、西班牙全球生態(tài)研究所為重要合作單位。該項工作得到了國家科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金的資助。

為推動我國實現(xiàn)“雙碳”目標，王戎團隊長期從事氣候變化與能源系統(tǒng)的前沿研究，并不斷取得階段性成果，本次成果為團隊在《自然》雜志上發(fā)表的第二篇研究論文。

2022年9月7日，研究團隊首次在《自然》雜志發(fā)表題為“Delayed use of bioenergy crops might threaten climate and food security”的研究論文（https://doi.org/10.1038/s41586-022-05055-8），從地球系統(tǒng)反饋角度率先提出了氣候變化對生物質(zhì)能源技術(shù)的負反饋機制，揭示了氣候減排系統(tǒng)的臨界點。

論文鏈接：

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