复旦大学王戎再发Nature

中国到2060年实现碳(C)中和的目标要求将光伏(PV)和风能从每年1PWh增加到10-15PWh。然而，根据可再生能源装机的历史速度，最近的高分辨率能源系统模型和基于中国“十四五”能源发展(CFED)的预测显示，到2060年，装机容量将达到每年5-9.5 PWh。

2023年7月26日，复旦大学王戎团队在Nature 在线发表题为“Accelerating the energy transition towards photovoltaic and wind in China”的研究论文，该研究表明，通过单独优化部署3,844个新的公用事业规模的光伏和风力发电厂，与特高压(UHV)输电和储能协调，并考虑到电力负荷灵活性和学习动态，光伏和风力发电的容量可以从每年9 PWh(对应于CFED路径)增加到每年15 PWh，同时将平均减排成本从每吨二氧化碳(tCO2)从97美元降低到6美元。

为实现这一目标，光伏和风能的年化投资应从2020年的770亿美元(目前水平)增加到2020年的1270亿美元，并进一步增加到2050年的4260亿美元。光伏和风力发电的大规模部署增加了最贫困地区居民的收入。该研究强调了通过建设储能、扩大输电容量和调整需求侧电力负荷来升级电力系统的重要性，以降低部署光伏和风电的经济成本，从而在中国实现碳中和。

另外，2022年9月7日，复旦大学王戎团队在Nature 杂志在线发表题为“Delayed use of bioenergy crops might threaten climate and food security”的研究论文，该研究通过在紧凑的地球系统模型中实施作物产量对生长季节温度、大气 CO2 浓度和氮 (N) 施肥强度增加的响应，来量化这种反馈的强度。超过气候变化的阈值会危及气候稳定并威胁粮食安全，从而导致社会生态系统发生变革性变化。这种失败的风险是由于对粮食的持续需求而扩大，导致农田扩张或氮肥强化，以弥补气候引起的产量损失。该研究结果加强了早期缓解的紧迫性，最好是到 2040 年，以避免不可逆转的气候变化和严重的粮食危机（点击阅读）。

所有国家都需要实现碳中和的雄心，以便在《巴黎协定》中将全球变暖限制在2°C以下。加速可再生能源的渗透是减缓气候变化的关键支柱。然而，为实现《巴黎协定》的目标，全球脱碳进程并未取得应有的进展。按照目前的政策，到本世纪末，全球气温可能会上升2.8°C。为了实现向低碳经济的全球转型，《联合国气候变化框架公约》第27次缔约方会议(COP27)建议每年投资4-6万亿美元，以加速可再生能源的渗透。然而，这些资金如何在可再生能源之间分配的细节仍然不清楚，这需要先进的空间明确模型来优化现有的电力系统，包括地理空间细节和协调基础设施。

自2000年以来，全球二氧化碳(CO2)排放量的快速增长主要是由发展中国家不断增长的能源需求推动的。脱碳在发展中国家可能比发达国家更具挑战性，但发展中国家的减缓对于实现气候目标是不可或缺的。中国人口占全球18%，二氧化碳排放量占全球28%，最近加强了其国家自主贡献，制定了到2060年实现碳中和的目标。在可再生能源中，光伏和风能的应用范围比水力发电更广，对粮食和生态系统的有害影响比生物能源小，而且成本可能比碳捕获和储存(CCS)更低。

在中国，实现碳中和需要在2020-2060年间将光伏和风能发电量从每年1PWh增加到每年10-15 PWh。然而，假设2010-2020年的年增长率为100 TWh，这一容量只能达到5 PWh，或者根据政府CFED计划的预测，每年只能达到9 PWh，或者根据最近的高分辨率能源系统模型，每年只能达到9.5 PWh。由于政府补贴的减少、输电基础设施的缺乏以及保护农业、工业和城市用地的限制，中国光伏和风力发电的增长也有可能放缓。

2021-2060年中国公用事业规模光伏和风力发电厂的选址、容量和建设时间优化（图源自Nature ）

在像中国这样幅员辽阔的国家，通过协调发电与输电和电力消耗，需要一种空间明确的方法来优化能源系统。考虑光伏和风能资源的空间异质性以及电力传输和存储需求的方法已经在欧洲和美国得到了发展，但电力负荷的灵活性和学习的跨期动态在中国的研究中很少得到解决。与之前的研究相比，该研究开发了一个统一的优化框架，该框架考虑了安装新光伏板和风力涡轮机、扩展现有特高压输电、存储能量、灵活的电力负荷和学习动态的地理空间容量。该研究强调了在升级电力系统和基础设施方面进行投资的必要性，以及增加居民收入的共同利益。

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。

原文链接：

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

转自：“iNature”微信公众号

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