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太阳能和风能是涉及到大气科学、地理学、经济学等诸多学科的复杂问题。太阳能除了涉及到太阳辐射、地理位置，还需要考虑空气中云的影响；而利用风能发电时，如果风向不稳定，发电效率就会很低，影响发电效益。 因此，如何能够获取到高分辨的地球系统和社会经济系统大数据，并能够与太阳能、风能相关的气象数据结合是领域内科学家们关注的焦点，也是研究的难点。  图丨王戎（来源：王戎） 为加速中国光伏发电和风电能源发展的进度，复旦大学青年研究员王戎团队创新性地从能源统筹学的角度，通过自然科学和社会经济学交叉的方法，提出了一种最优的解决方案。 该团队将超高分辨率的地球系统大数据和复杂的电力系统大数据进行耦合，发现了中国太阳能和风能资源发展的潜力过去被低估了。中国有望获取更高的光电和风电装机容量，2060 年其发电规模可以从 9 万亿千瓦时提高到 15 万亿千瓦时，解决 2060 年 60% 左右的全国电力总需求。 “这项研究提供了一个全面的模型，提出了中国当前到 2060 年大规模发展开发风能和太阳能发电的最优路径。这个模型在模拟细节上和方法上非常突出，产生的一个重要发现是太阳能和风能的成本依赖于风能和太阳能的发电量，通过优化系统可以有效降低成本，并提高风能和太阳能的发电量。”Nature 的审稿人对该研究评价道。 即当风能和太阳能需求增加时，廉价的风能和太阳能资源会是有限，导致使用昂贵的风能和太阳能资源。这个结论挑战了“风能和太阳能价格会持续下降”的一般认识，因此为优化电力系统提供了路径。  图丨相关论文（来源：Nature） 前不久，相关论文以《加速中国光伏发电和风电的能源转型》（Accelerating the energy transition towards photovoltaic and wind in China）为题发表在 Nature[1]。复旦大学王怡静（本科生直接读博士学位研究生）为论文第一作者，王戎为论文通讯作者。 实际上，这是王戎团队第二次就能源相关的问题在 Nature 发表论文。2022 年 9 月，王戎团队在 Nature 发表论文，从生物质能源的角度出发，讨论了解决气候变化的路径问题，对依赖未来大规模生物质能源的路径提出了质疑[2]。而这次的新研究则更加直接，从根本上强调了更多使用太阳能和风能解决全球气候变化问题的方案，以及如何实现不同新能源技术的融合。  图丨优化 2021-2060 年发展太阳能光伏和风能发电的时空布局（来源：Nature） 该团队面临的第一个挑战是，如何能够获取一套计算太阳能和风能发电潜力的自然资源数据。实际上，在国外的同类研究中，空间分辨率大约仅在 400km 左右。而该团队利用中国科学院大气物理研究所开发的地球系统数值模拟装置“寰”，可实现全球高精度环境模拟分辨率达到 1km，并解决了以往研究中时间不连续的难题。 他们解决的第二个难题是实现了未来电力智能系统的模拟，这需要充分地了解未来用电需求的变化。王戎表示：“在研究中最大的发现是对太阳能和风能价格的判断。在以往认知中，人们会认为太阳能和风能的价格会一直下降，而我们提出了相反的观点，原因是需求越高，廉价的太阳能和风能资源用尽时，只能采用一些相当昂贵的太阳能和风能资源。” 研究团队在论文中提到，中国廉价的太阳能、风能主要集中在河北、内蒙古等地区。未来如果这一带的资源用尽后，就会转移到西部的新疆、青海、甘肃等地区，但这需要通过高压输电的方式运到华北、华东等地区，并增加对储能的需求，会造成风能和太阳能成本的大幅上升。 该团队通过地球系统高分辨数据，识别出风速风向不稳定、太阳辐射波动等气象信息，并利用水电站以及电池储能的装置将一部分发出来的电储存起来，进而实现将发出来的电以最高效率使用，并尽量减少电力浪费的问题。同时，还能将其运输到空间上最需要电力的地区，例如上海、北京、广州等。 为解决该问题，研究团队在该研究提出来另外一种替代方案——中国在未来有没有可能调整工业布局？比如，把钢铁等高耗能的产业从东部地区转移至西部地区，这样，太阳能和风能资源发展潜力比较高的地区就会降低能源的使用成本，同时能够加快整个西部地区的经济发展。  图丨到 2060 年，通过在中国部署太阳能和风能来减少二氧化碳排放的成本（来源：Nature） 王戎团队计划将这项研究的范围从中国进一步扩展至全球区域。实际上，该团队已经将中国的碳中和路径与西班牙、德国、法国等不同国家进行比较。他们发现，每个国家都有不同特点，比如欧洲很多国家的电力需求不高，仅靠核电技术就能够满足当地的能源需求。 而中国的能源需求量很高，远远高于整个欧洲，因此只靠一种能源来满足中国的电力需求是不够的。与此同时，中国也具备非常好的太阳能和风能资源。例如，中国的华北和东北地区有大量的、优质的风力资源。 王戎表示，目前，研究团队正在将研究向全球推动，希望可以提供一种全球的范式。接下来，他们计划研究全球 193 个国家的相关数据。并与国际课题组合作，把该研究中同样的方法和数据用到国外的国家，希望通过这项研究能够增加中国在全球气候治理中的作用和地位。 他指出，中国是目前世界上太阳能和风能开发技术最领先的国家之一。“我们在研究中做了灵敏度分析，假如中国与国外'脱钩’，对相关成本的影响仅在 1%-2%，而美国的相关成本则会增加 50% 以上。我认为，未来国家应该继续加大太阳能和风能的投资。这不仅能够降低中国实现'碳中和’的经济成本，还能在未来全球的清洁能源市场中占据优势。”  图丨王戎团队（来源：王戎） 2020 年，中国正式提出“碳中和、碳达峰”的目标。作为该研究方向的研究者之一，王戎在该目标正式提出之前的七年，就已开始技术的累积和研究方向的调整。 他研究方向经历了从大气化学到能源系统研究的转变。2013 年，他获得北京大学的环境地理专业的博士学位。彼时，大家普遍关注的中国环境问题是空气污染，没多久后，国家出台了一系列碳中和政策。“我当时有一个判断，空气污染问题不会持续很久，我希望提前能够找到新的研究方向。”王戎说。 于是，他来到法国气候变化研究中心大气化学部从事博士后研究，专门研究地球系统中植被的变化对全球气候变化的影响。王戎认为，应该用所研究的课题真正地去解决实际问题，因此 2016 年，他来到美国斯坦福大学卡耐基科学研究院继续博士后研究。 “这个课题组探索性非常强，我对合作导师提出想研究气候变化的解决方案，他建议我尝试从经济学的角度去重新思考气候变化的问题。这几乎是从零开始的全新课题，好在经过不断努力和攻关，我逐渐积累起该方向的相关基础。”他说。 2018 年，王戎回国加入复旦大学任教并成立独立课题组，研究如何解决全球气候变化的问题，以及探索中国碳中和最优经济路径的问题（成本最低）。 气候系统中会不会存在气候的临界点？这是王戎团队最近正在研究的课题，目前，他们正在尝试通过采取相关措施，研究全球气温上升的速度。
“我们对每种能源都进行了筛选，包括生物质能源、氢能、核能、水能等，研究使用这些能源对未来全球气候、环境、生态系统的影响。我们希望通过自然科学与社会科学的交叉研究，为中国和全球提供全面、科学、可靠的未来能源系统评估。”王戎最后说道。 参考资料： 1.Wang, Y., Wang, R., Tanaka, K. et al. Accelerating the energy transition towards photovoltaic and wind in China. Nature 619, 761–767 (2023). https:///10.1038/s41586-023-06180-8 2.Xu, S., Wang, R., Gasser, T. et al. Delayed use of bioenergy crops might threaten climate and food security. Nature 609, 299–306 (2022). https:///10.1038/s41586-022-05055-8 |
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