研究論文
姚凌、姜侯、秦軍等在Nature Communications 發(fā)文提出構建全球風光互聯(lián)電網(wǎng)以應對未來電力需求
文章來源： | 發(fā)布時間：2025-06-04 | 【打印】 【關閉】
在全球能源結構加速向低碳轉(zhuǎn)型的背景下，如何高效整合可再生能源成為關鍵議題。光伏和風電已成為能源系統(tǒng)去碳化的核心，然而這類能源高度依賴氣象條件，存在顯著的間歇性和不確定性，對維持供需平衡構成重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)應對方案多依賴儲能系統(tǒng)或調(diào)峰電源，成本高昂、風險大，當風光滲透率接近甚至達到100%時，發(fā)電與負荷錯配所帶來的系統(tǒng)風險可能會遠超依賴化石能源的風險。近年來，跨區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)被視為突破可變可再生能源瓶頸的前景方案，通過電力跨境流動，可實現(xiàn)不同區(qū)域間的時空互補，提高資源利用效率。然而，現(xiàn)有研究多停留在宏觀層面，缺乏對地理適宜性、電網(wǎng)布局、儲能調(diào)度等核心要素的系統(tǒng)性分析。
作者系統(tǒng)評估了全球互聯(lián)的太陽能-風能系統(tǒng)在滿足未來電力需求方面的可行性與效益。通過整合高分辨率空間（500?米）和時間（每小時）數(shù)據(jù)，全面評估了考慮太陽能和風能可開發(fā)性、可獲取性和互聯(lián)性的全球潛力。通過開發(fā)多目標空間優(yōu)化框架，確定了具有成本效益和資源效率的互聯(lián)戰(zhàn)略，提供了有關太陽能-風能發(fā)電廠的空間分布與部署時間、儲能和輸電能力的區(qū)域分配，以及全球互聯(lián)的潛在效益和風險的寶貴見解。該工作推動了對全球能源互聯(lián)的更細致理解，并為實現(xiàn)這一愿景提供了具體的可參照的實現(xiàn)路徑。
結果表明，全球可互聯(lián)的太陽能與風能發(fā)電潛力高達237×103 TWh/年，約為2050年預期用電量的3倍。但資源與需求間存在顯著錯配，例如東南亞和南歐潛力不足，而中亞和非洲部分地區(qū)則遠超需求。在時段上也存在差異，亞洲東部在夜間時段發(fā)電短缺，而西歐與非洲中部則出現(xiàn)過剩。這一結構性不均衡凸顯了推進跨區(qū)域電力互聯(lián)的必要性。全球光伏-風能早期部署傾向于靠近人口中心、提升本地供電能力；隨著互聯(lián)程度提升，風光發(fā)展逐步向資源優(yōu)勢區(qū)域傾斜。到2040年代，洲際互聯(lián)將促進非洲北部與亞洲西部資源開發(fā)；至2050年代，美洲南北成為主要新增部署區(qū)域，跨洲電力走廊建設將成重點。優(yōu)化后的方案投資約117萬億美元，僅為最高估算值的54%。靈活性高的電網(wǎng)擁有更多的可選發(fā)展途徑，提高了系統(tǒng)演化過程中的靈活性和容錯性。
全球互聯(lián)顯著提升了風光資源利用效率，降低了實現(xiàn)凈零排放目標的總體成本。相較區(qū)域獨立方案，全球互聯(lián)方案可減少22.1%的發(fā)電裝機容量和41.6%的儲能功率需求，發(fā)電波動下降至8%以下，風光滲透率提升5.1%，整體投資成本下降至84.2%，可節(jié)省約22.5萬億美元。全球互聯(lián)有助于提升供電穩(wěn)定性和能源可用性。2050年代電力交易量預計將達38.5×103 TWh/年，是2030年代的近14倍。這種跨區(qū)域能源流動有望緩解當前資源錯配問題，全球能源不平等顯著改善，基尼系數(shù)由0.327降至0.173。在投資分布上，全球互聯(lián)方案還緩解了發(fā)展中地區(qū)的經(jīng)濟壓力，避免了因清潔能源轉(zhuǎn)型導致的過度財政負擔，提升了全球能源轉(zhuǎn)型的公平性與可持續(xù)性。
全球互聯(lián)大幅提升了系統(tǒng)應對氣候變化、極端天氣、政策不協(xié)調(diào)、地緣政治沖突與市場競爭等不確定性的能力。太陽輻射、風速或負荷發(fā)生波動導致的全球電力供應不確定性低于0.1%；在極端天氣下，單一區(qū)域斷電導致的風光供應損失僅為2.6%。然而，全球互聯(lián)的系統(tǒng)穩(wěn)定性受到地區(qū)政策與地緣因素的干擾。若各區(qū)域轉(zhuǎn)向能源自給，將打破供需平衡，導致亞洲與非洲部分區(qū)域的風光削減量大幅上升。在極端情形下，全球電力削減量可能上升逾40%。此外，輸電節(jié)點故障、互聯(lián)線路中斷及價格競爭也可能放大區(qū)域風險。例如，亞洲東部若失去與東歐的連接，電力缺口可達15%。研究強調(diào)，確保全球互聯(lián)系統(tǒng)長期可靠性，需依賴穩(wěn)定的地緣環(huán)境、協(xié)調(diào)的政策機制與公平的市場規(guī)則。
本研究為全球太陽能與風能互聯(lián)系統(tǒng)提供了系統(tǒng)性路線圖，突破了傳統(tǒng)概念驗證和區(qū)域案例的局限，首次實現(xiàn)對可互聯(lián)風光潛力的空間估算與盈余—短缺區(qū)域識別，明確了跨區(qū)域能源調(diào)配的必要性。通過多目標優(yōu)化，研究提出了具成本效益的部署路徑，兼顧資源均衡、削減最小化與系統(tǒng)效率。相較以往僅聚焦碳中和潛力的研究，該成果更關注實施可行性與風險應對，在能源獲取公平性和系統(tǒng)韌性方面提供了可量化的政策建議。
研究成果以“Globally interconnected solar-wind system addresses future electricity demands”為題，于2025年5月15日在線發(fā)表在Nature子刊《Nature Communications》。中國科學院地理資源所姜侯副研究員、秦軍研究員和中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院柏永青助理研究員為共同第一作者，中國科學院地理資源所姚凌研究員、周成虎研究員為共同通訊作者。合作者包括哥本哈根大學Martin Brandt教授、北京大學連旭研究員、斯坦福大學Steve J. Davis教授、哥倫比亞大學趙文利博士、中國科學院地理科學與資源研究所呂寧副研究員和劉唐助理研究員等。研究得到了中國科學院B類戰(zhàn)略性先導科技專項“數(shù)據(jù)-模型驅(qū)動地理智能系統(tǒng)與典型場景應用”和國家自然科學基金等項目資助。
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文章信息：
Jiang, H.ψ, Yao, L.*, Qin, J.ψ, Bai, Y.ψ, M. Brandt, Lian, X., S. J. Davis, Lu, N., Zhao, W., Liu, T., Zhou, C*. Globally interconnected solar-wind system addresses future electricity demands.?Nature Communications?16,?4523 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-59879-9
文章鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-59879-9
圖 1. 全球可互聯(lián)的太陽能和風能發(fā)電潛力
圖 2. 全球互聯(lián)情景下光伏、風能、儲能和輸電能力的最優(yōu)分階段配置
圖 3. 全球互聯(lián)對電力供應和獲取的潛在益處
圖 4. 全球互聯(lián)系統(tǒng)應對極端或不可預見情況的復原力
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