【ZiDongHua 之“方案應(yīng)用場”收錄關(guān)鍵詞： 清華大學(xué) 人工智能 可持續(xù)發(fā)展】

　　

 

　　

　　可持續(xù)發(fā)展

 

　　Sustainability當(dāng)前，氣候變化威脅正在加劇，全球多地極端高溫和降水事件頻發(fā)，2024年為有氣象記錄以來最熱年份。作為《巴黎協(xié)定》的關(guān)鍵履約國，中國承諾2030年實現(xiàn)碳排放達峰、2060年實現(xiàn)碳中和。根據(jù)協(xié)定要求，各國將在2025年更新其國家自主貢獻（Nationally Determined Contribution，NDC）目標(biāo)，明確2035年的減排路線和關(guān)鍵指標(biāo)。在此背景下，電力行業(yè)作為中國碳排放的核心部門，能否實現(xiàn)脫碳轉(zhuǎn)型，將直接決定“雙碳”目標(biāo)的達成進度。

　　

　　在這一轉(zhuǎn)型關(guān)鍵期，近日，清華大學(xué)與加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究團隊在Cell Press細胞出版社旗下期刊Cell Reports Sustainability上發(fā)表研究論文《加速推進風(fēng)電光伏裝機目標(biāo)：助力中國和全球電力部門脫碳》（Ratcheting up wind and solar targets for decarbonizing the power sector in China and beyond），聚焦于風(fēng)電與光伏作為主力可再生能源的發(fā)展路徑，提出了更具前瞻性的目標(biāo)設(shè)定建議。文章指出，在電力需求快速增長、電氣化加速及氣候目標(biāo)更趨嚴(yán)格的背景下，中國有必要大幅提升風(fēng)光裝機與發(fā)電占比目標(biāo)，并在未來NDC框架中引入“清潔能源發(fā)電占比”這一新的指標(biāo)體系，以增強政策的導(dǎo)向性與可操作性。

 

 

 

　　長按識別二維碼閱讀論文研究亮點

　　

　　建立高時空分辨率的可再生能源布局與電力系統(tǒng)優(yōu)化（RESPO）模型，評估2035年前中國風(fēng)光發(fā)電裝機與發(fā)電占比路徑。中國需在2030年完成至少2350吉瓦（GW）風(fēng)光裝機部署，到2035年升至2910~3800吉瓦，并有望使風(fēng)光發(fā)電占比達49%~56%。提出在國家自主貢獻（NDC）中引入“清潔能源發(fā)電占比”目標(biāo)，以增強政策約束力和可操作性。

　　

　　研究成果

　　

　　風(fēng)光裝機應(yīng)持續(xù)提速，2035年目標(biāo)需成倍提升

　　

　　研究通過構(gòu)建高時空分辨率的可再生能源布局與電力系統(tǒng)優(yōu)化模型（RESPO），模擬出實現(xiàn)2°C氣候目標(biāo)情景下，中國在截至2030年需要部署的風(fēng)電與光伏裝機容量區(qū)間為2350至2780吉瓦，到2035年需進一步增長至2910至3800吉瓦。這意味著在當(dāng)前1200吉瓦風(fēng)光目標(biāo)已提前完成的基礎(chǔ)上，中國未來需在2025至2030年間維持年均150至220吉瓦的新增風(fēng)電光伏速度，2031至2035年間也需保持在120至210吉瓦的年增速。按技術(shù)類型來看，集中式光伏和陸上風(fēng)電仍將是中國風(fēng)光發(fā)展的主力，其中2035年陸上風(fēng)電裝機可能達到1910吉瓦，光伏裝機也將超過1400吉瓦。同時，分布式光伏與海上風(fēng)電也將持續(xù)擴張，分別達到470吉瓦與110吉瓦左右，如圖1所示。

 

　　

　　圖1. 2030年與2035年風(fēng)電及太陽能裝機容量對比。實線表示三種基準(zhǔn)情景下的風(fēng)電與太陽能總裝機容量，虛線對應(yīng)文中所述的未來情景。圖中的柱狀圖展示情景A1下不同技術(shù)類型的裝機容量，色帶則標(biāo)示未來情景下2035年結(jié)果的范圍。發(fā)電結(jié)構(gòu)顯著轉(zhuǎn)變，非化石能源成主導(dǎo)力量

　　

　　隨著風(fēng)光裝機規(guī)模的持續(xù)擴張，我國電力系統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)深刻變化。研究顯示，2024年風(fēng)電與太陽能在總發(fā)電中的占比為17.9%，到2030年有望提升至41%至46%，并在2035年進一步上升至49%至56%。更廣義來看，包括風(fēng)電、光伏、水電、核能與生物質(zhì)在內(nèi)的非化石能源，其在電力結(jié)構(gòu)中的占比預(yù)計將從2023年的33.7%上升至2030年的65%至68%，2035年進一步增至75%至79%。相應(yīng)地，煤電和天然氣等化石能源發(fā)電比重將逐步下滑，預(yù)計2035年將降至21%至25%的水平，如圖2所示。

　　

　　值得注意的是，研究進一步分析了可再生能源成本路徑、電力需求不確定性以及煤電退役等因素對系統(tǒng)建模結(jié)果的影響。結(jié)果顯示，不同場景下風(fēng)光裝機總量和發(fā)電結(jié)構(gòu)的變化幅度較小。這表明，中國具備在較為復(fù)雜的經(jīng)濟與政策環(huán)境下，穩(wěn)步推進風(fēng)光規(guī)?；l(fā)展的能力，也印證了過去十年中國在制造能力、技術(shù)降本、政策執(zhí)行等方面形成的綜合優(yōu)勢。

　　

　　建議設(shè)立“裝機+占比”雙重目標(biāo)以增強政策執(zhí)行力

　　

　　為增強2035版NDC目標(biāo)的清晰性與約束力，研究團隊建議，中國應(yīng)在延續(xù)現(xiàn)有風(fēng)光裝機容量目標(biāo)的基礎(chǔ)上，增設(shè)反映實際系統(tǒng)運行情況的發(fā)電結(jié)構(gòu)性目標(biāo)。具體而言，建議將2030年的風(fēng)光裝機目標(biāo)由目前的1200吉瓦上調(diào)至2200吉瓦，2035年明確提出不低于2800吉瓦的最低容量要求；同時，建議在國家氣候政策框架中新增“風(fēng)光發(fā)電占比”或“清潔能源發(fā)電占比”這一目標(biāo)類型，以提升政策導(dǎo)向的彈性和實效性。在發(fā)電結(jié)構(gòu)方面，研究建議2030年風(fēng)光發(fā)電應(yīng)占總發(fā)電量的40%左右，2035年提升至50%；而非化石能源整體發(fā)電占比則可分別設(shè)定為65%以上和70%以上。這種雙目標(biāo)設(shè)計模式，不僅能夠體現(xiàn)系統(tǒng)脫碳成果，也能更好適應(yīng)未來電氣化加速、電力需求波動等宏觀趨勢。

 

　　

　　圖2. 2030年與2035年清潔能源發(fā)電占比。實線表示三種基準(zhǔn)情景下風(fēng)能和太陽能資源的總發(fā)電占比，虛線為文本所述未來情景。圖中的柱狀圖顯示情景A1下風(fēng)能、太陽能、核能、水力發(fā)電及生物質(zhì)能的發(fā)電占比，色帶則表示未來情景下2035結(jié)果的范圍。結(jié)論

　　

　　本研究為中國2035年電力系統(tǒng)脫碳提供了數(shù)據(jù)充分、路徑清晰、政策相關(guān)性強的參考方案。相比于傳統(tǒng)的絕對裝機量目標(biāo)，發(fā)電結(jié)構(gòu)類指標(biāo)（如清潔能源發(fā)電占比）對實際碳減排的指向性更強、彈性更高，有助于應(yīng)對電力需求不確定性、跨行業(yè)電氣化等復(fù)雜挑戰(zhàn)。

　　

　　與此同時，研究也指出中國在實現(xiàn)高比例可再生能源發(fā)展過程中仍面臨電網(wǎng)接入瓶頸、區(qū)域資源錯配、電力市場機制有待完善等現(xiàn)實約束。因此，若要支撐更高比例風(fēng)光并網(wǎng)，應(yīng)同步推進電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、火電機組靈活性改造和區(qū)域協(xié)調(diào)機制改革。

　　

　　作為面向2035的戰(zhàn)略性研究，本研究為中國制定更有力、更具韌性的氣候行動路徑提供了理論與實證支持，也為其他主要排放國和發(fā)展中經(jīng)濟體制定NDC提供了思路借鑒。研究最后強調(diào)，設(shè)定更具雄心的目標(biāo)，不僅是減碳壓力所迫，更是推動清潔能源投資與產(chǎn)業(yè)升級的戰(zhàn)略機遇。

　　

　　作者專訪Cell Press細胞出版社特別邀請論文通訊作者張達副教授進行了專訪，為大家進一步詳細解讀。CellPress：請簡要概述這項工作的亮點。

　　

　　張達副教授：這項研究的核心亮點在于開發(fā)了高時空分辨率的可再生能源布局與電力系統(tǒng)優(yōu)化（RESPO）模型，該模型為《可再生能源法》修訂和相關(guān)的可再生能源規(guī)劃及政策討論提供了重要的量化分析支撐?；赗ESPO模型，我們系統(tǒng)評估了在滿足全球2°C控溫目標(biāo)的前提下，中國風(fēng)電和太陽能的發(fā)展需求，并據(jù)此提出了更加穩(wěn)健、具有操作性的2035年能源轉(zhuǎn)型路徑。我們不僅量化了裝機容量與發(fā)電結(jié)構(gòu)的演變，還從政策機制角度首次提出將“清潔能源發(fā)電占比”納入國家自主貢獻目標(biāo)，為未來氣候政策設(shè)計提供了新的方向。CellPress：研究過程中遇到了哪些困難？團隊是如何克服并順利解決的？

　　

　　張達副教授：由于本研究需要覆蓋多個情景、多種不確定性假設(shè)，并確保對技術(shù)參數(shù)、電力需求、區(qū)域差異等因素的高精度模擬，模型在構(gòu)建和求解過程中涉及的數(shù)據(jù)量和計算復(fù)雜度都非常高。我們通過優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)和搭建高性能計算集群，完成了上億參數(shù)級別的模擬計算，最終順利實現(xiàn)了目標(biāo)。同時，我們也借助團隊跨學(xué)科背景，在建模方法、氣候政策與能源經(jīng)濟之間實現(xiàn)了有效銜接。CellPress：團隊下一步的研究計劃是怎樣的？

　　

　　張達副教授：下一階段，我們希望進一步拓展研究的適用范圍，包括納入極端氣候事件下的電力系統(tǒng)韌性分析，以及考慮多部門協(xié)同減排對電力系統(tǒng)的反饋機制。同時，我們也計劃圍繞“清潔能源占比目標(biāo)”的可操作性與實施效果進行跟蹤研究，為中國及其他發(fā)展中經(jīng)濟體提供更具落地性的政策建議。CellPress：最后，請您與我們分享一下選擇Cell Reports Sustainability的原因。

　　

　　張達副教授：Cell Reports Sustainability是Cell Press細胞出版社旗下重要的可持續(xù)發(fā)展期刊，發(fā)表前沿的高質(zhì)量研究，強調(diào)數(shù)據(jù)透明、方法扎實和現(xiàn)實影響力，非常契合我們此次工作在研究內(nèi)容與政策導(dǎo)向等方面的定位。同時，該期刊在推動全球氣候與能源議題的跨界對話方面具有廣泛影響力并提供完全的開放獲取渠道，我們希望通過這一平臺，與更多同行和政策制定者分享中國能源轉(zhuǎn)型的路徑探索與經(jīng)驗。

　　

　　作者介紹

　　

　　張振華

　　

　　 博士生

　　

　　張振華，本文共同第一作者，加州大學(xué)圣地亞哥分校機械與航空航天工程系2022級博士生，2020年于美國斯坦福大學(xué)獲得能源工程碩士學(xué)位。研究方向聚焦于國際電力市場和能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的路徑與策略，此前研究涵蓋新型電力技術(shù)的系統(tǒng)級仿真、實時控制軟件開發(fā)及其市場參與機制等問題。以主要作者在Nature Communications、Cell Reports Sustainability等國際期刊發(fā)表多篇論文。

　　

　　朱子恒

　　

　　博士生

　　

　　朱子恒，本文共同第一作者，清華大學(xué)能源環(huán)境經(jīng)濟研究所2021級博士生。2021年于中國人民大學(xué)信息學(xué)院獲得數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)理學(xué)學(xué)士和計算機科學(xué)與技術(shù)工學(xué)學(xué)士學(xué)位。曾獲清華大學(xué)解振華能源環(huán)境綜合優(yōu)秀獎學(xué)金/華為年度最佳個人開發(fā)者稱號。研究方向為大規(guī)模高精度綜合電力系統(tǒng)規(guī)劃模型的開發(fā)與應(yīng)用、數(shù)據(jù)中心電碳協(xié)同優(yōu)化算法開發(fā)和人工智能在氣候/能源/管理領(lǐng)域的應(yīng)用等。以主要作者在PNAS、Energy & Environmental Science、Cell Reports Sustainability、Applied Energy和中國電機工程學(xué)報等國內(nèi)外知名期刊發(fā)表論文多篇。

　　

　　魯璽

　　

　　教授

　　

　　魯璽，論文共同作者。清華大學(xué)長聘教授，環(huán)境學(xué)院大氣污染與控制教研所所長、碳中和研究院院長助理。長期從事可再生能源“供-用”全鏈條評估技術(shù)、可再生能源潛量與變動性精準(zhǔn)化評估方法與數(shù)據(jù)庫等方面研究，為開發(fā)利用可再生能源與碳中和轉(zhuǎn)型提供關(guān)鍵分析工具與數(shù)據(jù)庫支撐。發(fā)表SCI論文100 余篇，在Science、Nature 子刊和PNAS 等頂級期刊發(fā)表論文30余篇，其中7篇為封面論文，多篇入選 ESI 高被引、熱點論文。承擔(dān)科技部重點專項、總理攻關(guān)基金、自科基金重點、杰青等多項國家項目與課題。擔(dān)任聯(lián)合國ESCAP亞太能源聯(lián)盟智庫專家，中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會青年科學(xué)家分會常務(wù)副主任、秘書長，中國工業(yè)節(jié)能與清潔生產(chǎn)協(xié)會碳中和專委會主任等。先后獲得環(huán)境保護科學(xué)技術(shù)獎、美團青山科技獎、北京市先進科技工作者、中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會青年科學(xué)家獎（金獎）與第十五屆中國青年科技獎等。擔(dān)任Technology Review for Carbon Neutrality期刊的執(zhí)行主編。

　　

　　張達

　　

　　副教授

　　

　　張達，本文共同通訊作者，現(xiàn)任清華大學(xué)能源環(huán)境經(jīng)濟研究所所長助理、長聘副教授，博士生導(dǎo)師，兼任清華三峽氣候與低碳中心副主任、清華碳中和研究院氣候治理與碳金融中心副主任。主持多項受全國人大環(huán)資委、生態(tài)環(huán)境部、發(fā)改委、科技部、財政部、國資委、國家能源局等部委以及世界銀行、國際能源署、美國環(huán)保協(xié)會等國際機構(gòu)委托的咨詢項目。以第一作者或通訊作者在 Nature Climate Change、Nature Energy、PNAS、Joule、One Earth、Lancet Planetary Health、Energy and Environmental Science 等重要期刊發(fā)表多篇論文，擔(dān)任 Climatic Change、Journal of Global Economic Analysis、Energy and Climate Management 期刊的副主編。

　　

　　Michael R. Davidson

　　

　　副教授

　　

　　邁克爾·戴蔚森(Michael R. Davidson)，本文共同通訊作者，現(xiàn)任加州大學(xué)圣地亞哥分校機械與航空航天工程系與全球政策與戰(zhàn)略學(xué)院聯(lián)合副教授、電力轉(zhuǎn)型實驗室主任。研究聚焦于大規(guī)模低碳能源部署過程中的工程實現(xiàn)路徑與制度協(xié)調(diào)，涵蓋電力系統(tǒng)、能源政策及全球氣候合作等領(lǐng)域。曾在 Nature、Science、PNAS、Nature Energy和Applied Energy 等國際重要期刊發(fā)表多篇論文。