【ZiDongHua 之“方案應(yīng)用場(chǎng)”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(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰、2060年實(shí)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(xiàn)（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(shí)現(xiàn)脫碳轉(zhuǎn)型，將直接決定“雙碳”目標(biāo)的達(dá)成進(jìn)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(tuán)隊(duì)在Cell Press細(xì)胞出版社旗下期刊Cell Reports Sustainability上發(fā)表研究論文《加速推進(jìn)風(fēng)電光伏裝機(jī)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(jī)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(qiáng)政策的導(dǎo)向性與可操作性。

 

 

 

　　長按識(shí)別二維碼閱讀論文研究亮點(diǎn)

　　

　　建立高時(shí)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(píng)估2035年前中國風(fēng)光發(fā)電裝機(jī)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(jī)部署，到2035年升至2910~3800吉瓦，并有望使風(fēng)光發(fā)電占比達(dá)49%~56%。提出在國家自主貢獻(xiàn)（NDC）中引入“清潔能源發(fā)電占比”目標(biāo)，以增強(qiáng)政策約束力和可操作性。

　　

　　研究成果

　　

　　風(fēng)光裝機(jī)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(shí)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(shí)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(jī)容量區(qū)間為2350至2780吉瓦，到2035年需進(jìn)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(jī)可能達(dá)到1910吉瓦，光伏裝機(jī)也將超過1400吉瓦。同時(shí)，分布式光伏與海上風(fēng)電也將持續(xù)擴(kuò)張，分別達(dá)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(jī)容量對(duì)比。實(shí)線表示三種基準(zhǔn)情景下的風(fēng)電與太陽能總裝機(jī)容量，虛線對(duì)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(jī)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(jī)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)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(jìn)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(jì)將從2023年的33.7%上升至2030年的65%至68%，2035年進(jìn)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(jì)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(jìn)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(duì)系統(tǒng)建模結(jié)果的影響。結(jié)果顯示，不同場(chǎng)景下風(fēng)光裝機(jī)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(jì)與政策環(huán)境下，穩(wěn)步推進(jìn)風(fēng)光規(guī)模化發(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(shì)。

　　

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

　　

　　為增強(qiáng)2035版NDC目標(biāo)的清晰性與約束力，研究團(tuán)隊(duì)建議，中國應(yīng)在延續(xù)現(xiàn)有風(fēng)光裝機(jī)容量目標(biāo)的基礎(chǔ)上，增設(shè)反映實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)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(jī)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(shí)，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(shí)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(jì)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(dòng)等宏觀趨勢(shì)。

 

　　

　　圖2. 2030年與2035年清潔能源發(fā)電占比。實(shí)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(qiáng)的參考方案。相比于傳統(tǒng)的絕對(duì)裝機(jī)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(duì)實(shí)際碳減排的指向性更強(qiáng)、彈性更高，有助于應(yīng)對(duì)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(shí)，研究也指出中國在實(shí)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(cuò)配、電力市場(chǎng)機(jī)制有待完善等現(xiàn)實(shí)約束。因此，若要支撐更高比例風(fēng)光并網(wǎng)，應(yīng)同步推進(jìn)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、火電機(jī)組靈活性改造和區(qū)域協(xié)調(diào)機(jī)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(dòng)路徑提供了理論與實(shí)證支持，也為其他主要排放國和發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體制定NDC提供了思路借鑒。研究最后強(qiáng)調(diào)，設(shè)定更具雄心的目標(biāo)，不僅是減碳?jí)毫λ?，更是推?dòng)清潔能源投資與產(chǎn)業(yè)升級(jí)的戰(zhàn)略機(jī)遇。

　　

　　作者專訪Cell Press細(xì)胞出版社特別邀請(qǐng)論文通訊作者張達(dá)副教授進(jìn)行了專訪，為大家進(jìn)一步詳細(xì)解讀。CellPress：請(qǐng)簡(jiǎn)要概述這項(xiàng)工作的亮點(diǎn)。

　　

　　張達(dá)副教授：這項(xiàng)研究的核心亮點(diǎn)在于開發(fā)了高時(shí)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(píng)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(jī)容量與發(fā)電結(jié)構(gòu)的演變，還從政策機(jī)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(xiàn)目標(biāo)，為未來氣候政策設(shè)計(jì)提供了新的方向。CellPress：研究過程中遇到了哪些困難？團(tuán)隊(duì)是如何克服并順利解決的？

　　

　　張達(dá)副教授：由于本研究需要覆蓋多個(gè)情景、多種不確定性假設(shè)，并確保對(duì)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(jì)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(jì)算集群，完成了上億參數(shù)級(jí)別的模擬計(jì)算，最終順利實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)。同時(shí)，我們也借助團(tuán)隊(duì)跨學(xué)科背景，在建模方法、氣候政策與能源經(jīng)濟(jì)之間實(shí)現(xiàn)了有效銜接。CellPress：團(tuán)隊(duì)下一步的研究計(jì)劃是怎樣的？

　　

　　張達(dá)副教授：下一階段，我們希望進(jìn)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(duì)電力系統(tǒng)的反饋機(jī)制。同時(shí)，我們也計(jì)劃圍繞“清潔能源占比目標(biāo)”的可操作性與實(shí)施效果進(jìn)行跟蹤研究，為中國及其他發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體提供更具落地性的政策建議。CellPress：最后，請(qǐng)您與我們分享一下選擇Cell Reports Sustainability的原因。

　　

　　張達(dá)副教授：Cell Reports Sustainability是Cell Press細(xì)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(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)透明、方法扎實(shí)和現(xiàn)實(shí)影響力，非常契合我們此次工作在研究?jī)?nèi)容與政策導(dǎo)向等方面的定位。同時(shí)，該期刊在推動(dòng)全球氣候與能源議題的跨界對(duì)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(tái)，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(yàn)。

　　

　　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(jī)械與航空航天工程系2022級(jí)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(chǎng)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(jí)仿真、實(shí)時(shí)控制軟件開發(fā)及其市場(chǎng)參與機(jī)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(jì)研究所2021級(jí)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(jì)算機(jī)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(jiǎng)學(xué)金/華為年度最佳個(gè)人開發(fā)者稱號(hào)。研究方向?yàn)榇笠?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(jī)工程學(xué)報(bào)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(píng)估技術(shù)、可再生能源潛量與變動(dòng)性精準(zhǔn)化評(píng)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(jí)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(diǎn)論文。承擔(dān)科技部重點(diǎn)專項(xiàng)、總理攻關(guān)基金、自科基金重點(diǎn)、杰青等多項(xiàng)國家項(xiàng)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(huì)青年科學(xué)家分會(huì)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(huì)碳中和專委會(huì)主任等。先后獲得環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)、美團(tuán)青山科技獎(jiǎng)、北京市先進(jìn)科技工作者、中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)青年科學(xué)家獎(jiǎng)（金獎(jiǎng)）與第十五屆中國青年科技獎(jiǎng)等。擔(dān)任Technology Review for Carbon Neutrality期刊的執(zhí)行主編。

　　

　　張達(dá)

　　

　　副教授

　　

　　張達(dá)，本文共同通訊作者，現(xiàn)任清華大學(xué)能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)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(xiàng)受全國人大環(huán)資委、生態(tài)環(huán)境部、發(fā)改委、科技部、財(cái)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(huì)等國際機(jī)構(gòu)委托的咨詢項(xiàng)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(shí)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。