研究論文
姚凌、姜侯、秦軍等在Nature Communications 發文提出構建全球風光互聯電網以應對未來電力需求
文章來源： | 發布時間：2025-06-04 | 【打印】 【關閉】
在全球能源結構加速向低碳轉型的背景下，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。傳統應對方案多依賴儲能系統或調峰電源，成本高昂、風險大，當風光滲透率接近甚至達到100%時，發電與負荷錯配所帶來的系統風險可能會遠超依賴化石能源的風險。近年來，跨區域電網互聯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，可實現不同區域間的時空互補，提高資源利用效率。然而，現有研究多停留在宏觀層面，缺乏對地理適宜性、電網布局、儲能調度等核心要素的系統性分析。
作者系統評估了全球互聯的太陽能-風能系統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）數據，全面評估了考慮太陽能和風能可開發性、可獲取性和互聯性的全球潛力。通過開發多目標空間優化框架，確定了具有成本效益和資源效率的互聯戰略，提供了有關太陽能-風能發電廠的空間分布與部署時間、儲能和輸電能力的區域分配，以及全球互聯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的更細致理解，并為實現這一愿景提供了具體的可參照的實現路徑。
結果表明，全球可互聯的太陽能與風能發電潛力高達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則遠超需求。在時段上也存在差異，亞洲東部在夜間時段發電短缺，而西歐與非洲中部則出現過剩。這一結構性不均衡凸顯了推進跨區域電力互聯的必要性。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；隨著互聯程度提升，風光發展逐步向資源優勢區域傾斜。到2040年代，洲際互聯將促進非洲北部與亞洲西部資源開發；至2050年代，美洲南北成為主要新增部署區域，跨洲電力走廊建設將成重點。優化后的方案投資約117萬億美元，僅為最高估算值的54%。靈活性高的電網擁有更多的可選發展途徑，提高了系統演化過程中的靈活性和容錯性。
全球互聯顯著提升了風光資源利用效率，降低了實現凈零排放目標的總體成本。相較區域獨立方案，全球互聯方案可減少22.1%的發電裝機容量和41.6%的儲能功率需求，發電波動下降至8%以下，風光滲透率提升5.1%，整體投資成本下降至84.2%，可節省約22.5萬億美元。全球互聯有助于提升供電穩定性和能源可用性。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，基尼系數由0.327降至0.173。在投資分布上，全球互聯方案還緩解了發展中地區的經濟壓力，避免了因清潔能源轉型導致的過度財政負擔，提升了全球能源轉型的公平性與可持續性。
全球互聯大幅提升了系統應對氣候變化、極端天氣、政策不協調、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，單一區域斷電導致的風光供應損失僅為2.6%。然而，全球互聯的系統穩定性受到地區政策與地緣因素的干擾。若各區域轉向能源自給，將打破供需平衡，導致亞洲與非洲部分區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，輸電節點故障、互聯線路中斷及價格競爭也可能放大區域風險。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，確保全球互聯系統長期可靠性，需依賴穩定的地緣環境、協調的政策機制與公平的市場規則。
本研究為全球太陽能與風能互聯系統提供了系統性路線圖，突破了傳統概念驗證和區域案例的局限，首次實現對可互聯風光潛力的空間估算與盈余—短缺區域識別，明確了跨區域能源調配的必要性。通過多目標優化，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類戰略性先導科技專項“數據-模型驅動地理智能系統與典型場景應用”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. 全球可互聯的太陽能和風能發電潛力
圖 2. 全球互聯情景下光伏、風能、儲能和輸電能力的最優分階段配置
圖 3. 全球互聯對電力供應和獲取的潛在益處
圖 4. 全球互聯系統應對極端或不可預見情況的復原力
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