《PNAS》封面中国太阳能的未来:到2060年满足国内43.2%电力需求

【字体: 时间:2021年10月20日 来源:Proceedings of the National Academy of Sciences

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  未来几十年,中国太阳能发电的成本到底是多少,包括其固有的可变性对电网的挑战?来自哈佛大学、北京清华大学、天津南开大学和中国人民大学的研究人员发现,到2060年,太阳能每千瓦时不足2.5美分,就能满足中国43.2%的电力需求。

  

未来几十年,中国太阳能发电的成本到底是多少,包括其固有的可变性对电网的挑战?

来自哈佛大学、北京清华大学、天津南开大学和中国人民大学的研究人员发现,到2060年,太阳能每千瓦时不足2.5美分,就能满足中国43.2%的电力需求。相比之下,中国2019年的煤电电价为每千瓦时3.6至6.5美分。

这项研究发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)的封面文章上。

“研究结果强调了一个关键的能源转型点,不仅对中国,对其他国家也是如此,在这个点上,太阳能和存储系统的结合将成为一种更廉价的燃煤发电替代方案,并成为一种更兼容电网的选择。”哈佛大学工程与应用科学学院(SEAS)吉尔伯特·巴特勒环境研究教授、该研究的共同通讯作者Michael B. McElroy说。

“今天,在中国大部分地区,无补贴的太阳能已经变得比煤电便宜,这种成本竞争优势将很快扩展到整个国家,因为技术进步和成本下降。“共同作者、清华大学环境学院Xi Lu副教授说。“我们的研究结果表明,太阳能的经济竞争力与对存储系统的投资相结合,可以为电网调度提供额外的好处,这对中国未来电力系统的运行尤为重要。”

Xi Lu在哈佛大学文理研究生院获得博士学位,作为哈佛大学中国能源、经济和环境项目的博士后和助理研究员,他开始着手这项研究。

该研究小组开发了一个综合模型,以评估中国的太阳能潜力及其2020-2060年的成本。该模型首先考虑了诸如中国各地的土地利用、太阳能电池板可能的倾斜和间距,以及太阳辐射和温度等气象条件,以估计太阳能在空间和时间上的物理潜力。

然后,该团队整合了投资成本和技术变革的速度,以捕捉目前和未来太阳能发电相对于煤炭发电不断演变的成本竞争力。在此基础上,本研究开发了一个小时优化模型,以评估为平滑太阳能输出变化所需的电力存储系统的额外成本,以便将其集成到电网中以匹配电力需求。

研究人员首先发现,到2020年,中国太阳能光伏的物理潜力达到了99.2千瓦时,这包括可以安装多少太阳能电池板以及它们可以产生多少太阳能。这是中国各种形式能源总消费量的两倍多,不仅包括电力,还包括汽车、工厂、建筑供暖等直接消耗的燃料。研究结果表明,太阳能光伏是中国脱碳的巨大资源。

他们随后展示了其成本竞争力,到2020年,其潜力的78.6%等于或低于当地燃煤发电目前的价格,这一比例还将进一步上升。这种成本优势意味着中国可以投资于电池等存储能力,到2060年仍能以成本效益提供7.2千瓦时的电力,占全国电力需求的43.2%。

“大多数人现在意识到,气候变化需要摆脱化石能源的使用,”哈佛大学中国项目(Harvard-China Project)的执行董事、该论文的合著者Chris P. Nielsen说。“没有多少人意识到,电力系统的脱碳是关键,特别是随着越来越多的行业开始电气化,而可再生电网的适应性是难题中最困难的部分。如果储能技术能够以具有竞争力的成本使太阳能电网兼容,这将是一个巨大的突破。”

“我们的研究表明,如果成本继续下降,尤其是存储成本,就有可能利用太阳能为汽车提供动力,为建筑物供暖或制冷,或生产工业化学品。这将使太阳能在气候和环境方面的好处远远超出传统的设想,”该论文的第一作者之一Shi Chen表示。陈时是清华大学的博士生,也是哈佛大学中国项目的访问学者,他帮助领导了这项研究。

Proceedings of the National Academy of Sciences

DOI

10.1073/pnas.2103471118


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