海上风电与光伏在全球低碳转型中的关键作用：资源评估与减排潜力分析

《SCIENCE ADVANCES》：The role of offshore wind and solar PV resources in global low-carbon transition

本研究针对全球海上可再生能源评估缺失的问题，系统分析了海上风电和太阳能光伏(PV)的资源分布、开发潜力及减排贡献。研究人员基于经济可行性、技术约束和环境因素划定了适宜开发海域，发现仅开发1%的适宜区域即可满足205年全球近30%的电力需求，年减排二氧化碳超过90亿吨。该研究为沿海国家制定碳中和路径提供了重要科学依据。

　　

随着全球气候变化问题日益严峻，越来越多的国家承诺实现碳中和目标，推动能源部门向低碳化转型。在这一背景下，风能和太阳能光伏(PV)作为清洁能源转型的关键驱动力，正在重塑全球电力供应格局。然而，陆上风电和光伏的发展面临着土地资源有限、监管限制等挑战，这使得海上可再生能源的开发逐渐受到重视。海上风电和光伏具有避免土地使用冲突、减少视觉影响等独特优势，同时海上风电机组可以受益于更强、更稳定的风资源，而海上光伏系统则因水体的冷却效应而获得更高效率。尽管海上风电已在全球范围内取得显著成功，但针对海上光伏资源的全球评估仍然缺乏，特别是对两者协同开发对沿海国家脱碳潜力的综合评估尚属空白。

为填补这一知识空白，研究人员在《科学进展》(SCIENCE ADVANCES)上发表了一项开创性研究，首次对全球海上风电和太阳能光伏资源的脱碳潜力进行了全面评估。该研究基于近20年（1994-2023年）的ERA5气象数据，分析了海上风电和光伏资源的时空分布特征，估算了潜在的发电量和二氧化碳减排能力，并评估了二者的互补性。

研究人员采用了多项关键技术方法：基于ERA5数据集获取100米高度风速和太阳辐照度数据；利用地理信息系统(QGIS)工具结合多维度约束条件（包括专属经济区(EEZ)范围、水深<300米、距人口中心200公里内、排除海洋保护区等）划定适宜开发海域；建立了风电和光伏发电量计算模型，考虑了风机功率特性和光伏模块温度效率；采用皮尔逊相关系数评估风光资源时空互补性；结合各国碳排放强度数据估算减排潜力。

全球海上风电和光伏资源分布

研究发现，海上风电和光伏资源的空间分布存在明显差异。风电资源在中纬度地区（40°-50°）最为丰富，如南美洲南部、澳大利亚东南部、新西兰南部、阿拉斯加、加拿大东南部和西北欧等海域，年发电量可超过2000千瓦时/平方米。而光伏资源则呈现随纬度降低而增强的趋势，南北回归线之间的热带地区潜力最大，年发电量可达约400千瓦时/平方米。值得注意的是，海上光伏资源的年际变异性普遍低于风电，在混合系统中可发挥稳定作用。

适宜开发海域识别

考虑经济可行性、技术约束和环境因素后，全球仅有2.96%和1.29%的海域适合开发海上风电和光伏。美国、加拿大和澳大利亚拥有最大面积的适宜海域。特别针对海上光伏，研究排除了中位显著波高超过1米的区域，以确保浮动光伏系统的稳定性。

发电量与二氧化碳减排潜力

假设开发1%的适宜海域，海上风电和光伏年发电量分别可达6049太瓦时和14173太瓦时，可满足2050年全球预期电力需求的近30%。美国拥有最大的海上风电潜力（年995太瓦时），可减排二氧化碳超过3.72亿吨；印度尼西亚则拥有最大的海上光伏潜力（年2153太瓦时），减排潜力相当于其2022年排放量的六倍。对约31%的沿海国家而言，海上风电可贡献超过50%的脱碳努力；对约27%的国家，海上光伏单独即可实现显著的脱碳目标。

海上风电与光伏的互补性

研究表明，海上风电和光伏在时空上具有显著互补特性。空间上，风电更适合中高纬度国家，而光伏在热带地区更具优势；时间上，白天强光照与弱风、夜间弱光照与强风形成天然互补。北海、波罗的海、北大西洋和北太平洋等区域表现出高度互补性。季节性方面，北半球国家风电在1月和12月达到峰值，而光伏在6月和7月表现最佳，这种互补模式在南半球则相反。这种互补性为构建更平衡可靠的发电系统提供了可能。

讨论与展望

该研究强调了海上可再生能源在全球能源转型中的关键作用，但也指出面临的技术挑战，包括深水区域浮动技术、海洋气象数据缺乏、环境影响不确定性以及电网整合问题等。经济性方面，海上风电的平准化度电成本(LCOE)已显著下降至0.075美元/千瓦时，而海上光伏目前成本较高，但通过与风电共享基础设施的混合开发模式有望实现成本优化。

研究结论表明，海上风电和光伏资源具有巨大的技术潜力，可为全球低碳转型做出重要贡献。通过科学的区域部署策略和风光互补开发，可以有效提升能源系统的可靠性和经济性。这项研究为政策制定者、投资者和研究人员提供了宝贵的见解，有助于推动海上可再生能源的规模化发展，加速全球碳中和进程。