京都城市区域屋顶光伏与电动汽车储能协同实现最大脱碳潜力研究

为解决城市区域可再生能源部署空间受限和能源存储灵活性不足的问题，研究人员开展"SolarEV City Concept"研究，通过整合屋顶光伏(PV)与电动汽车(EV)储能系统，评估日本京都1×1 km网格尺度下的技术经济可行性。结果表明：中心城区光伏自消纳率高但自给率低，而郊区通过PV-EV整合可实现90%的CO2减排、高自给率和显著成本节约。该研究为城市能源韧性提升和公平能源转型提供了创新路径。

　　

随着城市化进程加速，城市地区贡献了全球71-76%的终端能源消费CO₂排放。尤其在京都这类历史名城，密集的建筑布局与有限的可再生能源部署空间形成尖锐矛盾。传统集中式能源系统难以满足城市碳中和目标，而分散式屋顶光伏(PV)虽能缓解土地压力，却面临发电与用电时序错配的挑战。与此同时，电动汽车(EV)的快速普及带来了移动储能新机遇——每辆EV的电池容量可达40kWh，远超家庭日常用电需求。如何通过智能整合这些分布式资源，构建适应城市形态的低碳能源系统，成为亟待解决的科学问题。

日本东北大学环境科学研究科（Graduate School of Environmental Studies, Tohoku University）的Takuro Kobashi团队在《Sustainable Cities and Society》发表创新研究，提出"SolarEV City Concept"解决方案。该工作首次在1×1 km网格尺度上，系统评估了京都不同城市区域整合屋顶PV与EV储能的技术经济潜力。研究采用三维建筑能耗模型(Rhinoceros 3D+EnergyPlus)模拟每小时电力需求，结合气象再分析数据(MERRA2)生成光伏发电曲线，通过MATLAB构建技术经济模型，对比分析"纯PV"与"PV+EV"六种情景下的25年全生命周期效益。

研究结果揭示显著空间异质性：

1. 光伏容量分布：中心商业区屋顶PV最大安装容量达70MW/网格，但仅能满足42%的本地需求；而郊区住宅区虽安装容量较低，年发电量可达需求的208%。

2. 储能效益：EV整合使郊区自给率从32%提升至71%，CO₂减排效果增加43个百分点，成本节约达31%。

3. 经济性：2030年"PV+EV"系统的内部收益率(IRR)达15%，投资回收期缩短至6年，显著优于单独PV系统。

讨论部分强调，该研究为城市能源规划提供了重要启示：中心商业区适合优先发展纯PV系统，而郊区住宅区应重点部署PV-EV协同系统。通过建立区域间能源共享机制，可进一步提升系统整体效率。值得注意的是，即使采用最优配置，京都中心城区仍需依赖外部电网供应58%的电力，这凸显了城市多尺度能源系统协同优化的必要性。研究成果不仅适用于京都，也为全球高密度城市的低碳转型提供了可复用的分析框架和技术路径。