平流层气溶胶注入导致的太阳辐射减弱对全球光伏潜力及全可再生能源系统设计灵活性的影响评估

《Next Energy》：Impacts of stratospheric aerosol injection on renewable energy systems

　　

气候变化是21世纪面临的重大挑战之一。然而，温室气体减排的进展被认为过于缓慢。因此，诸如平流层气溶胶注入（Stratospheric Aerosol Injection, SAI）等更激进的技术正被纳入讨论，以限制气候变化。本研究提出了一种方法学，用于评估每年向大气中注入20Mt二氧化硫（Sulfur Dioxide, SO₂）对全球辐射平衡、光伏（Photovoltaic, PV）潜力以及可再生能源系统的影响，目标是将温度降低2°C。结果表明，光伏潜力的年均降幅在0.25%至4%之间，北欧夏季降幅可达12%。所建模的可再生能源系统在很大程度上吸收了这些降幅，导致容量变化较小，较大的变化仅限于少数几个系统。结果表明，大规模可再生能源系统的内在灵活性有助于缓解成本变化，但理解这种灵活性对于避免设计错误至关重要。

**论文解读**

**一、研究背景与意义**

全球变暖是21世纪最严峻的挑战之一，大气中温室气体浓度的持续上升正推动地球温度不断攀升。根据哥白尼气候变化报告，将全球升温控制在较工业化前水平高1.5至2°C的国际目标已于2024年首次被突破。尽管可再生能源技术装机容量稳步增长——仅2024年全球就部署了447GW光伏——但石油和天然气等传统能源载体仍为主要能源来源，导致温室气体排放持续增加。在此背景下，太阳能辐射管理（Solar Radiation Management, SRM）技术作为降低地球温度的潜在工具受到越来越多的关注。其中，平流层气溶胶注入（Stratospheric Aerosol Injection, SAI）因其与火山喷发的可类比性而相对易于理解：通过将二氧化硫（SO₂）直接注入平流层散射入射太阳辐射，改变地球的辐射平衡，减少直接辐照度同时增加散射辐照度，从而产生净冷却效应。

然而，关于SRM技术的科学和政策讨论仍存在分歧。2024年SRM专家报告强调了这些技术的不确定性和潜在风险、技术成熟度不足以及不宜作为温室气体减排的替代方案，但同时明确指出需要加强研究以填补知识空白，尤其是SRM的直接和间接效应。以往关于SAI的研究主要集中在大气和气候效应方面，近期研究才开始关注其对农业、水资源和地缘政治等社会结构的次级效应。由于太阳辐照度与光伏性能之间存在直接关系，已有少数研究开始探讨SAI对光伏潜力的影响，但SAI对能源系统层面的影响几乎尚未被探索。本研究正是在此研究空白上展开，旨在量化SAI对光伏潜力的影响，并进一步评估其对全球全可再生能源系统设计的影响。

**二、研究方法概述**

研究人员采用模拟方法，假设每年12月在赤道附近注入20Mt硫酸盐前体物，模拟持续十年以达到注入、分布和沉降之间的平衡状态，对应的辐射强迫约为?2.5W·m^?2，相当于降温2°C。气溶胶注入点位于赤道沿线，利用自然风场将气溶胶向南北两极输送，实现全球相对均匀分布。SAI的选择基于其在不同波长、区域分布和季节依赖性方面相较于其他气候工程技术具有更好的理解。

在评估SAI对PV潜力影响的基础上，研究人员将全球划分为28个联合区域，对2050年全可再生能源系统进行优化，设定两种情景：一种采用标准PV潜力，另一种采用包含SAI引起变化的PV潜力，所有其他参数保持一致以分离PV潜力变化对系统设计的独立影响。能源系统优化的完整描述（包括联合区域定义、技术经济参数和潜力数据）已由Franzmann等人发表。用于计算辐射平衡变化和PV潜力的Python代码可在GitHub获取。

**三、主要研究结果**

**（一）辐射平衡变化在夏季和南北纬50°以外最强**

SAI导致的直接辐照度年均降幅在（亚）热带地区为0.8W·m^?2，在50°N和50°S以远地区为3.1W·m^?2，夏季可达10W·m^?2。受影响最严重的地区包括北欧、俄罗斯和加拿大部分地区。全球空间格局由从赤道向极地的主导大气环流塑造：尽管气溶胶注入点位于赤道附近以利用自然输送路径，但热带与温带之间的相对弱交换导致中纬度地区出现气溶胶累积，在20°N和20°S附近形成辐照度减弱特征带（年均降幅约2W·m^?2）。SAI对直接辐照度的影响呈现强烈的季节变化：50°S和50°N以远地区在各自春夏季降幅更强；热带地区全年降幅较小（约?0.8W·m^?2），但在20°N/S附近春季（3至5月）出现局部峰值，平均辐照度降幅可达?6W·m^?2。

**（二）北半球夏季PV潜力降幅最大**

SAI引起的辐射平衡变化导致全球PV容量因子（capacity factor）出现一致性下降，空间模式与直接辐照度损失密切对应。最强负面影响出现在北美、北欧和北亚：北欧夏季PV容量因子降幅可达12%，其余季节介于2%至4%；加拿大和俄罗斯夏季降幅达6%，其余季节为2%至4%。全球其他地区PV潜力年均降幅低于1%，仅20°N/S附近热带与温带之间区域在春季因气溶胶累积而降幅约达2%。

**（三）大规模可再生能源系统设计的灵活性基本弥补了SAI的影响**

全球能源系统年总成本几乎保持不变（?0.25%至+0.5%），但各技术装机容量出现可辨识的变化。在大多数区域，容量相对差异低于10%，尤其是覆盖北美、欧洲、北亚、中国和印度的大规模能源系统仅显示微小调整。较大变化（10%至20%）出现在28个联合区域中的4个，其中墨西哥能源系统的整体设计发生了更为显著的变化。

在基线系统配置方面，全球范围内出现了从PV向风能转移的趋势，尤其在北欧，PV容量降幅达2%。北欧国家更多依赖风能、地热以及来自南欧的PV电力进口，因而受影响较小。格陵兰和冰岛两个岛屿系统呈现相反趋势：格陵兰增加了PV和风能容量以补偿PV产出下降，而冰岛因拥有丰富的地热资源（已提供约95%的能源）而减少了PV和风能容量。阿富汗与巴基斯坦联合区域以及土库曼斯坦、伊朗与亚美尼亚联合区域也出现了超过10%的变化，两者均呈现从PV向风能的转移。

墨西哥能源系统的设计变化尤为突出：尽管其PV容量因子年均仅下降0.5%（与年总成本增幅0.5%相当），但开阔地PV和地热容量分别增加9%和12%，风能减少12%；短期储能大幅增加——氢气容器增加36%、锂离子电池增加165%——而长期储能（氢气燃气轮机和氢气盐穴）均减少15%。这一显著变化源于墨西哥临近赤道、四面环海的地理位置所赋予的丰富PV、风能和地热潜力，允许能源组合进行更大程度的权衡调整。

**四、讨论与结论**

本研究的创新之处在于首次将SAI的影响从PV潜力层面扩展至全可再生能源系统优化设计层面。结果表明，虽然SAI对高纬度地区PV潜力的影响最为显著，但由于该地区夏季太阳能资源充裕，对能源系统的实际冲击有限。全球PV潜力年均降幅为0.25%至4%，与文献中两项全球研究的结果（分别为1%至3%和1.4%至6.9%）在很大程度上重叠。大规模能源系统的内在灵活性——通过组合不同发电技术和广域互联——基本吸收了PV潜力下降的影响，使系统年总成本变化可忽略不计。

然而，灵活性较低的国家系统对这些扰动更为敏感。墨西哥的案例表明，即使PV潜力仅轻微下降，最优系统配置也可能发生显著变化，凸显了太阳能资源的微小变化如何通过系统设计选择传播放大。这种设计变化源于PV向更可预测的地热和光伏发电的转移及其对短期而非长期储能的偏好。

研究存在若干局限性：SAI对风能、生物质能和水电等其他能源的潜在影响未被纳入；SAI对对流层云形成的影响（预计在热带和季风区最大）可能抵消这些区域PV潜力的微弱变化；CO₂浓度上升本身对大气和海洋的后果不会被SAI抵消；SAI终止引发的快速升温效应（终止冲击）未纳入分析，但研究人员认为其本身对能源系统的影响最多是中等程度。此外，气溶胶参数化基于火山喷发观测，而持续硫注入条件下颗粒物生长可能导致更大的有效半径；赤道注入虽为常用理想化方案，但多位置注入策略可能提供更好的空间分布控制。

研究结论表明：SAI对光伏在能源系统中主导地位的预期影响有限，但一致性的区域差异仍驱动了可测量的能源结构变化。在全球尺度上，辐照度和PV潜力的降低轻微有利于风能扩张，表明存在从PV主导配置向更多依赖风能系统的边际但系统性的转变。该研究建议各国在制定长期能源战略时必须认识到其能源系统的结构特性及适应辐照度变异的固有能力，未来研究应重点关注区域受限或需求有限的能源系统，并量化SAI对风能和水电等可再生能源潜力的影响及其对能源系统配置的综合效应。