实现巴黎协定的1.5或2℃温控目标有助于缓解激增的气候风险。为实现此目标，采用清洁的低碳能源并尽早实现能源行业的二氧化碳净零排放至关重要。近年来，太阳能与风能作为发展最迅猛的可再生能源，在低碳领域具有广阔的应用前景。充分了解全球使用太阳能与风能的潜力，优化全球光电与风电发展的时空布局，提出了多种清洁能源共同发展的减排路径，对准确预测电力行业脱碳进程及其对未来全球二氧化碳排放总量的影响具有重要的科学意义。

        空间显式方法能够探究可再生能源的最大利用潜力，为实现二氧化碳净零排放的电力转型目标提供可靠依据。迄今为止，该方法已在区域尺度得到广泛应用，由于缺乏可再生能源资源潜力、技术进步速度、电力运输、能源储存、国际贸易和原材料供应链等关键的空间信息，以往研究缺乏在全球尺度优化低碳能源的时空布局，对主要国家可再生能源的装机容量和碳减排成本存在争议，导致国际气候资金的清洁能源分配方案缺乏科学依据。

        针对这一挑战，复旦大学环境科学与工程系王戎教授团队将其2023年在Nature发表论文中的中国太阳能和风能优化模型进一步发展为全球尺度模型，最新成果以“Global spatiotemporal optimization of photovoltaic and wind power to achieve the Paris Agreement targets” 为题，于2025年3月5日在线发表在Nature Communications。该研究提出了巴黎协定目标下时空高分辨的风光发电减排方案，揭示了全球192个国家在使用太阳能与风能清洁能源减排二氧化碳的潜力与成本，为实现二氧化碳净零排放的能源系统提供了路线图，也为国家和区域的气候和能源政策制定提供了科学依据。论文成果强调了全球清洁能源转型在技术、金融和投资等面临的关键挑战，未来可服务于国家在全球气候治理方略上的需求。

        首先，研究开发了全球太阳能和风能的电力系统优化模型，综合考虑了全球多年太阳辐射和风向风速的小时级数据、气象和地貌等多种空间信息，构建了时空高分辨的地理信息数据智能系统，并考虑了技术改进、电网升级、统筹能源储存和电力传输等基础配套设施建设，以及区域电力传输、全球矿产贸易、优化光伏电池板和风力涡轮机全球供应链等方案对风光发电潜力的作用（图 1）。

图1 全球太阳能和风能优化模型的框架图

        该模型使用了时空高分辨的地理空间数据以及消费端电力负荷的小时波动数据，结合了可再生能源的技术进步、电力运输、能源储存、国际贸易和供应链等影响，考虑了光伏和风力发电与其他清洁发电技术的竞争关系，考虑了生产光伏面板与风机的矿物限制，提出了在全球192个国家建造光伏、陆上风电和海上风电厂的方案，在实现2040年电力系统二氧化碳净零排放的目标下，全球2040年光伏、陆上风电和海上风电的总发电量将分别达到21.7、14.7和2.3 PWh y-1，揭示了全球风光发电减排二氧化碳的巨大潜力（图2）。 

图2 在2040年实现净零目标下风光发电厂建造的时空分布

        研究分析了影响风光发电潜力的主要因素，通过电力系统升级，可提高大洋洲、中东、非洲和欧洲对全球二氧化碳减排量的贡献，并降低固定成本、变压器、电缆、土地、特高压站连接和运维对总成本的贡献。从全球范围来看，研究结果强调了在整合高比例的可变可再生能源时，扩大储能和电力传输以维持电网稳定的重要性。在 2070 年实现净零目标时，2021-2040 年的年安装率与 2021-2023 年的历史安装率接近，但在 2040 年实现净零目标时，需要进一步提高风光电力系统的安装速度（图3）。

图3 影响未来全球风光发电潜力的主要因素

        研究同时分析了影响风光发电成本的主要因素，通过电力系统升级，2040年电力部门的平均减排成本可从每吨二氧化碳140美元下降到每吨二氧化碳93美元，当能源供应系统需要在2040年达到二氧化碳净零目标时，统筹建设电力传输和能源存储设施，光伏发电和风力发电占比显著增大，低碳能源所需的投资也会大幅降低，当前的低碳能源投资无法满足需求，光伏电池板和风力涡轮机制造对稀土矿产的需求也会大幅增加，导致跨区域矿产贸易的扩张（图4）。为进一步降低全球电力行业的脱碳成本，该研究还考虑了全球光伏电池板和风力涡轮机供应链、矿物国际贸易、国家间电力传输的作用，根据模型的最优情景，预测2021-2040年锰的国际贸易量将达每年132千吨，国家间电力传输量达每年4.1千瓦时。

图4 影响未来全球风光发电成本的主要因素

        研究成果表明了尽早布局与实施零碳综合技术对实现2°C目标的重要性，在全球气候治理的过程中，需要加大对清洁能源以及超高压输变电线路建设的投入，升级电力系统以提高清洁能源发电的使用效率，加强国际合作与国际协调治理政策制定与实施，构建能源基础设施的气候韧性，同时加大区域与跨区域能源转型的合作力度，完善清洁能源布局-超高压输变电线路布局-电网适应性升级-用户端无缝衔接等的支持框架，加快数字化能源技术的应用。

        复旦大学环境科学与工程系博士后王怡静为论文第一作者，王戎教授为通讯作者，论文共同作者包括复旦大学张人禾教授（中国科学院院士）、陈建民教授（欧洲科学院院士）、汤绪教授、王琳教授、中国科学院大气物理所的曹军骥研究员、日本国立环境研究所的Katsumasa Tanaka教授、塞浦路斯研究所气候与大气研究中心的Philippe Ciais教授、法国气候变化中心的Yves Balkanski和Didier Hauglustaine教授、西班牙全球生态研究所的Josep Penuelas和Jordi Sardans教授。该项工作得到了国家科技部重点研发计划项目（2022YFF0802504）和国家自然科学基金项目（41877506、42341205）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57292-w

供稿：王戎课题组

审核：张立武