论文Accelerating the energy transition towards photovoltaic and wind in China的研究表明，通过优化空间布局、提升输电和储能能力、增强电力需求响应，以及充分利用技术学习效应（“Dynamics of learning”，指在可再生能源技术部署过程中，由于技术进步和经验积累所带来的成本变化和效率提升），中国可将光伏和风能的发电能力提高至15 PWh/年，同时显著降低碳减排成本。这不仅有助于中国实现2060年碳中和目标，还可促进区域经济平衡发展，提升社会福祉。
论文作者为Yijing Wang, Rong Wang, Katsumasa Tanaka, Philippe Ciais, Josep Penuelas, Yves Balkanski, Jordi Sardans, Didier Hauglustaine, Wang Liu, Xiaofan Xing, Jiarong Li, Siqing Xu, Yuankang Xiong, Ruipu Yang, Junji Cao, Jianmin Chen, Lin Wang, Xu Tang & Renhe Zhang，来自Fudan University（复旦大学）等机构。
一、研究背景与目标
本研究聚焦于中国实现碳中和目标所需的光伏（photovoltaic, PV）和风能转型。中国承诺在2060年前实现碳中和，这意味着可再生能源发电能力需要从当前的1 PWh/年增加到10-15 PWh/年。然而，基于过去的可再生能源增长率和政府的“十四五”能源发展计划（CFED），预计到2060年这一能力仅能达到5-9.5 PWh/年。因此，该研究的目标是探索如何优化光伏和风能部署，以将可再生能源的发电能力提升到15 PWh/年，同时降低碳减排成本。
本研究采用空间优化模型，通过单独优化3,844个新建的大型光伏和风电项目，结合超高压（UHV）输电网络和储能系统，并考虑电力负荷的灵活性和技术学习效应，提出了一种更优的可再生能源发展路径。研究发现，优化后可再生能源的平均碳减排成本可从97美元/tCO₂降低至6美元/tCO₂。此外，为实现这一目标，光伏和风能的年投资需要从2020年的770亿美元逐步增加到2050年代的4,260亿美元。
二、全球碳中和挑战与中国的角色
根据《巴黎协定》，全球必须将升温控制在2°C以下，而目前全球去碳化的进程远远滞后，预计本世纪末的升温可能达到2.8°C。因此，加速可再生能源的部署至关重要。联合国气候变化大会（COP27）建议每年投资4-6万亿美元用于可再生能源的推广，但具体投资方式仍不明确。
中国是全球最大的碳排放国，占全球碳排放量的28%，也是全球最大的可再生能源市场。与水力发电和生物能源相比，光伏和风能的环境影响较小，经济可行性较高。因此，推动光伏和风能的发展成为中国实现碳中和的重要手段。
三、优化光伏和风电系统的方法
本研究采用空间优化框架，通过最小化电力的平准化成本（LCOE）来优化光伏和风电站的选址、规模和建设时间。优化的关键要素包括：
- 空间布局优化：识别并优化新建光伏和风电项目的位置和规模，考虑到地形、土地利用、生态保护、海上风场的水深、航运路线、太阳辐射和风能密度等因素。
- 电网与储能优化：扩大UHV输电网络，增加储能设施，以提高电力利用效率。
- 电力需求响应：优化电力需求负荷，使其与光伏和风能的波动性匹配，提高能源利用效率。
- 学习曲线优化：考虑技术学习效应，通过优化电站建设时间降低LCOE，从2020年的0.067美元/kWh降至0.046美元/kWh。
四、碳减排成本分析
研究分析了不同情况下碳减排成本的变化，发现：
- 平均碳减排成本（MAC）在最优路径下大幅降低：
- 在基准情境下（不考虑输电、储能和负荷灵活性），MAC高达97美元/tCO₂。
- 通过增加储能，MAC减少3.5 Gt CO₂，碳减排成本下降。
- 通过优化学习曲线，MAC减少3.5 Gt CO₂，使部分电厂的碳减排成本降低至0美元/tCO₂以下。
- 最终，MAC可降至6美元/tCO₂，相比于政府CFED计划的97美元/tCO₂，成本降低显著。
- 灵敏度分析：研究还评估了不同投资条件下的成本变化：
- 若采用国际平均学习率，碳减排成本可能上升。
- 若增加折现率（7%），碳减排成本增加至14美元/tCO₂。
- 若延长电站寿命（35年），碳减排成本可降低至0美元/tCO₂。
五、土地、成本与能源供给的权衡分析
本研究还分析了不同能源发展路径对土地利用、投资成本和电力供给的影响：
- 土地需求：若光伏和风能装机规模从1 PWh/年增加到15 PWh/年，则需要：
- 585,000 km²的土地用于光伏发电（主要分布在沙漠、草原和部分耕地）。
- 672,000 km²的土地用于风电（包括陆上和海上风电）。
- 投资需求：
- 光伏和风电每年的初始投资为2,012亿美元，运维成本为476亿美元，占2020年中国公共财政支出的7%。
- 但可再生能源的发展可减少对化石燃料的采购成本（每年节省2,230亿美元）和碳排放成本（每年节省3,990亿美元）。
- 电力供应：
- 研究表明，到2060年，光伏和风能可满足中国总电力需求的59%，远超氢能、核能和生物质能的总和（20%）。
- 预计183座光伏和风电站的装机容量将超过10 GW。
六、碳中和的影响
在实现碳中和的过程中，可再生能源的发展可减少对碳捕获和存储（CCS）的依赖。本研究发现：
- 在CFED计划下，2060年CCS需求为8.9 PWh/年，而采用最优路径后，仅需2.8 PWh/年。
- 通过提高电网投资，优化学习曲线和储能策略，可减少CCS的使用，同时提高光伏和风能的投资回报率。
七、促进贫困地区发展
可再生能源的发展还可带来社会经济效益：
- 由于光伏和风能项目主要集中在西部欠发达地区，而东部发达地区是主要电力消费地，电力传输可带来财政再分配效应。
- 研究表明，若碳价提高到100美元/tCO₂，可将2,100万人从低收入群体（年收入低于5,000美元）提升到中高收入群体。
- 东部地区向西部的电力转移可带来1,055亿美元的收入流动，相当于2014-2020年中国年度扶贫投资的15倍。
八、政策建议
为加速可再生能源发展，中国需采取以下措施：
- 加大投资：将光伏和风能的年度投资从当前的770亿美元提升至2050年代的4,260亿美元。
- 优化电网：加快建设UHV输电线路和储能设施，提高电力消纳能力。
- 提高灵活性：优化电力需求管理，使其匹配光伏和风能的供电特性。
- 政策支持：继续提供适当的财政补贴和激励措施，以减少投资成本，提高经济可行性。
- 国际合作：利用全球供应链降低光伏和风能设备成本，提高技术转移效率。