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原创 #气象数据服务 地学拓扑局 2025年09月10日
《Nature Communications》中科院地理所研究团队提出全球太阳能 - 风能互联系统以应对未来电力需求
论文简介
题目：Globally interconnected solar-wind system addresses future electricity demands
期刊：《Nature Communications》（IF:15.7 1区）
发表时间：2025年5月15日
文章编号：16(2025),4523
DOI: 10.1038/s41467-025-59879-9
研究背景及意义
推进能源向可再生能源转型是实现净零排放的核心，但构建以太阳能和风能为主导的全球电力系统面临巨大挑战 —— 太阳能与风能固有的间歇性（受天气、昼夜及季节周期影响）导致发电与用电需求难以平衡，当前区域电力系统依赖储能和灵活发电源应对该问题，却面临高昂的储能基建成本与极端天气下的供电中断风险。
跨区域电力互联被视为解决高比例可变可再生能源（VRE）接入的可行方案，从最初的 “全球能源网格” 构想，到如今亚、欧、非等区域的小规模实践，其潜力已得到初步验证，但现有研究在资源分配的时空细节、成本效益平衡及全球互联系统的可行性等方面仍存在缺口。此外，COP28 协议标志着 “化石燃料时代终结的开端”，亟需明确全球互联太阳能 - 风能系统在实现 1.5℃温控目标与可持续发展目标（SDGs）中的作用，为全球能源转型提供科学路径。
研究内容
本研究聚焦全球互联太阳能 - 风能系统满足未来电力需求的可行性与效益，首先通过 500 米高空间分辨率数据，结合土地利用适宜性、地形约束及与现有输电线路的距离（≤10km），筛选出可开发、可接入且可互联的太阳能和风能资源，量化全球及区域的发电潜力；随后构建多目标优化框架，以最大化太阳能 - 风能渗透率、最小化弃电率与总成本为目标，优化 2030 - 2050 年分阶段的光伏 / 风电场布局、储能容量配置及跨区域输电容量，设计了区域独立（S-I）、相邻互联（S-A）、大陆互联（S-C）和全球互联（S-G）四种场景，并对比不同场景下的系统表现；最后通过压力测试，评估系统在气候变化（太阳辐射、风速、负荷波动）、极端天气（区域电网停运）、政策不协调（区域自给自足策略）、地缘政治紧张（输电节点故障）及市场竞争（电价争夺）等极端条件下的韧性，同时分析全球互联在提升能源效率、降低成本、促进能源可及性等方面的潜在效益。
研究结果
1、全球互联太阳能 - 风能系统潜力充足：但存在显著的时空错配 —— 东南亚、南欧等区域 2030 年或面临电力缺口，中亚、南非、北非等区域潜力则超需求 30 倍以上，且东亚等区域存在昼夜发电与负荷不匹配问题，凸显跨区域互联的必要性。
2、分阶段优化配置可平衡成本与效率：2030 - 2050 年从相邻互联向全球互联过渡的基线场景中，光伏 / 风电场布局逐步从需求中心向资源优势区转移，储能需求随互联程度提升而降低，跨区域输电重点建设美洲 - 欧亚、美洲 - 非欧等洲际通道。
3、全球互联显著提升系统效益：相比区域独立场景，全球互联可使 2050 年风电 / 光伏装机容量减少 22.1%、储能功率需求降低 41.6%，同时将太阳能 - 风能发电波动性从超 50% 降至 8% 以下，能源可及性不平等的基尼系数从 0.327 降至 0.173，且减轻欠发达地区的经济负担。
4、系统对极端条件具备韧性但存风险点：全球互联系统的供电不确定性低于 0.1%；单一区域电网停运时，全球互联场景下的供电下降幅度（平均 2.6%）远低于区域独立场景（26.4%）。
5、全球互联是能源转型关键路径：该系统可通过时空互补性降低可再生能源间歇性，减少对储能的依赖，同时促进跨境电力贸易与资源优化配置，可为实现 2050 年净零排放目标提供技术可行、经济高效的解决方案，但需突破国际协议协调、跨国基建技术与地缘政治稳定等实施障碍。
主要图集
图1：全球太阳能和风能的可开发、可利用和可互联的潜力
图2：全球互联情景下光伏（PV）、风电、储能及输电容量的优化分阶段配置
图3：全球互联在电力供应和获取方面的潜在收益
图4：全球互联系统在极端或不可预见的情况下的韧性
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