清华大学环境学院2021年10月13日电（通讯员 鲁玺）清华大学环境学院、碳中和研究院、哈佛大学等国内外联合团队在碳中和背景下我国太阳能光伏发电平价动态与并网潜力研究方面取得新进展，系统动态评估了我国技术可行、经济平价、电网兼容的光伏发电潜力，揭示了光伏成本优势下“光伏 储能”的广阔应用前景。该研究成果可为碳中和背景下的光伏发电资源开发、新型电力系统规划提供参考，对于光伏发电与终端用能“电气化”与储能技术融合，促进工业、建筑、交通等领域的脱碳具有启示意义。
在碳中和、碳达峰的目标下，我国亟需通过能源结构调整与构建新型电力系统实现低碳零碳转型。光伏发电作为全球增长最为迅速的可再生能源之一，发电转换效率逐步提升，度电成本迅速下降。在光伏平价上网时代开启和向“双碳”目标迈进的关键节点，迫切需要明确近期光伏平价上网路径，挖掘未来中长期成本优势带动下“光伏 储能”在以新能源为主体的电力系统中的并网潜力。
图1 光伏发电容量因子（a）及装机潜力（b）分布
该项研究解析了我国近期光伏发电平价上网路径，首次在空间尺度上明确了平价上网时间节点。研究引入空间地理、资源气象、工程经济等多源数据，在解析我国技术潜力时空分布特征的基础上，结合学习曲线模型和行业动态，构建了平价上网时间与平价上网潜力的评估方法。研究结果表明，我国2020年技术发电潜力总量达99.2pwh，超过同年电力需求的13倍，并有望在2060年增长到146.1pwh。光伏发电成本已由发展障碍转变为竞争优势，2021年我国78.6%的技术潜力已实现与煤电平价或低价上网，全国范围内的平价上网将在2023年前实现。
图2 光伏发电供给曲线（a）及光伏发电与煤电价格比较（b）
中长期视角下，光伏发电“无补贴”时代的成本优势有助于提高“光伏 储能”系统的经济可行性，从而为应对光伏发电的间歇性挑战提供契机。研究进一步以“光伏 储能”系统并网后净电力需求的波动性为优化目标，结合光伏出力、储能设备充放电特征等约束条件，在电网尺度构建了逐小时优化模型，以量化“光伏 储能”系统的并网潜力。研究结果表明，“光伏 储能”并网潜力有望在2030年和2060年达到5.2pwh和7.2pwh，且“光伏 储能”与需求侧具备更好的兼容性。同时，“光伏 储能”具备成本竞争力，全国平均度电成本在2030年和2060年分别为0.25元/千瓦时和0.12元/千瓦时。
图3 “光伏 储能”并网潜力（a）及成本（b）
该研究成果以“碳中和背景下我国光伏加储能系统的成本动态与并网潜力”（combined solar power and storage as cost-competitive and grid-compatible supply for china’s future carbon-neutral electricity system）为题于10月12日在线发表在《美国科学院院刊》（pnas）上，并被推选为当期封面论文。
环境学院鲁玺副教授及国家博士后创新人才支持计划与清华大学“水木学者”计划入选者陈诗博士为共同第一作者，鲁玺和哈佛大学迈克尔·麦克尔罗伊（michael b. mcelroy）教授为共同通讯作者，郝吉明院士、贺克斌院士为共同作者。论文合作者还包括美国哈佛大学中国项目执行主任克里斯·尼尔森（chris p. nielsen）；清华大学环境学院王书肖教授、吴烨教授，博士生张憧宇、李佳聪；南开大学环境科学与工程学院徐鹤教授；中国人民大学应用经济学院魏楚教授与宋枫副教授。本研究受到国家自然科学基金杰出青年基金、面上项目，环境前沿技术北京实验室，清华大学-inditex可持续发展基金资助项目，哈佛大学校长办公室及哈佛全球研究所资助项目等资助。
论文链接：https://www.pnas.org/content/118/42/e2103471118
