“一帶一路”倡議(BRI)強(qiáng)調(diào)建設(shè)基礎(chǔ)能源設(shè)施以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。當(dāng)前,化石燃料仍是主流的能源資源,化石燃料的使用將會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳,如果持續(xù)使用大量化石燃料,那么積聚的二氧化碳會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng),從而威脅到巴黎氣候峰會(huì)設(shè)定的全球平均表面溫度上升控制在工業(yè)化前2.0°C之內(nèi),并最好控制在1.5°C之內(nèi)。太陽(yáng)能是清潔能源,取之不盡,用之不竭,所以太陽(yáng)能資源可以作為化石燃料的替代品。在本文中,通過(guò)詳盡的數(shù)據(jù)分析,我們系統(tǒng)地考查了光伏發(fā)電影響因素,并評(píng)估太陽(yáng)能資源每小時(shí)在BRI地區(qū)的發(fā)電潛力。結(jié)果表明,太陽(yáng)能每年可提供448.9 PW.h的電力,根據(jù)2030年整個(gè)地區(qū)預(yù)期的電力需求,只需448.9 PW.h的3.7%就可滿足。還分析得出,區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)可通過(guò)利用太陽(yáng)能隨時(shí)空變化的特性與整個(gè)地區(qū)的日照和電力需求產(chǎn)生互補(bǔ)效應(yīng)來(lái)提高系統(tǒng)的整體效率。
國(guó)家主席習(xí)近平于2013年發(fā)起的“一帶一路”倡議(BRI)旨在促進(jìn)整個(gè)歐亞大陸的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)一體化。BRI既可以是雙邊利益,也可以是多邊利益。BRI借鑒了古代絲綢之路的歷史象征,它源于中國(guó)古代,通過(guò)商業(yè)貿(mào)易和文化交流的方式連接亞洲,非洲和歐洲。在新的“一帶一路”倡議中,“一帶”是指通往21世紀(jì)“海上絲綢之路”的陸上“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”。
BRI已經(jīng)成為一個(gè)擁有126個(gè)伙伴國(guó)家的開放平臺(tái),我們選擇了共66個(gè)在地理上毗鄰“一帶一路”的國(guó)家作為本文分析的地域范圍,強(qiáng)調(diào)可能集中的基礎(chǔ)設(shè)施投資、快速增長(zhǎng)的區(qū)域電力需求,以及區(qū)域能源合作的潛在優(yōu)勢(shì)。2017年,超過(guò)30%的這些BRI國(guó)家實(shí)現(xiàn)了年度國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)增長(zhǎng)率超過(guò)5%。據(jù)估計(jì),從2015年到2030年,約占世界GDP的50%增長(zhǎng)可能來(lái)自BRI地區(qū)。從短期來(lái)看,BRI國(guó)家的碳排放和能源使用量大幅增加。
2016年,全球約有11億人無(wú)法獲得電力,近30%生活在這些BRI國(guó)家。預(yù)計(jì)未來(lái)BRI國(guó)家對(duì)電力的需求將大幅增加,用以推動(dòng)預(yù)計(jì)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)并滿足基本的電力需求。因此,能源基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)一直是BRI國(guó)家合作的基本要素。2014年至2017年,BRI地區(qū)投資估計(jì)為2412億美元,其中80%以上用于開發(fā)使用或促進(jìn)化石燃料使用的技術(shù),包括石油、天然氣、石化和發(fā)電。全球日益關(guān)注并不斷強(qiáng)調(diào),如果提升化石燃料的燃燒技術(shù),就會(huì)減緩化石燃料使用對(duì)氣候變化的影響。BRI地區(qū)高碳排放型發(fā)電廠的進(jìn)一步擴(kuò)張將成為一個(gè)重要的新碳排放源,更糟糕的是,一旦這些工廠建成,它們預(yù)計(jì)將運(yùn)行數(shù)十年,持續(xù)向大氣中釋放二氧化碳。
BRI國(guó)家當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能資源可以提供一種重要的環(huán)境友好型發(fā)電替代方案,以替代或減少化石能源發(fā)電,提供了將未來(lái)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與碳排放增加脫鉤的解決方案。本文中定義的BRI地區(qū),橫跨三大洲(歐洲,亞洲和非洲),包括西亞的沙漠國(guó)家,這些國(guó)家擁有世界上最豐富的太陽(yáng)能資源。大約53%的陸地面積在BRI地區(qū),每年的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高于1400 kWh /(m2⋅a)。過(guò)去五年,太陽(yáng)能光伏發(fā)電的全球裝機(jī)容量幾乎增加了兩倍,從2013年的138.9GW增加到2017年的401.5GW。隨著技術(shù)的快速發(fā)展和成本下降,預(yù)計(jì)到2040年全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量將超過(guò)天然氣以外的所有其他能源形式。BRI國(guó)家自主貢獻(xiàn)(NDCs)的量化目標(biāo)要求到2030年太陽(yáng)能發(fā)電額為2560億美元,占地區(qū)可再生能源投資總額的55%;BRI國(guó)家的太陽(yáng)能累計(jì)投資達(dá)到98億美元,帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。在BRI地區(qū)開發(fā)可再生清潔能源的規(guī)劃和政策制定中,了解太陽(yáng)能的潛能和時(shí)空分布將在BRI區(qū)域內(nèi)開發(fā)太陽(yáng)能資源發(fā)揮核心作用。此外,全面分析太陽(yáng)能發(fā)電潛力有助于確定BRI框架內(nèi)清潔能源合作的實(shí)際基礎(chǔ)。
大量研究課題研究了光伏發(fā)電在各個(gè)國(guó)家、地區(qū)和整個(gè)世界范圍內(nèi)的潛力,主要采用基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的多標(biāo)準(zhǔn)方法。Hoogwijk率先在全球范圍內(nèi)評(píng)估光伏發(fā)電的潛力,最近關(guān)于光伏發(fā)電潛力的研究強(qiáng)調(diào)了西非、東南亞國(guó)家聯(lián)盟(ASEAN)和歐盟、俄羅斯、孟加拉國(guó)、巴基斯坦、阿曼、中國(guó)、伊朗和坦桑尼亞等國(guó)家具有很大潛力;針對(duì)太陽(yáng)能潛力評(píng)估的研究?jī)A向于確定個(gè)別技術(shù)因素,例如土地適宜性分析和選址標(biāo)準(zhǔn);優(yōu)化組件的傾斜方向;以充分利用太陽(yáng)光輻射;評(píng)估溫度的影響;在遮陽(yáng)條件下的性能;太陽(yáng)能電池板的性能衰退的量化等。很少有研究能夠綜合考慮所有因素,并綜合考慮所有這些參數(shù)及其在潛力研究模型中的應(yīng)用,分析在BRI區(qū)域的太陽(yáng)能發(fā)電情況。通過(guò)開發(fā)集成軟件系統(tǒng)顧問(wèn)模型(SAM),用以提供每小時(shí)輸出信息,來(lái)促進(jìn)光伏電站選址的特定選擇和量化影響投資決策的因素。然而,其應(yīng)用僅限于個(gè)別項(xiàng)目,不適合從區(qū)域角度進(jìn)行綜合分析。
在本文中,我們開發(fā)了一種綜合的太陽(yáng)能資源評(píng)估方法,重點(diǎn)是評(píng)估整個(gè)BRI地區(qū)66個(gè)國(guó)家可實(shí)際利用規(guī)模的太陽(yáng)能資源技術(shù)潛力。使用分析方法主要包括以下三個(gè)特征。首先,按小時(shí)計(jì)算電力輸出,然后匯總以評(píng)估年度發(fā)電量。這種方法不僅提高了電位評(píng)估的準(zhǔn)確性,而且還能夠在規(guī)劃設(shè)計(jì)中考慮太陽(yáng)能強(qiáng)度隨時(shí)間變化。其次,采用一致和全面的框架建模來(lái)分析影響實(shí)際太陽(yáng)能電站發(fā)電的因素和空間變化,包括考慮組件傾斜角度,組件分布密度,遮陽(yáng),溫度和系統(tǒng)影響因素。最后,從數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(DAS)的戈達(dá)德地球觀測(cè)系統(tǒng)正向處理,(GEOS-5 FP)第5版采用了具有高空間分辨率的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù),這是一種廣泛使用的研究手段,并在大氣化學(xué)研究中得到驗(yàn)證,該研究結(jié)合了一系列觀測(cè)資料,包括來(lái)自衛(wèi)星,無(wú)線電探空儀,飛機(jī),下投式探空儀,水面艦艇和浮標(biāo)的數(shù)據(jù)。這種方法的實(shí)際意義體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:該研究全面描述了BRI地區(qū)太陽(yáng)能光伏發(fā)電的技術(shù)潛力和關(guān)鍵參數(shù),該產(chǎn)品可為未來(lái)的國(guó)家和地區(qū)規(guī)劃、政策制定提供信息。研究中揭示了分布的空間和時(shí)間差異以及潛在生產(chǎn)和消費(fèi)之間的不匹配突出了BRI框架內(nèi)清潔能源合作的兩個(gè)重要機(jī)會(huì)。其中一個(gè)涉及BRI國(guó)家之間的技術(shù)轉(zhuǎn)讓,以優(yōu)先利用具有最佳質(zhì)量太陽(yáng)能資源的地區(qū)進(jìn)行開發(fā)。另一個(gè)關(guān)于全球和區(qū)域電網(wǎng)互連的建議,可以在整個(gè)地區(qū)更好地調(diào)配太陽(yáng)能發(fā)電的供應(yīng)和需求,從而有助于優(yōu)化太陽(yáng)能發(fā)電功率的適應(yīng)性變化。
資源潛力和環(huán)境影響
光伏發(fā)電的年發(fā)電潛力主要取決于場(chǎng)地適宜性和資源可用性。這里的場(chǎng)地適宜性是指在可利用土地類型的限制范圍內(nèi)可以獲得大面積的平緩或平坦的空地,以及將可用年限太陽(yáng)輻射量的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)利用范圍以外的區(qū)域排除在外。資源可用性是指通過(guò)調(diào)整組件傾斜、間距和方向設(shè)置將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的能力,進(jìn)一步調(diào)整資源可用性以考慮溫度和陰影的空間影響。如圖1A所示,BRI國(guó)家技術(shù)上預(yù)計(jì)的太陽(yáng)能發(fā)電潛力高達(dá)448.9 PW.h,相當(dāng)于2016年這些國(guó)家的總電力需求的41.3倍。僅需總潛力的3.7%可以滿足預(yù)期整個(gè)地區(qū)2030年的電力需求。
BRI地區(qū)的四個(gè)國(guó)家,即中國(guó),印度,伊朗和沙特阿拉伯,都被列為世界十大二氧化碳排放國(guó)之一,2017年產(chǎn)生了132億噸二氧化碳,排放量為全球總量的39.4%。這些國(guó)家的太陽(yáng)能潛力估計(jì)高達(dá)238.2 PW.h,占BRI地區(qū)總量的53.1%。如果這些國(guó)家30%的電力需求由太陽(yáng)能供電,則可減少約24億噸二氧化碳的排放,相當(dāng)于全球碳排放量減少7.2%。
在沒(méi)有完備電力供應(yīng)的BRI地區(qū)的國(guó)家也有豐富的太陽(yáng)能資源。例如,電力供應(yīng)量最低的也門,目前的電力供應(yīng)量為5 TW.h,而且大約28.4%的居民無(wú)法獲得基本電力服務(wù)。但也門的太陽(yáng)能潛力可能高達(dá)19.4 PW.h,是目前的耗電量的5000多倍。
由于太陽(yáng)能資源受制于地理位置和場(chǎng)地適宜性的差異,BRI國(guó)家之間太陽(yáng)能光伏發(fā)電潛力存在顯著的空間差異。包括中國(guó),沙特阿拉伯,伊朗,埃及,印度,哈薩克斯坦和蒙古在內(nèi)的國(guó)家的太陽(yáng)能潛力都超過(guò)20 PW.h,占BRI地區(qū)總面積的70.8%。由于其相對(duì)較大的領(lǐng)土和相對(duì)低的緯度,中國(guó)的太陽(yáng)能發(fā)電潛力巨大,估計(jì)為100.8 PW.h,在BRI地區(qū)排名最高。而沙特阿拉伯,伊朗和埃及也很豐富,太陽(yáng)能發(fā)電及其相關(guān)發(fā)電的潛力估計(jì)超過(guò)30 PW.h。
如果我們忽略了溫度的影響,將導(dǎo)致BRI地區(qū)個(gè)別國(guó)家的太陽(yáng)能發(fā)電潛力被高估0.1%至15.0%。高溫和強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)能電池組件面板溫度升高,導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率降低并對(duì)總電位產(chǎn)生負(fù)面影響。通常,高緯度地區(qū)不易受這些負(fù)面影響,而溫度可能對(duì)低緯度地區(qū)的太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響。例如,溫度的影響將導(dǎo)致中歐和東歐地區(qū)以及獨(dú)立國(guó)家聯(lián)合體(CIS)的太陽(yáng)能發(fā)電潛力分別下降6.0%和4.4%,而西亞地區(qū)則下降12.7%。如果不考慮溫度,十大國(guó)家的太陽(yáng)能潛力將被高估9.2%。這突出了在項(xiàng)目規(guī)劃和選址中考慮溫度引起的發(fā)電損失的重要性。對(duì)溫度影響的預(yù)先估計(jì)有助于避免對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)生過(guò)于樂(lè)觀的經(jīng)濟(jì)評(píng)估,從而降低投資風(fēng)險(xiǎn)。
BRI地區(qū)的太陽(yáng)能發(fā)電潛力在圖1B中按國(guó)家/地區(qū)進(jìn)行了總結(jié),表明了各個(gè)國(guó)家在太陽(yáng)能光伏發(fā)電方面的可投資的上限。BRI地區(qū)的潛在總裝機(jī)量估計(jì)為265.9 TW,是2017年全球太陽(yáng)能光伏裝機(jī)容量的600多倍。在BRI最有利的太陽(yáng)能資源地區(qū)部署7.8 TW可提供電力相當(dāng)于2030年該地區(qū)的總電力需求量。這將需要11.2萬(wàn)億美元的資本投資,這項(xiàng)投資所需的土地面積僅為88,426平方公里,約為中國(guó)陸地面積的0.9%。
潛在裝機(jī)量的空間分布表現(xiàn)出與發(fā)電潛力相似的空間分布,因?yàn)榘l(fā)電潛力在空間上也隨土地適宜性和緯度而變化。隨著緯度的增加,太陽(yáng)能電池板的安裝密度降低,因?yàn)楦呔暥鹊貐^(qū)的太陽(yáng)入射角的較低角度,需要太陽(yáng)能電池組件加大安裝的傾角來(lái)最大化年發(fā)電量。這反過(guò)來(lái)要求面板之間的間隔需要增大,最大限度地減少面板間陰影的影響,導(dǎo)致了每單位土地面積的裝機(jī)容量低。此外,高緯度地區(qū)大面積土地被排除在外,因?yàn)檫@些地區(qū)的太陽(yáng)光長(zhǎng)時(shí)間處于傾斜照射狀態(tài),并且那里可用的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度往往低于1,400 kWh /(m2⋅a)的閾值,1,400 kWh /(m2⋅a) 被認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)上合理的最低開發(fā)閾值。因此,位于緯度超過(guò)50度的國(guó)家,包括俄羅斯和一些東歐國(guó)家,在裝機(jī)容量和發(fā)電方面的太陽(yáng)能發(fā)電潛力都很低。幸運(yùn)的是,許多高緯度國(guó)家擁有豐富的風(fēng)力資源,是用于替代化石燃料的好的清潔能源選擇。俄羅斯的陸上風(fēng)電潛力估計(jì)高達(dá)120 PW.h。相比之下太陽(yáng)能潛力僅僅只有3.2 PW.h。
容量要素的地理分布
我們進(jìn)一步量化了BRI地區(qū)太陽(yáng)能光伏發(fā)電的年平均容量要素,其地理分布結(jié)果如圖2所示。年容量要素,根據(jù)光伏電站產(chǎn)生的年發(fā)電量相對(duì)于同一時(shí)期內(nèi)其裝機(jī)容量總和的實(shí)現(xiàn)比率來(lái)定義,是衡量太陽(yáng)能電站資本投資的經(jīng)濟(jì)吸引力的重要指標(biāo)。對(duì)于同等裝機(jī)量在不同地點(diǎn)部署光伏電站,較高的容量要素將獲得更高的電力收益,從而使得投資獲得更有利的回報(bào)。容量要素的值可用于推斷可利用小時(shí)數(shù),這是太陽(yáng)能行業(yè)廣泛用于判斷光伏電站性能的術(shù)語(yǔ)??衫眯r(shí)數(shù)的相應(yīng)值,等于容量要素乘以所測(cè)算時(shí)間段的小時(shí)數(shù)。
容量要素的分布主要由太陽(yáng)能日照的可用輻射量和光伏電池組件參數(shù)所決定的,受其他因素影響較小,例如溫度、陰影等。從這個(gè)意義上講,容量要素還明確定義了可用太陽(yáng)能資源的質(zhì)量。如圖2中的紅色所示,青藏高原的容要素高達(dá)27%,是整個(gè)BRI地區(qū)最高的。這反映了該地區(qū)為高海拔地區(qū)。然而,為了充分利用這個(gè)地區(qū)容量要素的優(yōu)勢(shì),需要電網(wǎng)設(shè)施支持,將所產(chǎn)生的電力傳輸?shù)接秒娏恐行膮^(qū)域。在這種環(huán)境中除了難以建造電站之外,還要考慮到輸電成本,所以這種發(fā)電潛力在短期內(nèi)不太可能被利用。高容量要素分析也適用于西亞國(guó)家,也門、阿曼、沙特阿拉伯和埃及等國(guó)家位于低緯度地區(qū),這些地方沙漠土地面積大,還有豐富的太陽(yáng)輻射。
圖3A顯示了每單位容量要素太陽(yáng)能資源發(fā)電潛力的分布,并且顏色區(qū)分了BRI區(qū)域內(nèi)各個(gè)子區(qū)域的太陽(yáng)能來(lái)源。圖3B所示在給定容量要素截止值時(shí),整個(gè)BRI區(qū)域在大于等于給定容量要素截止值對(duì)應(yīng)潛在太陽(yáng)能電站裝機(jī)量發(fā)電潛力。根據(jù)結(jié)果顯示,預(yù)計(jì)到2030年,在整個(gè)BRI區(qū)域容量要素值大于等于23.2%(圖3B中的曲線與藍(lán)線相交之前的位置)的地區(qū),所部屬的光伏電站產(chǎn)生的發(fā)電量可以提供整個(gè)BRI地區(qū)總用電需求;在整個(gè)BRI區(qū)域容量要素的值大于等于21.9%(圖3B中的曲線與紅線相交之前的位置)的地區(qū),所部屬的光伏電站產(chǎn)生的發(fā)電量可以提供全球總用電需求。具有最高容要素的區(qū)域位于南亞和東亞,主要反映了青藏高原的高輻射強(qiáng)度,如圖3A中灰色和粉紅色區(qū)域的右側(cè)所示。最低容量要素分布在獨(dú)聯(lián)體國(guó)家(CIS),以紫色表示。只有16.4%的獨(dú)聯(lián)體國(guó)家可以在容量要素超過(guò)16.0%的區(qū)域裝機(jī),這說(shuō)明這些國(guó)家的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度條件較差。
以藍(lán)色顯示的西亞地區(qū)的容量要素值相對(duì)較高,其值介于15.4%至22.6%之間。這個(gè)容量要素區(qū)間的高太陽(yáng)能發(fā)電潛力表明,在西亞地區(qū)部署太陽(yáng)能電站也可產(chǎn)生大量電力。事實(shí)上,西亞國(guó)家的估計(jì)潛力高達(dá)208.7 PW.h,占該地區(qū)總數(shù)的46.5%。但光伏電池板上的灰塵堆積是一個(gè)可能降低該區(qū)域太陽(yáng)能電站容量要素的主要問(wèn)題,因?yàn)樗赡軙?huì)對(duì)電池板造成物理?yè)p壞,減弱組件接受到的太陽(yáng)輻射,增加表面溫度,從而降低整體效率。與巴林王國(guó)的每月對(duì)太陽(yáng)能電站清潔維護(hù)相比,沒(méi)有清潔維護(hù)的電站每年的電力產(chǎn)量減少10%。然而,水的稀缺是安裝在巴林王國(guó)的光伏組件清洗所面臨的重大挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是,正在開發(fā)的幾種不怎么需要水的自清潔方法,例如靜電除塵法,機(jī)械吹氣除塵法和涂層法,為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)提供了解決方案。
據(jù)全球能源互聯(lián)發(fā)展與合作組織(GEIDCO)估計(jì),通過(guò)超高壓(UHV)輸電線路為主干的全球能源互聯(lián),全球清潔能源的裝機(jī)容量將在2030年達(dá)到53TW。對(duì)于BRI沿線的許多國(guó)家而言,能夠通過(guò)升級(jí)和拓展現(xiàn)有的本地互連電網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián),而不用通過(guò)建造新的基礎(chǔ)設(shè)施,這是更容易實(shí)現(xiàn)的。各國(guó)之間的相互信任,應(yīng)對(duì)氣候變化的共識(shí),國(guó)際電力交易市場(chǎng)的成熟以及特高壓電網(wǎng)和智能電網(wǎng)的技術(shù)進(jìn)步都是實(shí)現(xiàn)BRI能源互聯(lián)的先決條件。此外,需要進(jìn)一步研究輸電損耗,噪聲,土地使用變化和電網(wǎng)設(shè)施區(qū)域的電磁場(chǎng),以最大限度地減少對(duì)環(huán)境的影響。
目前,全球溫室氣體(GHG)排放量的55%以上來(lái)自BRI地區(qū),在“一切照舊”的情況下,這個(gè)數(shù)字預(yù)計(jì)到2030年將超過(guò)65%。這種增長(zhǎng)不僅會(huì)受到大型碳排放國(guó)的推動(dòng),還會(huì)受到其他一些正在迅速擴(kuò)大電力供應(yīng)以推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的國(guó)家的推動(dòng)。鑒于人類活動(dòng)已經(jīng)導(dǎo)致全球平均表面溫度增加,因此想要限制未來(lái)全球氣溫達(dá)到“巴黎協(xié)定”所規(guī)定的全球平均氣溫升幅控制在相對(duì)于工業(yè)化前水平2°C以內(nèi),這將使BRI地區(qū)未來(lái)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)面臨更多困難??焖俣钸h(yuǎn)的能源轉(zhuǎn)型對(duì)于降低長(zhǎng)期和不可逆轉(zhuǎn)的變革風(fēng)險(xiǎn)就顯得非常急迫和必要。
原標(biāo)題:一文詳述“一帶一路”地區(qū)太陽(yáng)能資源