“太阳能和风能是复杂的问题，涉及大气科学、地理学、经济学等诸多学科。太阳能除了太阳辐射和地理位置，还需要考虑空中云的影响；利用风能发电时，如果风向不稳定，发电效率会很低，影响发电效率。
因此，如何获取地球系统和社会经济系统的高分辨率大数据，并与太阳能、风能相关的气象数据相结合，是该领域医师关注的焦点，也是研究难点。


为了加快中国光伏发电和风力发电的发展，复旦大学年轻研究员王戎通过自然科学和社会经济学的交叉，创新性地从能源规划的角度提出了最优解决方案。
该团队将超高分辨率地球系统大数据与复杂电力系统大数据相耦合，发现过去低估了中国太阳能和风能资源的发展潜力。预计中国将获得更高的光伏和风电装机容量。2060年，其发电规模可从9万亿千瓦时提升至15万亿千瓦时，将解决全国约60%的电力总需求。
“这项研究提供了一个全面的模型，并提出了中国到2060年大规模发展风能和太阳能的最佳路径。这个模型在模拟细节和方法上非常突出。一个重要的发现是，太阳能和风能的成本取决于风能和太阳能的发电量。通过优化系统，可以有效降低成本，提高风能和太阳能的发电量。”《自然》杂志的评论者评论了这项研究。
即当对风能和太阳能的需求增加时，廉价的风能和太阳能资源将受到限制，导致使用昂贵的风能和太阳能资源。这一结论挑战了风能和太阳能价格将继续下降的普遍认识，从而为优化电力系统提供了一条路径。
相关论文(来源:自然)

不久前，相关论文发表在Nature[1]上，题目是“加速中国向光伏和风能的能源转型”。复旦大学王怡静(本科直接攻读博士学位)是论文的第一作者，王戎是论文的通讯作者。
事实上，这是王戎的团队第二次在《自然》杂志上发表关于能源相关问题的论文。2022年9月，王戎团队在《自然》杂志上发表论文，从生物质能的角度探讨解决气候变化的路径，并对未来依赖大规模生物质能的路径提出质疑[2]。这个新的研究更直接，从根本上强调了更多利用太阳能和风能应对全球气候变化的解决方案，以及如何实现不同新能源技术的融合。
图2优化2021-2060年发展太阳能光伏和风力发电的时空布局(来源:Nature)

该团队面临的第一个挑战是如何获得一组自然资源数据来计算太阳能和风能发电的潜力。实际上，国外类似研究的空间分辨率只有400km左右。团队利用lasg研发的地球系统数值模拟装置Atlas，实现了1km的全球高精度环境模拟分辨率，解决了以往研究中时间不连续的问题。
他们解决的第二个问题是实现对未来电力智能系统的模拟，这需要充分了解未来电力需求的变化。王戎说:“研究中最大的发现是对太阳能和风能价格的判断。过去，人们认为太阳能和风能的价格会不断下降，但我们提出了相反的观点，因为需求越高，可以使用的太阳能和风能资源就越昂贵。”
研究团队在论文中提到，中国廉价的太阳能和风能主要集中在河北和内蒙古。未来如果这一地区的资源枯竭，将转移到西部的新疆、青海、甘肃等地区，但需要通过高压输电输送到华北、华东地区，储能需求增加，导致风能、太阳能成本大幅上升。
该团队通过地球系统的高分辨率数据，识别风速和风向不稳定、太阳辐射波动等气象信息，并利用水电站和电池储能装置储存部分发电，以最高效率利用发电，最大限度地减少电力浪费问题。同时也可以运送到太空中最需要电力的地区，比如上海、北京、广州。
为了解决这个问题，研究团队在这项研究中提出了另一个替代方案——中国未来有没有可能调整产业布局？例如，将钢铁等耗能行业从东部地区转移到西部地区，将降低太阳能和风能资源开发潜力大的地区的能源使用成本，加快整个西部地区的经济发展。
图到2060年，通过在中国部署太阳能和风能，减少二氧化碳排放的成本将降低(来源:自然)

王戎团队计划将这项研究的范围从中国进一步扩大到全球。事实上，该团队已经将中国的碳中和道路与西班牙、德国、法国和其他国家进行了比较。他们发现每个国家都有不同的特点。比如欧洲很多国家电力需求低，只有核电技术才能满足当地的能源需求。
中国的能源需求非常高，远远高于整个欧洲，所以仅靠一种能源是不足以满足中国的电力需求的。同时，中国还拥有优秀的太阳能和风能资源。例如，中国的华北和东北地区有大量的优质风能资源。
王戎说，目前，研究团队正在全球推进这项研究，希望提供一个全球范式。接下来，他们计划研究全球193个国家的相关数据。与国际研究小组合作，将这项研究中相同的方法和数据应用到国外，希望这项研究能够增加中国在全球气候治理中的作用和地位。
他指出，中国是世界上太阳能和风能开发技术最先进的国家之一。“我们在研究中进行了敏感性分析。如果中国与国外脱钩，对相关成本的影响只有1%-2%，而美国的相关成本会增加50%以上。在我看来，国家未来应该继续加大对太阳能和风能的投资。这不仅能降低中国实现‘碳中和’的经济成本，还能在未来全球清洁能源市场占据优势。”
图图·王戎团队(来源:王戎)

2020年，中国正式提出“碳中和，二氧化碳排放峰值”的目标。作为该研究方向的研究者之一，王戎在目标正式提出前7年就开始积累技术，调整研究方向。
他的研究方向从大气化学转向了能源系统研究。2013年获得北京大学环境地理学博士学位。当时大家普遍关心的中国环境问题是空气污染。没过多久，国家出台了一系列碳中和政策。“我当时有一个判断，空气污染问题不会持续太久，希望提前找到新的研究方向。”王戎说。
于是，他来到法国气候变化研究中心大气化学系从事博士后研究，专门研究地球系统植被变化对全球气候变化的影响。王戎认为研究课题应该用于真正解决实际问题，因此在2016年，他来到了斯坦福大学卡耐基科学研究所继续他的博士后研究。
“这个研究小组非常具有探索性。我向我的合作导师建议，我想研究气候变化的解决方案。他建议我尝试从经济学的角度重新思考气候变化的问题。这几乎是一个全新的从无到有的话题。好在经过不断的努力和研究，我逐渐积累了这个方向的相关基础。”他说。
2018年，王戎回国在复旦大学任教，并成立独立研究小组，研究如何解决全球气候变化问题，探索中国碳中和的最优经济路径(成本最低)。
气候系统中是否存在气候临界点？这是王戎团队最近正在研究的一个课题。目前，他们正试图通过采取相关措施来研究全球气温上升的速度。
在2060年之前，人们可能还能使用一些化石能源，但2060年之后，中国应该使用什么样的能源？这个问题比较复杂，不确定因素很多。因此，团队在研究全球气温上升物理机制的同时，也致力于全球能源系统的低碳转型研究。
“我们筛选了每一种能源，包括生物质能、氢能、核能和水电，并研究了使用这些能源对未来全球气候、环境和生态系统的影响。我们希望通过自然科学和社会科学的交叉研究，为中国和世界提供全面、科学、可靠的未来能源系统评估。”王戎最后说道。