雅各布森：仅用风、光、水、储等技术即可低成本实现100%可再生能源

斯坦福大学资深教授马克·雅各布森（Mark Jacobson）团队的最新研究概述了 145 个国家如何通过风能、水能、太阳能和储能等可再生能源满足100%的商业能源需求。该研究发现，在所考虑的145个国家中，较低成本的能源和其他收益意味着转型所需的投资将在六年内得到回报。这也是雅各布森关于“100%可再生能源”研究的最新成果。

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该研究还估计，在全球范围内，这种转型将新增2800万个工作岗位（创造出比因转型而失去的岗位更多的新增就业机会）。该研究预计只有俄罗斯、加拿大和非洲部分地区会出现净失业情况，因为这些国家和地区的经济严重依赖化石燃料。

雅各布森教授的最近研究形成了逾200页的论文，发表在《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）杂志上，题为“145个国家针对全球变暖、空气污染和能源不安全的低成本解决方案”（“Low-cost solutions to global warming, air pollution, and energy insecurity for 145 countries“），该论文详细描述了这一研究模型。

该研究所提的“实现100%可再生能源”所考虑的能源生产技术仅包括陆上和海上风电，用于屋顶和集中发电厂的太阳能光伏发电、聚光太阳能、太阳能热、地热发电和热能，水力发电以及少量潮汐和波浪能发电。

以下为该论文的摘要和基本信息编译：

摘要

Abstract

全球变暖、空气污染和能源不安全仍然是地球面临的三大问题，如果人类仍旧放任二氧化碳的排放，到2023年，地球相对于1850-1900年升温1.5摄氏度，足够的二氧化碳（850亿吨）将累积到2041年使得地球变暖2摄氏度。空气污染造成了约700万人的死亡，使其成为仅次于心脏病的第二大死亡原因，空气污染还会导致每年数亿种疾病的发病率升高。能源不安全是由于照旧使用BAU（business-as-usual）燃料的原因之一，不安全性表现为化石燃料和铀的可用性减少；更依赖与集中发电厂和炼油厂；燃料的供应上的持续依赖会导致一些国际战争、国家内战、以及劳资纷争等问题；以及持续开发环境导致的的环境污染和破坏。

     文章进行假设，从BAU能源完全过渡到清洁、可再生的风-水-太阳能（WWS wind-water-solar）电力、热、存储、传输和设备系统情况下，将能以低成本减少和消除上述三大问题。理想情况下，80%的问题将在2030年得到解决，到 2035-2050年将达到100%。鉴于在全球变暖的同时解决空气污染和能源不安全问题的目标，过渡还必须避免空气污染物的排放，并改善能源安全。

图 1 到2035年（上图）和2050年（下图）过渡到145个国家到100%转换WWS能源的时间表，在2030年这两种情景均为80%

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Part.1

创新点

研究小组研究了一个或所有能源部门（体系）的100%可再生能源(RE) 系统，发现可再生能源系统可以低成本保持电网的稳定。与这项研究最密切相关的是雅各布森团队对139个国家和地区的转型研究、143个国家在所有能源部门实现100%的WWS且同时保持电网稳定的两个研究。上述研究之“所有能源部门”包括电力、交通、建筑供暖/制冷、工业、农林渔业和军事等领域。这项新的研究则考察了145个国家的能源转型，且在5个方面对以前的2项研究进行了改进。

1.增加了2个研究区域

      本研究的研究区域比起以往143个国家的研究相比增加到了145个，增加了老挝和赤道几内亚，这145个国家被分为24个地区，和143个国家的研究保持一致。

2.最终用途能源消耗数据的更新 

      本研究将每个国家每个部门的原始最终使用能源消费数据更新到了 2018年。比前述2个研究2016和2012年的数据更新，类似地，还使用了发电、储能的新成本数据以及装机容量的数据更新，特别是成本数据，远低于之前几种WWS技术研究时的成本。

3.负荷计算的改进 

      本研究的一个显著特点是在2050-2052年的整整三年内，每30秒计算全球建筑供暖和制冷负荷，并使用天气预测模型，对每个国家的风能和太阳能发电的负荷进行一致计算，匹配每个区域的可变能源供应、存储和需求响应。在之前的基础研究中，这些负荷是根据每日供暖和制冷的数据估算出来的。

4.电池技术迭代

      在本研究中，持续放电时间可以达到四小时的电池可以提供长时间的蓄电和大量的瞬时峰值功率。由于电池成本已经大幅下降，而且此类电池现在很容易获得，现在有理由包括比以前的研究更大的电池渗透率。 

5.执行了五项新的敏感性测试（sensitivity tests，不确定性分析）

1）第一个测试，在成本最高的地区（主要是小国家和岛屿国家）增加区域供热和供冷的比例，以检查增加区域供热和供冷对保持电网稳定成本的影响。2）第二，当电池成本比基本情况下假设的成本高出 50% 时，估计能源平均成本和年度成本的百分比增长。这种敏感性测试很重要，因为未来的电池成本预计会下降但不确定，而且这里的大部分电力存储是电池储能。3）第三个测试中，将灵活负载及时转移所需的最大小时数从基线值 8 小时减少，以查看每个区域实际需要多少小时的负载转移。如果所需的最长时长少于8小时，那么实施需求响应应该比建议的更容易。4）第四个测试，考察了以牺牲电池电动汽车为代价来提高电解氢燃料电池电动汽车的渗透率的成本。5）第五个测试，研究了白天和黑夜基本稳定的电动汽车充电成本对比主要是白天与主要是夜间的电池电动汽车充电的成本。

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Part.2

方法论

量化从BAU转移到WWS能源系统的成本和收益。主要步骤如下：

（1）利用表格预测BAU情景中从2018年到2050年对6个能源使用部门中145个国家的7种能源消费需求

（2）估计2050年由于在每个国家的每个部门为每种燃料类型提供电力或直接供热以及利用WWS提供电力和供热而减少的需求

（3）进行资源分析，然后估计满足每个国家每年平均总需求所需的风-水-太阳能(WWS)电力和热力

（4）使用预测全球天气-气候-空气污染的计算机模型(GATOR-GCMOM)，来估计每个国家三年内每30秒的风和太阳辐射场以及建筑冷热负荷

（5）将这145个国家分成24个世界地区，并使用计算机模型(LOADMATCH)，从2050年到2052年，每隔30秒将每个地区的可变能源需求与可变能源供应、存储和需求响应(DR)进行匹配

（6）评估 WWS 与 BAU 的能源、健康和气候成本

（7）计算由于WWS能源发电而产生的土地面积需求

（8）计算WWS与BAU就业人数的变化 

（9）讨论和评估不确定性

表 1 不同能源技术的额定装机容量

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Part.3

研究结论

1. 能源需求和发电结果

      图1显示了向100% WWS过渡的两种可能的时间线。在这两种情况下，到2030年都将实现80%的转变。在一种情况下，到2035年达到100%;另一种情况是，到2050年达到100%。在两种情况下，2050年BAU和WWS的最终用途能源消耗和发电结构是相同的。如果第二个时间表(到2030年和2050年分别达到80%和100%)得以实现，并且2030年和2050年也分别消除了2020年80%和100%的非能源排放，那么到2050年，空气中将增加约3400亿吨二氧化碳。因此，这样的过渡时间表将避免1.5摄氏度的升温，因为它将导致低于5000亿吨累积二氧化碳排放限额。为了进一步减少气候破坏，减少空气污染造成的巨大生命损失和能源不安全造成的危险，还提出了2035年实现完全过渡的时间表。

      图 1 到 2035 年（第一幅图）和 2050 年（第二幅图）将 145 个国家过渡到 100% WWS 的时间表，到 2030 年这两种情况都达到 80%。表1给出了2050-2052年各类能源发电产生的电力和热量(包括负载和损耗)的混合数据，分别为145个国家和每个地区的平均值。在所有国家中，太阳能占比46.0%，风能占比45.0%。

表 2 2050年主要地区WWS与BAS情景结果比较
2. 储能结果      145个国家的电池总储能容量为84.51 TWh / cycle。相比之下，水库总库容为4567 TWh /年，接近2020年世界水电产量。由此可知，水电年蓄能量相当于所有电池循环54次的年蓄能量。在模拟中，每年所需的电池循环次数从0到290不等，有8个地区每年所需的电池循环次数少于54次。水电和电池之间的比较是相关的，因为在未来，随着间歇性可再生能源在电网上的高渗透，现有的水电将用于基本负载和峰值功率(像电池)。由于所有的电池在电池的峰值放电率下都能储存足够的能量来供电4小时，所以各国电池的总峰值放电率为21.13 TW。作为对比，水力发电为1.16 TW，目前这些国家也有。因此，与传统水电相比，本研究中的电池储能能够满足更高的电力需求高峰。      世界还拥有高达 3200 TWh 的低成本和 23200 TWh 的低成本和高成本抽水蓄能 (PHS) 容量潜力。这两种容量都远大于此处提出的 14.7 TWh 的PHS容量和84.51 TWh的电池电容。因此，在许多情况下，PHS 可以替代电池。事实上，PHS 的单位存储容量成本低于电池，而且 PHS 不需要采矿或化学品。虽然更多的 PHS 是可能的，但电池通常是首选，因为它们更容易安装，并且在许可期间面临的反对更少。
3.成本结果      如表2所示，在保持电网稳定的同时实现所有 145 个国家转型的资本成本净现值为 61.5 万亿美元（2020 美元），其中新的电力和热力生产占 45.7 万亿美元。其余成本用于电、热、冷和氢储存；氢电解和压缩；用于区域供热的热泵；和远距离传输。个别地区的资本成本从冰岛的 28 亿美元到中国的 13.3 万亿美元不等。美国的成本为 6.7 万亿美元，欧洲的成本为 5.9 万亿美元。建议的年度资本支出遵循与图 1 所示的建议过渡速度相同的轨迹，即到 2030 年为 80%，到 2035 年或 2050 年为 100%。在所有 145 个国家中，2050 年 BAU 年度社会成本为每年 83.2 万亿美元，其中包括 2050 年私人能源成本（每年 17.8 万亿美元）、健康成本（每年 33.6 万亿美元）和气候成本（每年 31.8 万亿美元）。      因此，改用100% WWS可将社会和私人能源成本分别降低92.0%和62.7%，达到每年6.6万亿美元。私人能源成本在BAU和WWS之间显著下降是因为WWS减少了56.4%的能源需求和14.3%的单位能源成本。社会能源成本的降低是因为WWS还消除了健康和气候成本。综上所述，WWS年社会能源成本仅为BAU的8%，WWS年私人能源成本仅为BAU的37.3%
4.土地面积和就业变化结果      根据145个国家的平均数据，新建WWS基础设施的土地足迹占145个国家土地的0.17%，占地面积占土地的0.36%。德国是所有国家中陆上风电占地面积最高的国家（2.56%）。如果不能调整陆地风电的部署，一些陆上的风就会转移到近海。同样，如果公光伏设施占一个国家土地足迹的2%以上，则建议将其转移到浮动离岸的光伏，或者转移为屋顶光伏和海上风电，还可以通过向临近国家进口电力以及修建海底电缆的方式解决WWS的资源紧张。      在就业方面，WWS可能会创造5560万个新的长期全职工作岗位，而化石能源的退役可能导致失去2720万个工作岗位，因此长期全职工作岗位净增加值为2840万个。此处岗位的数字指的是从事能源生产、传输和存储等领域的建设和运营岗位，还包括直接就业、间接就业和诱导就业的人数。在世界24个地区中，有21个地区的就业机会存在净增加。净损失发生在非洲、加拿大和俄罗斯地区。这些地区严重依赖化石燃料。然而，制造更多电器和提高建筑能源效率的需求所造成的就业这里并未计算在内。

图2. WWS情景下对于土地面积的占用需求

5.节能与电网稳定性结果      在为期三年的模拟中，LOADMATCH准确匹配了每个地区的能源供给与需求，“所有区域”的“最终使用加损耗”在模拟中的平均值为11719 GW，这正好等于“供应加存储变化”。此外，在任何区域的任何时间都没有出现负载损失，图3显示了中国的情况。100% WWS保持电网稳定的两个原因是:(1)寒冷地区建筑热负荷与风能供应呈正相关，(2)世界所有地区风能供应与太阳能供应呈负相关。在11个地区，热负荷与风力供应之间的相关性非常强或强，在另外5个地区相关性中等。在温暖的国家(古巴和菲律宾)有很多这样的例子。相关性最强的地区主要是大型寒冷地区(加拿大、欧洲、俄罗斯、中国、美国)，但也包括中美洲。这一结果的含义是，在大多数国家，用电热泵供暖建筑，同时增加风力电力供应，提高了它们以低成本匹配整体负荷的能力。同样，由于风能和太阳能在本质上是互补的，将风能和太阳能结合起来可以提供更多的总功率，促进整体负荷与供电的匹配。图3 2050-2052中国地区全能源需求与供应和存储的匹配小时时间序列

原文：Low-cost solutions to global warming, air pollution, and energy insecurity for 145 countries

链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ee/d2ee00722c

DOI：https://doi.org/10.1039/D2EE00722C

作者：Mark Z. Jacobson, Anna-Katharina von Krauland,  Stephen J. Coughlin, Emily Dukas, Alexander J. H. Nelson,   Frances C. Palmera  and  Kylie R. Rasmussena  

引用：Jacobson M Z, von Krauland A K, Coughlin S J, et al. Low-cost solutions to global warming, air pollution, and energy insecurity for 145 countries[J]. Energy & Environmental Science, 2022.

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CWEA

来源：能源与环境科学，编译：气候变化经济学公众号，内容：潘嘉骏 

https://mp.weixin.qq.com/s/IBLU4vySgSgpBqgjRiueGg

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ee/d2ee00722c

https://www.mindfood.com/article/low-cost-solution-to-energy-insecurity/

https://web.stanford.edu/group/efmh/jacobson/Articles/I/145Country/22-145Countries.pdf

https://web.stanford.edu/group/efmh/jacobson/

https://web.stanford.edu/group/efmh/jacobson/Articles/I/WWS-145-Countries.html

PDF下载：https://web.stanford.edu/group/efmh/jacobson/Articles/I/145Country/22-145Countries.pdf

145个国家数据：https://web.stanford.edu/group/efmh/jacobson/Articles/I/145Country/

校订：风能专委会CWEA公众号

相关参考：

《焦耳》论文-139个国家全行业实现100%可再生能源路线图

https://www.cell.com/joule/pdf/S2542-4351(17)30012-0.pdf

2014-2019年雅各布森100%清洁能源系统相关论文 

雅各布森提供的撰写图书的相关参考资料（22篇文章）

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