迈向碳中和:规划一个环绕全球的基于沙漠的光伏发电网络

摘要

碳是人类过去最可靠的燃料类型，必须在本世纪中和，以实现《巴黎协定》的温度目标。太阳能发电被广泛认为是一种重要的化石燃料替代品，但由于调峰需要占用较大的空间和巨大的能量储存。在这里，我们提出了一个环绕全球的太阳能网络，以连接大陆之间的大规模沙漠光伏发电。通过评估各大洲沙漠光伏电站的发电潜力(考虑尘埃积累)和每个有人居住的大陆可以接收的每小时最大输电潜力(考虑传输损耗)，我们发现这个太阳能网络可以满足目前人类每年的总电力需求。光伏发电的局部不平衡日发电量可以通过电网中其他电站的跨洲输电来弥补，以满足小时电力需求。我们还发现，在大的空间上铺设太阳能电池板可能会使地球表面变暗，但这种反照率变暖效应比火力发电厂释放的二氧化碳要低几个数量级。从实际需求和生态效应来看，这种强大而稳定的电网具有较低的气候扰动，可能有助于在21世纪逐步消除全球碳排放。

介绍

近年来，极端气候事件(如热浪(1)、强降雨(2)和干旱(3))的频繁发生要求我们采取行动加快碳减排。2019年，全球用于发电和供热的二氧化碳排放量为14068亿吨，约占当年排放量的40%。其中，煤、泥炭和油页岩排放了101.78亿吨二氧化碳，占能源部门排放量的70%(4)。如果《巴黎协定》(5)提出的1.5°C没有或有限超标，到2030年，人为二氧化碳排放量应在2010年的基础上减少约45%(6)。然而，预计2030年的排放量将比2010年增加16%。基于113个缔约方提交的国家自主贡献(NDC)核算(7)。这一矛盾促使电力部门继续脱碳，特别是燃煤发电(8)。

尽管如此，全球对电力的需求仍然巨大，而且还在继续增长，这就产生了对可持续的、稳定的、高效的替代煤炭能源的需求。2021年，全球清洁能源电力占比将达到38%，其中风能和太阳能首次超过10%(10)。清洁能源发电仍有广阔的发展空间。毕竟，以中国为例，预计2030年和2060年太阳能与储能的配对潜力将分别达到5.2 × 109 MWh和7.2 × 109 MWh(11)。

光伏(PV)系统比聚光太阳能(CSP)系统更具成本效益，可以灵活地安装在屋顶、海洋、湖泊和沙漠上。如果更多的土地可以开发光伏系统并解决电力储存问题，光电将是有希望的。沙漠广阔、空旷、阳光充足，有合适的坡度，可以满足建设大型太阳能农场的基本需求。在未来碳中和情景下，沙漠光伏发电是完全取代燃煤发电的最佳选择之一(12)。大型沙漠光伏电站在国际上已有成功的反复实践。在中国，腾格里沙漠太阳能公园的太阳能发电能力为1.5吉瓦，面积为43平方公里，可为180多万人供电(13)。在本研究中，我们概念化了一个基于沙漠光伏的跨大陆电力互联网络。我们假设太阳能电池板铺设在全球沙漠地区，土地利用率为20%，光伏转换效率为15%(14)，并计算每个沙漠太阳能发电场在不同清洁频率下的年发电量。此外，我们还评估了在典型季节，每个有人居住的大陆每小时可接收的最大太阳能电量。我们的结论是，考虑到传输损耗，在不使用电力存储设备的情况下，每个栖息地大陆的电力需求仍然可以立即得到满足。我们认为，在能源和气候危机日益加剧的情况下，该电网具有前瞻性和启示性，可用于规划碳中和情景下的电网。

大规模铺设太阳能电池板势必会改变地球下垫面的状况，因此需要对其辐射效应进行评估。一些人为的土地利用模式，如城市化，会引起变暖效应(15)。先前的建模研究表明，风能和太阳能农场的实施可以对温度、降水、植被以及最终的生态系统产生影响(14,16)。大型太阳能板在沙漠浅层表面的辐射强迫还有待评估。另一方面，工业化至2019年人为CO2排放造成的有效辐射强迫达到2.16 W/m2，导致升温1.58°C(17)。停止燃煤发电导致二氧化碳减少，从而导致负辐射强迫。因此，我们接下来比较了大型沙漠太阳能发电场对下垫面反照率的影响与燃煤发电的影响。

结果

基于沙漠的横贯大陆光伏电力供应全球网络蓝图

在构建基于沙漠的全球跨洲光伏供电网络之前，我们收集了沙漠的基本信息(表S1)，并分析了太阳能电池板在全球沙漠地区的适用性(图S1和表S2)。如图S1所示，从坡度、与淡水资源的距离、太阳辐照度三个方面考虑，大多数沙漠地区适合建设光伏电站，尤其是澳大利亚和非洲的沙漠地区。

由于全球沙漠的纵向散射分布，可以建立太阳能发电场(表S1)，我们提出了连接不同大陆的沙漠光伏供电的全球太阳能网络蓝图。鉴于目前还没有海底传输电缆超过1000公里的长距离传输实例，我们在规划传输路径时尽量避免长距离海上传输。全网连接各沙漠光伏电站，以这条输电线路为大动脉向外辐射进行输配电。其中，非洲沙漠光伏电站与中东沙漠光伏电站之间需要跨越红海的输电线路，最小长度约200公里。另一条输电线路从东亚北部的沙漠光伏电站出发，经过中国、蒙古和俄罗斯，穿过白令海峡，然后穿过加拿大和毗邻太平洋的美国西海岸，与北美沙漠光伏电站相连。另一条来自东亚沙漠光伏电站的输电线路向南穿过东南亚的陆上领土，跨海与澳大利亚的沙漠光伏电站相连。主干道建成后，各大洲就连上了电网。图1中连接南美洲中部和非洲沙漠光伏电站的虚线表明，需要跨越大西洋的海底传输电缆~ 3000公里。虽然海底电缆目前可能成为技术瓶颈，但在未来，它仍然具有巨大的潜力，因为挪威NorNed项目显示，在距离583公里的600兆瓦时，电损耗仅为3.7%(18)。在不久的将来，澳大利亚-亚洲电力连接项目正在准备建设从达尔文到新加坡的4500公里、2.2吉瓦的海底电力线路(19)。但是，我们不能保证在网络建成时满足技术条件，所以在补充资料中，也讨论了这条海底长途线路不接入的情况。

两种输电技术，高压直流(HVDC)输电技术(20)和超导输电线路(SCTL)(21)，可能承担未来跨大陆输电的负担。我们整理了高压交流(HVAC)和高压直流输电技术的现状(表S3)，以及近期全球SCTL项目(表S4)。高压直流输电技术在长距离输电中有着广泛成熟的应用，而SCTL技术则具有接近于零的损耗率。

基于沙漠的光伏电网的发电和输电潜力

我们假设在沙漠中安装了固定的太阳能电池板。收集了沙漠地区的长期平均世界水平辐射(WHI)数据，以估计发电潜力。沉积在太阳能电池板上的颗粒物对转换效率有显著影响(22)。相同积尘量下，小粒径板的阴影面积更大，对光伏发电的影响更大(图S2)。效率与积砂量和单位面积砂量的关系可以根据Darwish et al.(23)进行拟合。我们假设每个沙漠的月积沙量相同，设为1.5 mg/cm2。关于积沙的详细数据很难找到，所以我们认为这是一个合理的简化。在此前提下，各光伏电站的月亏电率是一致的。砂粒自然沉降1年后，效率降至0.04(24)。事实证明，如果在一年内不进行清洗，转换效率将降至接近零。清洗频率与发电效率的关系如图S3所示。因此，本研究中的清洁频率设置为每年1次、3次和6次(23)。因此，我们估计了每年1次、3次和6次不同清洁频率(简称情景A、B和C)和面板始终清洁的理想情景(简称情景D)下的发电潜力。

非洲沙漠作为最大的供电中心，情景A、B、C、D的发电量分别达到1.22 × 1011、2.48 × 1011、3.00 × 1011、4.67 × 1011兆瓦时，比世界能源与气候统计(25)估计的2021年全球用电量2.49 × 1010兆瓦时高出几个数量级。2021年全球一次能源消费量为1.76 × 1011 MWh(26)，这也意味着按照目前的能源需求，沙漠光伏的发电量可以为全球提供能源。中东、东亚、澳大利亚、北美沙漠的电力供应情况依次为:不同沙漠地区在不同频率下的年发电量如图2和图S4所示。证明了N = 1、3、6时的年发电量分别占太阳能板始终保持清洁状态时的26%、53%、64%。结果与当前文献比较(表S5)。因此，通过比较技术潜力和现有发电之间的巨大差距，我们确认光电具有广阔的前景。

为了研究沙漠中太阳辐射的日变化和季节变化，使用高分辨率(3小时，10公里)全球表面太阳辐射(1983年至2018年)(27)(图S5)的数据集来区分沙漠太阳能农场在四个季节的逐小时发电量(图S6)。对比每小时的发电差异(UTC时间)，非洲、澳大利亚、东亚、中东和北美的沙漠太阳能农场分别在上午11点、凌晨4点、早上6点、早上8点和晚上20点(UTC时间)达到峰值。北美沙漠太阳能农场在电网调峰中发挥着重要作用。对比3月、6月、9月和12月一天发电量的季节差异，除了澳大利亚沙漠太阳能农场6月发电量最低，12月发电量最高外，其他四个沙漠太阳能农场的情况正好相反。最高发电月的日均发电量是最低发电月的2 ~ 3倍。

在这一点上，我们已经证明了年平均发电潜力可以满足全球年电力需求，但这远远不能证明通过长距离跨洲输电，而不是依靠存储设备或其他形式的能源调峰，可以及时满足每个有人居住的大陆一天中的所有小时的电力需求。同时考虑了各沙漠太阳能发电场的峰谷供电和各大洲的峰谷电力需求，保证了电网的稳定性。为了计算出一天的电力需求峰谷，我们将各大洲的用电量曲线汇总在图S7中。事实证明，对电力的需求在时间上比一个沙漠太阳能农场的发电量要均匀得多，这也强调了沙漠太阳能农场之间的相互联系，以减少高峰和填补山谷。在陆地和海底，输电损耗设定为每1000公里3% (HVDC)(28)和0.5% (SCTL)(29)。在图1的路线规划下，每个沙漠太阳能发电场到各大洲的距离如图1所示。S8和S9，在大西洋有和没有连接。在图1中的虚线可以连接的情况下，每个有人居住的大陆每小时可获得的最大电量汇总在图3中。在没有海上电缆连接的情况下，采用HVDC和SCTL两种技术从输电端到接收端的电量也列在图中。S10到S14。我们还设置了一个基于地理距离分配电力的场景(图2)。S16和S17)。按小时比较供电和需求，两种技术的最大传输潜力远远超过需求。使用功率小于接收功率的1%。多余功率占接收总功率的百分比见表S6。即使考虑到未来的电力需求(表S11)和更高的传输损耗率，我们仍然对供过于求充满信心。

沙漠光伏供电土地利用变化的辐射强迫

太阳能电池板的大规模部署将降低沙漠地区的地表反照率，并造成变暖效应。然而，太阳能电池板将避免热电产生的二氧化碳排放，从而产生冷却效果。因此，在地球系统中严格比较这两种效应是很重要的。

辐射强迫反映了气候因子对地球-大气系统的扰动(30)。平行离线辐射传输(PORT)模式(31)显示，在陆地安装20%太阳能电池板的不同大陆的沙漠中，存在不同程度的正辐射强迫。我们输出了三种类型的辐射强迫，分别是RF-r(在对流层顶)、RF-t(在模式顶部)和RF-tc(在模式顶部和晴空下)。这些都考虑了气溶胶，前两个考虑了云的影响。非洲沙漠上空由地表反照率变化引起的正辐射强迫达到16.02 (RF-r)、16.09 (RF-t)和17.89 (RF-tc) W/m2(详细见图S15)。结果表明，非洲地区的沙漠更容易受到光伏电池板放置的影响，并且由于地表较浅和强烈的太阳辐射，其辐射强迫的变化最为剧烈(32)。社区地球系统模式(CESM)在模拟云和气溶胶的真实情况方面仍然存在偏差(33-35)。同时，云和气溶胶之间的相互作用在辐射强迫中造成了更多的不确定性(36)。为了计算大规模铺设太阳能电池板造成的最极端影响，我们在比较火力发电厂释放的二氧化碳的吸热时选择了RF-tc。非洲、中东、东亚、南美和澳大利亚沙漠网格的年平均RF-tc变化分别为17.89、12.34、9.93、9.71和10.96 W/m2(详见图S15)。

如果清洁频率为零或很低，太阳能电池板上积聚的沙粒会覆盖部分面积。同一堆积质量下的面积覆盖范围与不同大陆砂的直径有关(表S7)。面积覆盖进一步影响土壤颜色和表面反照率(37-39)。一种极端的情况是太阳能电池板完全被沙子覆盖;因此，下面的表面被恢复到原来的样子。如果面板部分被覆盖，则土壤颜色介于沙子颜色和太阳能面板颜色之间。通过运行PORT，总结了不同清洁频率下和不同沙漠地区平均辐射强迫的变化，见表S8。

以区域沙漠光伏发电潜力为基准，在计算相同发电容量的火电(考虑以煤、石油和天然气为燃料的三种情景)释放二氧化碳的正辐射强迫时，我们使用政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告采用的公式(40)。火力发电的放热还包括燃烧产生的余热。当辐射强迫在时间和面积上进行累积时，我们分别得到100年(大约是CO2在地球大气中的停留时间)尺度上的热能和光伏给地球系统带来的多余热量。图4对比了100年时间尺度下光电和煤电的累积吸热情况。在每种情况下，煤电的吸热量都是光电的数百倍。清洁太阳能板的频率越高，光电的优势就越明显。作为一种相对清洁的能源，天然气排放的二氧化碳比煤或石油吸收的热量少。这并不意味着天然气是煤炭的最佳替代品。煤制气过程中的碳排放量仍远高于1.5°C气候目标所要求的排放量(41)。沙漠光伏发电网络的增温潜力远低于天然气，即使下垫面的反照率被广泛改变。

讨论

在碳中和过程中安装大型太阳能电池板，通过改变下垫面反照率，影响地球大气系统的辐射平衡，进而影响局部甚至全球气候，包括气温、土壤温度(42)、降水和风场。这是否会导致近地表温度的上升或下降，这取决于地理位置和PV板的转换效率(43-45)，在研究中没有达成共识。在撒哈拉沙漠大型太阳能发电场的模拟中发现了反照率降低、降水增加和植被增加的正反馈(14)，但是在其他地方和全球尺度上降水变化的趋势可能有所不同，仍然没有详细报道(16)。

该研究发现，在辐射强迫方面，沙漠光伏电站对气候的干扰远小于火电(每年排放大量二氧化碳)。考虑到沙漠光伏电站巨大的发电潜力，构建一个连接大型沙漠光伏电站的稳定的跨洲电网，将对全球气候和环境大有裨益，即使面对日益增长的电力需求，也将有助于实现《巴黎协定》的碳控温目标。这种横贯大陆的电网避免了可再生能源间歇性发电的缺点，实现了发电在全球范围内的即时传输。然而，尽管储能电池存在寿命短的缺点(46)，但为了保持电网输出功率的稳定性和避免浪费电力(47)，仍可能需要储能电池。

除了巨大的电力供应外，该网络的协同效益还应在其他方面看到，例如健康效益，经济效益和人类福利。煤电是气溶胶的重要来源;气体污染物，如PM2.5、SO2、O3;还有重金属。已有大量研究表明，PM2.5(48,49)、SO2(50)和O3(51)暴露会增加心血管和呼吸系统疾病的发病率。与其他大气污染物相比，温室气体对人类健康的影响似乎更为复杂。温室气体带来的气温升高和极端气候(如降水模式改变、海平面上升和极端天气)导致洪水、热浪、干旱和火灾等一系列灾害事件，进而对生态产生负面影响。与此同时，自然灾害具有负面的社会影响，包括流离失所、贫困、移徙和暴力，这些也在减损人类福祉(52,53)。光伏发电作为一种新能源，可以促进上游制造业、光伏电站运营和维护等领域的就业，中国太阳能光伏发电每增加1twh，就能创造4.5万个就业岗位(54)。在升温2°C的情况下，光伏发电提供的就业岗位将是火力发电厂的两倍多，而在升温1.5°C的情况下，这一比例将增加到约6倍(55)。

但是，需要强调的是，本研究只考虑了技术因素。政治权衡和经济成本对于选择特定的输电路径和发电能力至关重要(56,57)。本研究在现有先进技术的基础上，利用了光伏发电的较高潜力，可用于未来的电网建设。此外，大陆之间的电力传输路线可能不同，可能会造成更多的电力损失。同时，值得注意的是，我们只是根据当前家庭用电习惯绘制了时间段的用电量曲线。能源消耗量受政策(58分)、新技术和新设施(59分)、流行病(60分)、人口(61分)、非政府组织(NGO)的行动(62分)等多种因素的影响，需要持续调查。

综上所述，我们在本文中提出了一个基于沙漠的光伏电网环绕全球的想法，区别于其他能源组合(表S12)。我们量化了其满足每个有人居住的大陆实时电力需求的潜在能力，同时，即使考虑到光伏板的不同清洁频率，其变暖效应也远低于煤、石油或天然气为燃料的火力发电。我们认识到影响电网建设的一些障碍，如铺设海底电缆、保证稳定的电力输出、政治权衡和经济成本。

材料与方法

CO核算₂辐射强迫的排放和计算

燃煤发电的年吸热包括三个来源:当年新增二氧化碳排放的辐射强迫、当年以前衰变二氧化碳排放的辐射强迫和化石燃料燃烧产生的废热。首先，计算化石燃料燃烧产生的碳排放。

排放因子法(63-65)用于计算化石燃料的CO2排放量，其中燃烧表示化石燃料燃烧产生的排放量，单位为吨二氧化碳(kg CO2)， AD表示化石燃料活动数据，单位为吉焦耳(TJ)， EF表示二氧化碳排放因子，单位为吨二氧化碳/吉焦耳(kg CO2/TJ)。(具体数值见表S9)。

在本研究中，AD为用于发电的燃料消耗。从发电容量可以推算出AD的大小。假设所有化石燃料的转换效率均为40%。

式中，G为燃煤发电容量。

同时，化石燃料燃烧产生的废热可计算如下:

其中WH表示废热。

大气中CO2的调整时间取决于碳的去除速率，例如光合作用和海洋吸收，从几个月到数十万年不等(66)。

以燃煤发电为例，经过一次湍流后，大气中CO2浓度恢复到平衡状态的过程可以描述为:

式中Ceq (Gt)为平衡态碳质量，即工业化前水平(579 Gt)。CA0 (Gt)为湍流时碳的排放量，ke为停留时间的倒数。在本研究中，CO2的停留时间设为100年(67-69)，因此ke = 0.01。

下面列出了计算CO2辐射强迫的简化表达式(40,70,71)。式6至式9中，N为大气中一氧化二氮的浓度，单位ppb。RF为二氧化碳的辐射强迫，单位:W/m2。(这些常量的值见表S10。)C0代表工业化前的CO2浓度(277.15 ppm)。

值得一提的是，二氧化碳在排放的同时也在衰变。计算100年时间尺度的全球吸热时，公式如下:面积是指地球表面的面积，时间是指一年的86400秒。C0为排放后第一年大气中CO2的添加浓度。RFi是指当年大气中添加性二氧化碳的辐射强迫。

评估沙漠地区的辐射强迫

为了计算由土地利用变化引起的辐射强迫的变化，美国国家大气研究中心(NCAR)开发了群落地球系统模式2 (CESM2, v2.1.3) (72,73);https://www.cesm.ucar.edu/models/cesm2/，最后访问时间:2022年3月31日)，用于运行本研究中的基本案例，配置了社区大气模型5.0版本(CAM5)(74,75)和社区土地模型5.0版本(CLM5)(76)。在这项工作中使用的CAM-chem配置是Trop莫扎特化学。PORT模型(78,31,77)作为CESM的独立部分分发，用于离线诊断辐射强迫。辐射计算采用了辐射方案快速辐射传输法(RRTMG)(79)，因为它考虑了平流层温度调整与固定的动态加热(80)。因此，值得注意的是，PORT没有计算瞬时辐射强迫(IRF)。由于有效辐射强迫(ERF)(81)包含所有对流层和地面调整，因此也应与我们的计算结果区分。

两种模式的水平分辨率均为0.95°纬度和1.25°经度，垂直方向从~ 993(近地面层)到3.6 hPa共30个水平。同化的气象离线数据来自《现代研究与应用回顾分析》第2(82)版(MERRA-2, https://rda.ucar.edu/datasets/ds313.3/，最后访问日期:2022年3月31日)，时间分辨率为3小时。排放清单可从CESM数据库下载(https://svn-ccsm-inputdata.cgd.ucar.edu/trunk/inputdata/atm/cam/chem/emis/1992-2010/，最后一次访问时间:2022年3月31日)。同时，气溶胶种类的排放、干沉降和湿沉降过程也以CESM数据库(https://svn-ccsm-inputdata.cgd.ucar.edu/trunk/inputdata/atm/cam/chem/trop_mozart_aero/，最后访问时间:2022年3月31日)的输入文件为指导。

为了生成PORT模型启动的数据集和测试PORT模型的准确性，基本情况已经运行了超过16个月，输出时间步长分别为18小时和1个月，用于计算瞬时值和平均值。然后，通过导入基本情况的结果文件，在不做任何修改的情况下，首先使用与基本情况相同的时间步长运行PORT模型，以确保与辐射强迫相关的变量(FLNR、FSNR、FLNT、FSNT、FLNS、FSNS等)的值与基本情况一致，这就是多次模拟后输出时间步长为18 h的原因。在选定的沙漠地区修改与土地颜色和反照率相关的参数后，重新运行PORT模式，前后的差值为辐射强迫值(31)。

致谢

我们感谢北京大学提供的超级计算资源。

补充材料

补充材料可在PNAS Nexus在线获得。

资金

国家自然科学基金(项目编号:42077196、41821005)资助。

作者的贡献

概念化是由J.L.;j.l.、y.z.和W.G.的方法论;Y.Z.和C.H.的调查;可视化:yz;J.L.的资金收购;j.l.， s.t.和J.M.的项目管理;J.L.监督;原稿:yz;由Y.Z.和J.L.撰写、评论和编辑

数据可用性

评估论文结论所需的所有数据均包含在论文和/或补充材料中。

参考文献

作者指出