全球变暖如何影响可再生能源产量？

Sylvain Cros

巴黎综合理工学院动力气象实验室研究员

Riwal Plougonven

巴黎综合理工学院教授、动力气象实验室高级讲师

2023年末，世界气象组织（WMO）与国际可再生能源机构（IRENA）联合发布了关于气候变化与可再生能源的重要报告。向可再生能源大规模转型是遏制全球变暖的关键。然而，气候变化对可再生能源的生产和分布产生了深远影响，不同地区面临的挑战和机遇各不相同。在全球范围内，如何平衡不同地区的能源生产和需求？各国在应对气候变化对可再生能源影响时，应该采取哪些具体措施？

世界气象组织和国际可再生能源机构指出，全球变暖正在影响可再生能源的生产，特别是风能、太阳能和水力发电。

非洲南部和东南亚等一些地区的电网供应可能会出现季节性困难。

水力发电量与降雨模式直接相关，在干旱地区可能会减少，而在高纬度地区则会增加。

风力发电量的波动尤其会影响人口稠密地区，降幅可达10%至30%。

关键在于：利用可再生能源组合来抵消波动带来的负面影响，并继续实现生产的低碳化。

2023年末，世界气象组织（WMO）与国际可再生能源机构（IRENA）联合发布重要警告[1]：“为了保障能源系统的韧性和效率，并推动相关能源转型，深刻理解气候因素及其与可再生资源的相互作用至关重要。”由此可见，向可再生能源大规模转型，对有效遏制人类活动导致的全球变暖具有决定性作用。具体而言，为了将全球升温幅度控制在1.5摄氏度以内，我们必须大幅增加可再生能源的装机容量，从2023年的3870吉瓦上升到2030年的11000吉瓦[2]。

上述两个权威机构重点强调了全球变暖对能源生产所带来的深远影响。它们考虑的四项关键指标无一例外地受到了气候变化的波及，这包括风力发电、太阳能发电、水力发电以及整体能源需求。IRENA的总干事Francesco La Camera在一份声明中明确指出：“执政者在规划能源基础设施和资产建设时，必须将气候变化的影响，以及由此引发的能源需求增长纳入考量。”这一观点与政府间气候变化专门委员会（IPCC）在其最新发布的综合报告[3]中的观点不谋而合。报告中强调，尽管气候变化对电力生产构成了挑战，但这绝不能削弱全球范围内的减排战略。报告进一步指出，气候变化对不同地区的电力生产影响程度可能存在显著差异，尤其是在依赖风能和水能的地区。例如，非洲南部和东南亚等地区可能会在特定季节面临供电困难。与此同时，南美洲等类似地区则可以通过转售其过剩能源来实现能源的优化配置。

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云层的影响

太阳能拥有巨大的生产能力和扩展潜力，其发电量与日照量，以及云层覆盖情况直接相关（不同纬度有所差异）。巴黎综合理工学院动力气象实验室研究员Sylvain Cros博士指出：“云层覆盖状况受大气温度、湿度和气压等因素的影响，而这些因素又与气候变化紧密相连。”他进一步解释说，与1991至2020年的平均水平相比，2022年的太阳能发电负荷因子[4]——即实际发电量与潜在最大发电量的比值——变化不大。然而，根据IRENA的观察，玻利维亚、巴拉圭和阿根廷的负荷因子出现了较大幅度的增长，介于+3%至+6%之间，这些国家已经成为全球太阳能辐照量最丰富的国家之一。展望未来，发表在《自然-永续性》（Nature Sustainability）[5]期刊上的一项研究预测，到2050年，阿拉伯半岛夏季的低效率天数可能翻倍，而南欧的这一数字将减半。在温室气体排放的中等情景下（RCP4.5，即预计到本世纪末全球升温2.7°C），2050年夏季太阳能发电量的预期变化如下：阿拉伯半岛减少4%，中欧增加5%，阿塔卡马沙漠增加3%，澳大利亚东南部和非洲西北部减少2%，中国和东南亚增加2%。

在全球范围内，气候变化对太阳能产量的影响相对较小。IPCC指出，这些细微的产量变化不太可能削弱太阳能在全球能源转型中的关键作用。Cros博士解释道：“气候模型预测显示，随着气温的升高，尤其是在干旱地区，云量可能会增加。这一现象可以归因于土壤和海洋表面水分蒸发量的增加，以及对流作用的加强，这有助于水蒸气上升到更高的海拔并凝结成云。”Cros博士进一步补充道：“然而，云层覆盖还受到许多其他复杂因素的影响，这些因素在现有气候模型中的不确定性较大。”此外，社会经济因素的预测同样充满挑战。尽管如此，技术进步正在驱动光伏电池板转换效率和产量的提升。“部署速度是另一个不容忽视的重要因素。伴随着太阳能电池板成本的显著降低，且其快速的部署速度有望抵消辐照度下降的影响。”

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地区差异和风力发电

风能是另一种至关重要的可再生能源。通过对比2022年，以及1991至2020年间的负荷率，WMO和IRENA观察到了一些显著变化。不少欧洲国家的风能负荷率下降了10%以上，而在中美洲和巴布亚新几内亚，这一下降幅度更是超过了16%。与此相反，撒哈拉以南非洲、马达加斯加、玻利维亚、巴拉圭、韩国和美国等地区的风能负荷率则上升了8%。然而，近期的研究表明，这些变化在很大程度上可以归因于自然气候的波动，例如厄尔尼诺和拉尼娜现象的交替出现，而非与人类活动直接相关的全球变暖。

在气候预测领域，地表温度的变化相对容易预测和理解。然而，正如巴黎综合理工学院动力气象实验室教授Riwal Plougonven所指出的，大气环流的变化模拟则要复杂得多，因为存在多种机制可能影响风的产生[6]。这使得我们很难为未来的风能资源确定一个明确的、大规模的信号。据IPCC估计，在可预见的未来气候情景下，全球长期风能资源的整体趋势不会发生根本性的变化。然而，这并不意味着所有地区都能免受气候变化的影响。实际上，某些地区可能会经历风能资源的显著变化，这种变化可能在不同年份甚至不同月份之间出现。在对75项科学研究[7]的综合分析中，研究者人员指出，在21世纪下半叶，美国西部的风能生产潜力可能会有所下降。此外，包括欧洲、俄罗斯和中国在内的北半球地区，也可能面临风能生产潜力下降的趋势。

图片来源：PI France

与之形成鲜明对比的是，中南美洲、非洲南部以及东南亚等地区的风力发电量预计将呈现上升趋势。在2024年2月发布的一份研究报告[8]中，一些学者指出，从现在起到2100年，在温室气体排放的最坏情境下（SSP5-8.5），风能产量将显著下降。例如，在欧盟和美国的大部分地区，预计风能产量将下降约10%左右。报告中强调，这种产量下降对人口密集区域的影响尤为严重，从而加剧了其影响。Plougonven称：“根据不同地区的特点，变化范围可能在10%到30%之间，影响不容忽视。”然而，他也提醒我们：“目前，大多数研究都基于温室气体排放的最坏情景，并聚焦于对本世纪末的预测上。尽管这种前景具有一定的参考价值，但鉴于其与风能行业的实际发展时间尺度相差较远，因此其实际应用价值可能有限。”

在水力发电领域，WMO与IRENA的联合报告指出，南美洲、东亚、中非、东非和西欧等地区的水力发电量在2022年出现了减少。与此同时，加拿大、墨西哥、俄罗斯、印度、尼泊尔、南非、澳大利亚以及斯堪的纳维亚半岛的某些国家则有望见证水力发电量的提升。与太阳能的情况相似，这些观测结果主要与2022年出现的拉尼娜现象有关。水力发电量与水资源的可用性直接相关，并受到气温和降雨强度的显著影响。展望未来，大量水电站（占比61%至74%）位于那些预计到2050年河流流量将大幅减少的地区。综合来看，预计高纬度地区的河流流量将增加5%至20%，而干旱地区的流量则可能减少5%至20%。这一变化将影响北美和中美洲、南欧、中东、中亚以及南美洲南部等地区。

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气候预测与可再生能源部署

在规划和部署可再生能源的过程中，我们必须将这些气候预测纳入考量。全球部分地区有望面临双赢局面，“获益”于多种能源产量的增加。然而，另一些地区则可能遭遇多重影响，面临更多挑战。WMO和IRENA的报告以博茨瓦纳、莫桑比克、纳米比亚、南非和津巴布韦等国家为例，展示了这种复杂性：2022年6月，尽管这些地区的太阳能产量有所减少，但水力和风力发电量却显著增加。然而，到了同年10月，多数指标却呈现出下降趋势，给电力供应带来了潜在风险。Plougonven强调：“在可再生能源的组合中寻求平衡是确保各种气候变化影响能够相互抵消的关键。”此外，地区间的电力交换也能够缓解这些影响。例如，北美地区风力发电潜力的增加可以帮助抵消墨西哥风力发电产量的减少。WMO和IRENA在其报告中进一步强调了建立预警系统的重要性，这在确保全球能源安全方面发挥着至关重要的作用。

在总结时，Plougonven明确指出：“显然，为了优化可再生能源的生产布局，我们必须将与气候变化相关的因素纳入考虑。但这并不意味着我们可以放弃大规模部署这些能源资源，不能忽视能源系统脱碳的紧迫性和必要性。”气候变化对能源转型的最后一个主要影响是什么？答案：能源需求。

作者

Anaïs Marechal

编辑

Meister Xia

1.WMO, IRENA (2023), 2022 Year in Review: Climate-driven global renewable energy potential resources and energy demand.

2.Website consulted on 26 April 2024: https://www.irena.org/Digital-content/Digital-Story/2024/Mar/Systemic-Changes-Needed-to-Triple-Renewables-by-2030/detail.

3.Clarke, L., et al. 2022: Energy Systems. In IPCC, 2022: Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA. doi: 10.1017/9781009157926.008.

4.The load factor is the ratio between the energy produced over a given period and the energy that could have been produced during that same period if the energy production equipment had been operating constantly at its rated power, i.e. under optimum conditions of use.

5.https://doi.org/10.1038/s41893-020–00643w.

6.https://doi.org/10.1038/ngeo2253.

7.https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112596.

8.https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.129765.