近期，中國科學(xué)院廣州能源研究所能源戰(zhàn)略與低碳發(fā)展研究室蔡國田研究員團隊在海上風(fēng)電物質(zhì)流和技術(shù)經(jīng)濟評估研究方面取得系列進展?？蒲袌F隊通過建立高時空分辨率的技術(shù)經(jīng)濟和物質(zhì)流評估模型，充分討論了海上風(fēng)電制氫等消納路徑的經(jīng)濟性和技術(shù)潛力，揭示了中國海上風(fēng)電擴張過程中對關(guān)鍵材料（如銅、永磁體）的需求量與新型海上廢棄物產(chǎn)生量的變化過程。
研究建立了考慮技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)演變和海底三維地形的高分辨率（0.25經(jīng)度* 0.25緯度）技術(shù)經(jīng)濟評估模型，揭示了2025-2050年中國海上風(fēng)電制氫的成本演變過程與深水海上風(fēng)電場的最優(yōu)布局方案。研究指出，中國海上氫的平準(zhǔn)化成本將從2025年的50.28 CNY/kgH2下降至2050年的26.60 CNY/kgH2，2050年海上風(fēng)電制氫的總潛力為434-493Mt，其中漂浮式風(fēng)電制氫占54%。多種技術(shù)情景下的分析結(jié)果表明，中國海上風(fēng)電制氫將于2030年在局部地區(qū)（福建省、遼寧省等）內(nèi)與陸地可再生能源制氫相比具有成本競爭力，并在2050年具備廣泛的經(jīng)濟可行性。研究表明匯集輸電的方式可以有效減少用海面積，使投資成本最多可下降65%，其中海底地形是深水風(fēng)電場并網(wǎng)不可忽略的因素。
圖1. 中國海上風(fēng)電制氫的成本演化過程
圖2. 粵東深水區(qū)風(fēng)電并網(wǎng)的空間布局優(yōu)化方案
除此之外，研究提出了空間化、存量驅(qū)動中國海上風(fēng)電高分辨率（1km*1km）物質(zhì)流分析方法，建立了結(jié)合動態(tài)物質(zhì)流和生命周期評價的清潔能源轉(zhuǎn)型關(guān)鍵材料流動模型，揭示了中國海上風(fēng)電發(fā)展和廣東省清潔能源轉(zhuǎn)型過程的物質(zhì)-能量-排放關(guān)系。研究指出，到2060年中國海上風(fēng)電的原材料累計需求為96-140 Mt，廢棄物產(chǎn)生量為6.5-48 Mt，凈能源回報為2.9-12 PWh，可減少溫室排放2.9-9.7 Gt。研究表明中國海上風(fēng)電對銅和永磁材料的累計需求分別為3.8-5.2 Mt和55-140 kt，關(guān)鍵材料的穩(wěn)定供應(yīng)與報廢葉片的回收是實現(xiàn)海上風(fēng)電進一步發(fā)展的前提。
圖3. 中國海上風(fēng)電物質(zhì)流分析結(jié)果
研究還指出，廣東省的清潔能源轉(zhuǎn)型使總材料的存量從1980年的2.9 Mt增加到2018年的45.6 Mt，并將于2050年達到95.7 Mt。清潔能源轉(zhuǎn)型過程中風(fēng)電和核能的大規(guī)模擴張會導(dǎo)致水泥和鋼鐵的用量急劇增加，全生命周期的總碳排放將逐漸下降，但能源基礎(chǔ)設(shè)施的隱含碳排放會增加至6.06 Mt/yr。
圖4. 廣東省清潔能源轉(zhuǎn)型的隱含碳排放量和總排放量
以上研究成果提出了高時空分辨率的海上風(fēng)電評估模型，明確了海上風(fēng)電擴張過程中材料-能源-排放關(guān)系與海上風(fēng)電制氫技術(shù)經(jīng)濟潛力，為海上能源綜合利用提供了新思路與理論依據(jù)。
研究得到國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金資助項目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等項目資助。相關(guān)研究成果相繼發(fā)表于Renewable and SustainableEnergy Reviews (Spatial and temporal evolution of cost-competitive offshore hydrogen in China: A techno-economic analysis, http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2024.114780, 第一作者博士生周洲，通訊作者蔡國田), 《自然資源學(xué)報》（《海上深水區(qū)風(fēng)電場并網(wǎng)的空間布局優(yōu)化——以粵東地區(qū)為例》，http://dx.doi.org/10.31497/zrzyxb.20220406，第一作者碩士畢業(yè)生高麗萍，通訊作者蔡國田），Resources, Conservation and Recycling (Spatiotemporally explicit pathway and material-energy-emission nexus of offshore wind energy development in China up to the year 2060, http://dx.doi.org/10.1016/j.resconrec.2022.106349; Modeling waste generation and end-of-life management of wind power development in Guangdong,China until 2050,http://dx.doi.org/10.1016/j.resconrec.2021.105533;第一作者博士畢業(yè)生陳毓暑，通訊作者蔡國田),Journal of Cleaner Production (The material implications and embodied emissions of clean power transition in Guangdong,China from 1978 to 2050,http://dx.doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.138512,第一作者博士生白如雪，通訊作者蔡國田) 等期刊。
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