在全球能源结构加速向低碳转型的背景下，如何高效整合可再生能源成为关键议题。光伏和风电已成为能源系统去碳化的核心，然而这类能源高度依赖气象条件，存在显著的间歇性和不确定性，对维持供需平衡构成重大挑战。传统应对方案多依赖储能系统或调峰电源，成本高昂、风险大，当风光渗透率接近甚至达到100%时，发电与负荷错配所带来的系统风险可能会远超依赖化石能源的风险。近年来，跨区域电网互联被视为突破可变可再生能源瓶颈的前景方案，通过电力跨境流动，可实现不同区域间的时空互补，提高资源利用效率。然而，现有研究多停留在宏观层面，缺乏对地理适宜性、电网布局、储能调度等核心要素的系统性分析。

作者系统评估了全球互联的太阳能-风能系统在满足未来电力需求方面的可行性与效益。通过整合高分辨率空间（500 米）和时间（每小时）数据，全面评估了考虑太阳能和风能可开发性、可获取性和互联性的全球潜力。通过开发多目标空间优化框架，确定了具有成本效益和资源效率的互联战略，提供了有关太阳能-风能发电厂的空间分布与部署时间、储能和输电能力的区域分配，以及全球互联的潜在效益和风险的宝贵见解。该工作推动了对全球能源互联的更细致理解，并为实现这一愿景提供了具体的可参照的实现路径。

结果表明，全球可互联的太阳能与风能发电潜力高达237×10³ TWh/年，约为2050年预期用电量的3倍。但资源与需求间存在显著错配，例如东南亚和南欧潜力不足，而中亚和非洲部分地区则远超需求。在时段上也存在差异，亚洲东部在夜间时段发电短缺，而西欧与非洲中部则出现过剩。这一结构性不均衡凸显了推进跨区域电力互联的必要性。全球光伏-风能早期部署倾向于靠近人口中心、提升本地供电能力；随着互联程度提升，风光发展逐步向资源优势区域倾斜。到2040年代，洲际互联将促进非洲北部与亚洲西部资源开发；至2050年代，美洲南北成为主要新增部署区域，跨洲电力走廊建设将成重点。优化后的方案投资约117万亿美元，仅为最高估算值的54%。灵活性高的电网拥有更多的可选发展途径，提高了系统演化过程中的灵活性和容错性。

全球互联显著提升了风光资源利用效率，降低了实现净零排放目标的总体成本。相较区域独立方案，全球互联方案可减少22.1%的发电装机容量和41.6%的储能功率需求，发电波动下降至8%以下，风光渗透率提升5.1%，整体投资成本下降至84.2%，可节省约22.5万亿美元。全球互联有助于提升供电稳定性和能源可用性。2050年代电力交易量预计将达38.5×10³ TWh/年，是2030年代的近14倍。这种跨区域能源流动有望缓解当前资源错配问题，全球能源不平等显著改善，基尼系数由0.327降至0.173。在投资分布上，全球互联方案还缓解了发展中地区的经济压力，避免了因清洁能源转型导致的过度财政负担，提升了全球能源转型的公平性与可持续性。

全球互联大幅提升了系统应对气候变化、极端天气、政策不协调、地缘政治冲突与市场竞争等不确定性的能力。太阳辐射、风速或负荷发生波动导致的全球电力供应不确定性低于0.1%；在极端天气下，单一区域断电导致的风光供应损失仅为2.6%。然而，全球互联的系统稳定性受到地区政策与地缘因素的干扰。若各区域转向能源自给，将打破供需平衡，导致亚洲与非洲部分区域的风光削减量大幅上升。在极端情形下，全球电力削减量可能上升逾40%。此外，输电节点故障、互联线路中断及价格竞争也可能放大区域风险。例如，亚洲东部若失去与东欧的连接，电力缺口可达15%。研究强调，确保全球互联系统长期可靠性，需依赖稳定的地缘环境、协调的政策机制与公平的市场规则。

本研究为全球太阳能与风能互联系统提供了系统性路线图，突破了传统概念验证和区域案例的局限，首次实现对可互联风光潜力的空间估算与盈余—短缺区域识别，明确了跨区域能源调配的必要性。通过多目标优化，研究提出了具成本效益的部署路径，兼顾资源均衡、削减最小化与系统效率。相较以往仅聚焦碳中和潜力的研究，该成果更关注实施可行性与风险应对，在能源获取公平性和系统韧性方面提供了可量化的政策建议。

研究成果以“Globally interconnected solar-wind system addresses future electricity demands”为题，于2025年5月15日在线发表在Nature子刊《Nature Communications》。中国科学院地理资源所姜侯副研究员、秦军研究员和中国科学院空天信息创新研究院柏永青助理研究员为共同第一作者，中国科学院地理资源所姚凌研究员、周成虎研究员为共同通讯作者。合作者包括哥本哈根大学Martin Brandt教授、北京大学连旭研究员、斯坦福大学Steve J. Davis教授、哥伦比亚大学赵文利博士、中国科学院地理科学与资源研究所吕宁副研究员和刘唐助理研究员等。研究得到了中国科学院B类战略性先导科技专项“数据-模型驱动地理智能系统与典型场景应用”和国家自然科学基金等项目资助。

文章信息：

Jiang,H.^ψ,Yao,L.*,Qin,J.^ψ,Bai,Y.^ψ,M. Brandt,Lian,X.,S. J. Davis,Lu,N.,Zhao,W.,Liu,T.,Zhou,C*. Globally interconnected solar-wind system addresses future electricity demands. Nature Communications 16,4523 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41467-025-59879-9

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-59879-9

图 1. 全球可互联的太阳能和风能发电潜力

图 2. 全球互联情景下光伏、风能、储能和输电能力的最优分阶段配置

图 3. 全球互联对电力供应和获取的潜在益处

图 4. 全球互联系统应对极端或不可预见情况的复原力