2023年4月24日，南師大陳旻、閭國年團(tuán)隊(duì)在《自然-通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表題為“Carbon mitigation potential afforded by rooftop photovoltaic in China”的研究論文。本研究基于多源異構(gòu)地理空間數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)回歸方法進(jìn)行建模，解決了現(xiàn)有評估中普遍面臨的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和計(jì)算限制，首次模擬量化了中國354座城市2020年的屋頂光伏碳減排潛力。此外，進(jìn)一步考慮城市用地擴(kuò)張和電力結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的不同情景，以明確到2030碳達(dá)峰年屋頂光伏碳減排潛力的未來變化。本研究的結(jié)果為中國更有針對性地開發(fā)屋頂光伏提供了關(guān)鍵支持，對應(yīng)對可持續(xù)發(fā)展和氣候變化的雙重挑戰(zhàn)具有重要意義。

圖 輸入數(shù)據(jù)、誤差分布及外推模型性能

本研究以團(tuán)隊(duì)在之前工作中創(chuàng)建的大規(guī)模矢量建筑屋頂面積數(shù)據(jù)集（https://doi.org/10.1038/s41597-022-01168-x）為基礎(chǔ)，選取道路長度、建成區(qū)面積、人口規(guī)模、夜間光照強(qiáng)度4個(gè)與城市建設(shè)密切相關(guān)的指標(biāo)作為解釋變量，構(gòu)建隨機(jī)森林回歸模型量化全國屋頂面積。所選解釋變量與屋頂面積具有良好相關(guān)性，所建立回歸模型表現(xiàn)出良好泛化能力，可以為大規(guī)模屋頂光伏評估提供精細(xì)化數(shù)據(jù)支持。對于每10 km2地面單元，平均絕對誤差（MAE）僅為0.06 km2。

根據(jù)各地屋頂面積、太陽輻射、電網(wǎng)排放情況，354座城市首先被聚類為四組。各組城市呈現(xiàn)出地理集聚現(xiàn)象，表明相鄰城市在開發(fā)屋頂光伏方面往往具有相似的區(qū)位條件。東西向聚集呈現(xiàn)出屋頂面積和輻射強(qiáng)度的差異，南北向聚集呈現(xiàn)出電網(wǎng)排放強(qiáng)度的差異，這對于明確各地開發(fā)屋頂光伏潛力的關(guān)鍵因素至關(guān)重要。例如擁有較高人口紅利的東部城市，有望通過部署屋頂光伏成為電力設(shè)施脫碳的先行者；而碳依賴度較高的部分北部工業(yè)化城市，加快建設(shè)新能源電力系統(tǒng)則更為必要。

考慮35%的屋頂可用性，理想情況下2020年中國354座城市的屋頂光伏碳減排總潛力為40億噸，約等于電熱行業(yè)碳排放量的近70%。各城市總碳減排潛力的平均值為1100萬噸，東南地區(qū)第1-3組中的城市貢獻(xiàn)了89%的潛力，而西部地區(qū)第4組中的城市由于缺乏屋頂面積而平均潛力最低（600萬噸）。特別的，第一組中的部分城市，包括濰坊（5200萬噸）、重慶（4700萬噸）和臨沂（4600萬噸），其屋頂光伏碳減排潛力約為三峽大壩2020年減排量的一半。

表 不同城市用地?cái)U(kuò)張和電力結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型情景下屋頂碳減排潛力的未來變化

在不同城市用地?cái)U(kuò)張情景下，與2020年相比，2030年中國屋頂面積預(yù)計(jì)將增長5937-9235 km2，這表明十年間潛在裝機(jī)容量將增加416-646 GW。在宣布承諾（APS）能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型情景下，電網(wǎng)排放水平大幅下降，即使考慮裝機(jī)容量的潛在增長，屋頂光伏碳減排潛力也將減少超20%。但在既定政策（STEPS）情景下，電網(wǎng)排放仍維持在較高水平，最終預(yù)估潛力與2020年基本持平。這也意味著對于中國而言，屋頂光伏減排潛力將隨著可再生能源的普及而逐漸降低，但在未來十年內(nèi)仍然相當(dāng)可觀。

通過對比現(xiàn)有裝機(jī)情況，大多數(shù)城市對理論潛力的開發(fā)還處于較低程度，本研究所提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)有望更好地支持未來實(shí)踐。以碳減排總量和強(qiáng)度為指標(biāo)，分別基于四分位數(shù)對城市開發(fā)屋頂光伏的潛力進(jìn)行排序。碳減排總量指標(biāo)遵循自上而下的視角，例如政府通常更關(guān)心當(dāng)?shù)氐目倽摿κ欠窨梢灾С謱?shí)現(xiàn)既定目標(biāo)。碳減排強(qiáng)度指標(biāo)遵循自下而上的視角，例如企業(yè)和個(gè)人通常更關(guān)心單位潛力是否可以提供高收益。綜合考慮碳減排的總量和強(qiáng)度也很重要，例如潛總量和強(qiáng)度都較低的城市可能在推廣屋頂光伏時(shí)面臨更大的壓力。

研究生張智欣為第一作者，南京師范大學(xué)陳旻、閭國年及香港理工大學(xué)嚴(yán)晉躍為通訊作者。該研究工作得到可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)大數(shù)據(jù)國際研究中心（CBAS2022GSP08）、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（批準(zhǔn)號：41930648）、中國國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（批準(zhǔn)號：2020YFA0608601）、瑞典知識基金會(huì)（KKS）Flexibility等項(xiàng)目的支持。

論文信息：Zhang, Z., Chen, M., Zhong, T. et al. Carbon mitigation potential afforded by rooftop photovoltaic in China. Nat Commun 14, 2347 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-38079-3

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-38079-3

論文下載：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38079-3.pdf