2023年4月24日，南師大陳旻、閭國年團隊在《自然-通訊》（Nature Communications）在線發表題為“Carbon mitigation potential afforded by rooftop photovoltaic in China”的研究論文。本研究基于多源異構地理空間數據和機器學習回歸方法進行建模，解決了現有評估中普遍面臨的關鍵數據和計算限制，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，進一步考慮城市用地擴張和電力結構轉型的不同情景，以明確到2030碳達峰年屋頂光伏碳減排潛力的未來變化。本研究的結果為中國更有針對性地開發屋頂光伏提供了關鍵支持，對應對可持續發展和氣候變化的雙重挑戰具有重要意義。
圖 輸入數據、誤差分布及外推模型性能
本研究以團隊在之前工作中創建的大規模矢量建筑屋頂面積數據集（https://doi.org/10.1038/s41597-022-01168-x）為基礎，選取道路長度、建成區面積、人口規模、夜間光照強度4個與城市建設密切相關的指標作為解釋變量，構建隨機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性，所建立回歸模型表現出良好泛化能力，可以為大規模屋頂光伏評估提供精細化數據支持。對于每10 km2地面單元，平均絕對誤差（MAE）僅為0.06 km2。
根據各地屋頂面積、太陽輻射、電網排放情況，354座城市首先被聚類為四組。各組城市呈現出地理集聚現象，表明相鄰城市在開發屋頂光伏方面往往具有相似的區位條件。東西向聚集呈現出屋頂面積和輻射強度的差異，南北向聚集呈現出電網排放強度的差異，這對于明確各地開發屋頂光伏潛力的關鍵因素至關重要。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施脫碳的先行者；而碳依賴度較高的部分北部工業化城市，加快建設新能源電力系統則更為必要。
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，東南地區第1-3組中的城市貢獻了89%的潛力，而西部地區第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 不同城市用地擴張和電力結構轉型情景下屋頂碳減排潛力的未來變化
在不同城市用地擴張情景下，與2020年相比，2030年中國屋頂面積預計將增長5937-9235 km2，這表明十年間潛在裝機容量將增加416-646 GW。在宣布承諾（APS）能源結構轉型情景下，電網排放水平大幅下降，即使考慮裝機容量的潛在增長，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，電網排放仍維持在較高水平，最終預估潛力與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，但在未來十年內仍然相當可觀。
通過對比現有裝機情況，大多數城市對理論潛力的開發還處于較低程度，本研究所提供數據基礎有望更好地支持未來實踐。以碳減排總量和強度為指標，分別基于四分位數對城市開發屋頂光伏的潛力進行排序。碳減排總量指標遵循自上而下的視角，例如政府通常更關心當地的總潛力是否可以支持實現既定目標。碳減排強度指標遵循自下而上的視角，例如企業和個人通常更關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度也很重要，例如潛總量和強度都較低的城市可能在推廣屋頂光伏時面臨更大的壓力。
研究生張智欣為第一作者，南京師范大學陳旻、閭國年及香港理工大學嚴晉躍為通訊作者。該研究工作得到可持續發展目標大數據國際研究中心（CBAS2022GSP08）、國家自然科學基金重點項目（批準號：41930648）、中國國家重點研發計劃（批準號：2020YFA0608601）、瑞典知識基金會（KKS）Flexibility等項目的支持。
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
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