南美洲南部电网区域协调研究：降低低碳电力系统成本负担的关键

一、研究作者、机构与发表信息 本研究由来自多个研究机构的学者共同完成。主要作者包括：Jacob Wessel（第一作者及通讯作者，单位：塔夫茨大学土木与环境工程系），Afm Kamal Chowdhury（第二作者，单位：马里兰大学地球系统科学跨学科中心），Thomas Wild（第三作者，单位：马里兰大学地球系统科学跨学科中心与马里兰大学全球可持续发展中心），Franklyn Kanyako（单位：威斯康星大学麦迪逊分校纳尔逊研究所全球环境与可持续发展中心），Gokul Iyer（单位：马里兰大学全球可持续发展中心），以及Jonathan Lamontagne（单位：塔夫茨大学土木与环境工程系）。这项研究于2025年发表在期刊*Nature Communications*上。

二、学术背景与研究目的 本研究属于能源系统建模与低碳转型规划领域。全球南方国家在规划长期低碳电力系统时，面临着深刻的基础设施投资不确定性，且这些规划往往独立于邻国的能源系统进行。理论上，国家电网会从更广泛的区域一体化中受益，但这些效益的性质对技术经济不确定性和自然资源的地理分布非常敏感。特别是对于可再生能源资源丰富但分布不均的地区，如何通过国际合作来经济高效地实现深度脱碳目标，是一个关键的科学与政策问题。

研究以南美洲南部共同市场（Mercosur）区域的五个国家（阿根廷、巴西、智利、巴拉圭和乌拉圭）为案例。该区域历史上以水电为主，正在发展其他清洁电力以满足增长的需求并平衡水电出力，同时致力于减少未来排放。该地区拥有共享的双边水电项目历史以及通过Mercosur贸易集团实现的经济一体化背景，为长期协调的电力规划提供了有利条件。然而，评估一国可再生能源禀赋与另一国的互补性受到众多不确定性的影响，这些不确定性在不同尺度上可能以不同方式显现。例如，对风能和太阳能光伏（photovoltaic, PV）扩建进行更精细的时空表征，可能导致单个国家之间分配结果的不确定性增大，即使整个聚合系统对不确定性的敏感性仍然较小。此外，风能和太阳能光伏技术技术经济性能的不确定性也会影响未来的容量扩张结果。

因此，本研究旨在阐明在严格减排目标和一系列技术经济假设下，区域电力协调对于可再生能源资源丰富且地理分布不均的南美洲次区域的价值。具体目标包括：量化区域协调在降低深度脱碳成本方面的效益；分析协调如何影响各国间的技术部署、电力贸易和成本负担分配；以及评估技术经济不确定性如何在区域和国家尺度上影响最优的发电结构。本研究通过结合广泛时空覆盖与技术经济不确定性，填补了现有文献在理解区域协调电网基础设施规划如何受空间显式资源潜力影响，以及影响如何跨尺度分布方面的空白。

三、详细研究流程与方法 本研究采用了一种基于优化建模的系统分析方法，核心是构建并运行一个高度详细的电力系统容量扩张模型，通过设计一个包含80种不同未来情景的集合，来探索不确定性下的各种可能路径。

1. 建模框架与工具 研究使用的核心工具是GridPath，这是一个开源的、基于优化的容量扩张模型。研究团队基于此平台开发了针对Mercosur区域的“GridPath-Mercosur”五节点电力系统模型。该模型的特点和优势在于其高度空间分辨率的可再生能源资源表征。模型将每个国家视为一个需求节点，并通过双边高压输电线路互联。其新颖之处在于，风电和太阳能光伏的容量扩张决策并非在国家层面进行聚合，而是从分布在整个区域的高质量候选项目点中择优选择。这些项目点以0.5度（约55公里）的空间分辨率进行定义，每个点都有其特定的技术潜力、历史小时级容量因子和资本成本。

2. 情景集合设计 为了系统考察不确定性，研究者构建了一个包含80个情景的集合，这些情景在四个关键维度上发生变化（见表1）： * 协调水平：分为“完全协调”和“有限协调”。在“完全协调”情景中，各国可以自由进行电力交易，并且跨国输电线路的扩张投资作为容量扩张问题的一部分被共同优化。在“有限协调”情景中，电力交易和输电容量被限制在2020年的水平，不允许新建跨国互联线路。 * 排放政策：分为“参考情景”（无CO2排放目标）和“减排情景”（到2050年，电力系统的CO2排放量相比2020年水平减少90%）。后者代表了一种深度脱碳路径。 * 太阳能光伏技术特性：考虑了两种太阳能跟踪类型——固定式（fixed）和单轴跟踪式（1-axis tracking），这影响了光伏电站的发电曲线和容量因子。 * 风机技术特性：考虑了十种不同的风力涡轮机模型，其功率曲线和轮毂高度等参数不同，从而影响了风电场的小时级发电量和资本成本。

通过组合这4个维度（2 x 2 x 2 x 10），生成了80个独特的模型运行实例。这种设计使得研究者能够分离并分析区域协调政策、深度脱碳目标以及风能和太阳能技术经济不确定性各自的独立影响和交互作用。

3. 模型输入与数据处理 * 可再生能源资源：风能和太阳能光伏的历史小时级容量因子数据通过Renewables.ninja平台获取，该平台使用经过偏差校正的MERRA-2再分析数据，并针对特定技术（风机型号、光伏跟踪类型）进行校准，生成了每个候选项目点的月-小时平均可用率时间序列。资本成本基于公开的汇总数据估算，并根据到最近现有输电线路的距离进行调整，以反映并网成本。 * 水电：未来的水电扩张被限制在一组基于现有文献的规划项目中。其季节性发电能力使用全球水文模型Xanthos进行估算，模拟的月历史水电数据用于估计现有和规划水电站的月平均容量因子。 * 其他数据：包括各国历史负荷、需求增长率、现有发电容量、技术资本成本、现有跨境输电容量、燃料成本等，均遵循并扩展了先前研究的数据来源和方法。 * 优化问题：模型将容量扩张问题构建为一个混合整数线性规划问题，使用Gurobi求解器。它在2020年至205年期间，以五年为时间步长，优化所有基础设施投资（发电容量、储能容量、跨境输电），以满足每个需求节点在288个代表性月-小时时间片（24小时×12个月）的电力需求，目标是在满足备用容量要求、排放约束和计划退役等条件下，实现总成本（资本和运营成本）的净现值最小化。

4. 数据分析工作流程 模型运行后，研究者从系统层面和国家层面对输出结果进行了全面的比较分析： * 成本分析：计算并比较了不同情景下2020-2050年的累计系统总成本，分解为新发电容量成本、电网运营成本（含燃料）和输电扩张成本。 * 容量与发电结构：分析了2050年各国及区域整体的新增发电装机容量和发电量构成，特别关注风电、太阳能光伏和化石燃料发电的变化。 * 电力贸易：量化了各国之间在模拟期内的累计电力进出口量，并分析了关键互联线路的电力流变化。 * 不确定性评估：通过计算各技术（太阳能、风电、水电、化石燃料）在区域及国家层面“容量份额”（占总装机容量的比例）的四分位距，并比较减排情景与参考情景下IQR的比值，来衡量减排政策和协调水平对部署不确定性的影响。比值小于1表示减排政策减少了该技术部署的不确定性。 * 辅助指标：还分析了弃风弃光率、储能部署、未满足需求等指标，以评估系统运行的可靠性和效率。

四、主要研究结果 1. 区域协调显著降低脱碳成本，并缓解成本不确定性 在所有考虑的技术经济假设下，实现90%的深度脱碳会导致系统总成本增加约5%至18%。然而，完全的区域协调能够有效减轻这一成本负担。在减排情景下，与有限协调相比，完全协调带来的累计系统总成本净节省主要源于新发电容量投资的大幅减少。具体数据显示，为了实现减排目标，有限协调情景需要额外投资147亿至228亿美元用于新建发电容量，而完全协调情景下，仅需投资35亿至70亿美元用于扩张输电网络，即可实现相同的减排目标。也就是说，通过相对适度的输电投资，完全协调可以避免三倍以上的发电容量过度建设成本。此外，完全协调还略微降低了脱碳成本溢价本身的不确定性范围。

2. 协调优化发电结构，提升系统效率 在完全协调下，系统层面的新增发电容量投资对于大多数技术都有所减少。然而，发电量结构却呈现不同趋势：区域总风电发电量在完全协调下显著增加，尽管风电装机投资趋于减少。这一矛盾现象源于资源的地理优化配置。例如，在有限协调下，智利需要建设更多的本地风电容量，以满足其零碳能源需求并补充其昼间太阳能发电。但这些风电项目的容量因子低于阿根廷和巴西更优质的场址。在完全协调下，智利可以更多地依赖从阿根廷进口风电和水电，从而避免投资低效的本地风电，转而充分利用其优质的太阳能资源。 完全协调还通过更广泛区域的资源高效利用和聚合具有不同日负荷曲线的国家负荷，减少了对于电网级电池储能的依赖，降低了总弃电率，并减少了对更昂贵的调峰电厂的使用。这表明协调通过提高电网平衡效率，减少了对储能和备用容量的需求。

3. 电力贸易激增，成为平衡不确定性的关键机制 完全协调促进了双边电力交换总量的大幅增加，尤其是在减排情景下。贸易的增长有助于通过更高效地采用可再生能源，来缓冲由技术经济不确定性和排放政策可能引发的成本负担。例如，阿根廷凭借其规模、中心地理位置、丰富的风能资源潜力以及天然气（作为过渡燃料）的调节作用，在平衡整个Mercosur电网中扮演了核心角色，成为主要的净出口国。巴拉圭则继续向巴西出口水电。而巴西，作为最大的需求国，在完全协调下增加了对进口电力的依赖，以抑制其自身需求增长和减排带来的总体成本负担。贸易使得系统能够利用多样化可再生能源组合的互补性，来平滑与资源间歇性相关的季节性和昼夜波动。

4. 国家间效益与负担分配不均 虽然区域协调降低了系统总成本，但效益在各国的分配并不均匀。在完全协调和减排情景下，净出口国（阿根廷和巴拉圭）由于需要安装额外的发电容量来满足出口需求，其总成本会升高（尽管未计算出口收入或辅助服务收入）。相反，巴西作为净进口国，则通过进口更便宜的电力降低了其成本负担。对智利而言，完全协调允许其在减排情景下减少风电和储能投资，更多地依赖太阳能和进口电力，但其新增的化石燃料发电容量和发电份额却有所增加，这表明在区域成本最优的排放政策下，新的化石燃料发电机组的选址可能在系统内发生转移，即使整体深度脱碳，也可能对选址地的环境和健康产生未在模型中体现的负面影响。

5. 减排政策减少清洁技术部署的不确定性，但协调可能改变国家层面的路径 研究发现，在几乎所有情况下，无论是国家层面还是系统层面，深度脱碳政策都显著减少了风电、太阳能光伏和水电部署的不确定性。这意味着减排目标极大地收窄了这些清洁能源技术装机结果的范围。然而，化石燃料发电机组并未表现出相同模式，其在减排下的系统范围容量组合不确定性反而更高，因为各国仍会根据不同的风能和太阳能技术经济特性，建设新的备用容量。 一个关键的发现是，区域层面的结果并不总能反映单个国家的情况。在完全协调下，脱碳政策导致的清洁能源部署不确定性降低幅度更小，甚至在某些情况下会增加。这是因为更大互联系统提供的灵活性，允许区域容量结构有更广泛的结果范围。例如，阿根廷风电容量的不确定性在减排和完全协调下会增加，这与其在Mercosur电网中的核心平衡角色及其对风电技术的敏感性增加有关。这说明了政策杠杆和区域协调可能导致异质的次区域影响浮现，而驱动电网结果的基础技术经济不确定性也可能在这些尺度上被加剧或改善。

五、研究结论与意义 本研究通过对南美洲Mercosur区域的高分辨率建模分析，明确论证了区域电网协调在规划和运营层面具有显著且一致的经济效益。在严格的深度脱碳目标下，完全的区域协调可以通过增加电力贸易和优化跨国输电扩张，以相对 modest 的输电投资（35-70亿美元），避免三倍以上成本的发电容量过度建设（147-228亿美元），从而大幅降低实现碳中和的成本溢价。此外，协调还通过提供灵活性来应对区域资源利用的优势和劣势，从而对冲能源转型中的技术不确定性。

研究的科学价值在于，它首次在一个高度详细的时空资源表征模型中，综合评估了区域协调、深度脱碳目标和技术经济不确定性三者之间的复杂交互作用及其跨尺度（区域与国家）影响。其应用价值则为全球南方以及其他拥有地理分布不均的可再生资源、正在寻求通过国际合作实现排放目标的地区提供了重要的政策启示。系统规划者可以利用类似的框架来评估增强区域电网协调的潜在利弊。

六、研究亮点 1. 方法创新：研究采用了具有极高空间分辨率的可再生能源项目选址模型（GridPath），将技术经济不确定性（10种风机型号、2种光伏跟踪技术）直接嵌入到地理分布的可再生能源潜力评估中，使得容量扩张决策更加贴近现实世界的资源分布和成本差异。 2. 情景设计的系统性：构建的80成员情景集合系统性地探索了“协调水平”、“排放政策”和“技术不确定性”三个关键维度的组合效应，使得结论具有 robust 性，能够区分不同驱动因素的影响。 3. 跨尺度影响分析：研究不仅关注区域整体的成本和效益，还深入剖析了协调和不确定性对单个国家的差异化影响，揭示了在整体获益背景下可能出现的国家间负担分配不均问题，这对于实际政策谈判和利益协调至关重要。 4. 重要发现：明确量化了区域协调带来的“以输电换容量”的巨大经济效益（避免3倍以上过度投资），并揭示了脱碳政策在降低清洁能源部署不确定性方面的主导作用，以及区域协调可能改变国家层面最优转型路径的机制。

七、其他有价值内容 研究在讨论部分也坦诚指出了其局限性和未来研究方向。首先，模型未明确考虑区域协调背后的制度、政治和市场结构复杂性（如不同的电力市场模式、成本分摊机制、监管壁垒等），这些是实现理论效益的实际挑战。其次，依赖于跨国电力贸易和更少但更优质的可再生能源场址，可能会增加参与国的能源相互依赖，尤其是在输电扩张受阻或贸易中断时，可能带来供应安全风险。此外，简化的输电拓扑结构（国家作为一个节点）可能高估或低估了国家内部的可靠性问题。未来研究可以纳入更详细的输电网物理约束、储能的空间选址、海上风电潜力，以及探索不同的排放路径（如国家自主贡献）和非CO2温室气体减排的影响。这些补充分析将使研究结论更加完善和具有指导意义。