【摘要】碳達(dá)峰、碳中和“30·60目標(biāo)”成為我國(guó)新時(shí)期高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵目標(biāo)，事關(guān)今后幾十年的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，對(duì)消費(fèi)模式、生活方式及生態(tài)建設(shè)有深刻影響。液氮作為一種新能源介質(zhì)，不僅可以用于發(fā)電、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、數(shù)據(jù)中心散熱、化石燃料降碳、超導(dǎo)輸電，而且也可廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍工、科學(xué)研究、臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，從而形成一個(gè)節(jié)能—儲(chǔ)能—產(chǎn)能—輸能的碳達(dá)峰一體化生態(tài)。這樣一個(gè)液氮生態(tài)系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)不受限地理?xiàng)l件儲(chǔ)能的同時(shí)，帶動(dòng)了我國(guó)其他領(lǐng)域，諸如紅外焦平面、低溫電路、超算芯片、半導(dǎo)體大型生產(chǎn)設(shè)備、醫(yī)療技術(shù)、新能源汽車、量子計(jì)算等的發(fā)展，拓展了盈利模式，建立了多元收益方式，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展，為構(gòu)建我國(guó)液氮新能源體系提供了一種全新的思路，對(duì)全面構(gòu)建我國(guó)現(xiàn)代能源體系有著重要意義。
【關(guān)鍵詞】碳達(dá)峰 儲(chǔ)能 液氮生態(tài)系統(tǒng) 能源體系
【中圖分類號(hào)】 F426.2/O61 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A
【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2022.13.007
碳達(dá)峰、碳中和對(duì)能源體系的要求
人類的可持續(xù)發(fā)展離不開能源。人均電力消耗與人類發(fā)展指數(shù)是衡量國(guó)家發(fā)展水平的兩個(gè)重要指標(biāo)。越是發(fā)達(dá)的國(guó)家，人類發(fā)展指數(shù)越接近1，人均電力消耗也越高，如美國(guó)、加拿大和北歐等發(fā)達(dá)國(guó)家。[1]聯(lián)合國(guó)開發(fā)計(jì)劃署發(fā)布的《2020年人類發(fā)展報(bào)告》指出，人類發(fā)展指數(shù)值最高的國(guó)家是挪威，其數(shù)值為0.957，而中國(guó)只有0.761，人均電力消耗也只有美國(guó)加拿大的十分之一。[2]發(fā)展需要消耗能源，但同時(shí)也要實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和。碳達(dá)峰、碳中和“30·60目標(biāo)”成為我國(guó)新時(shí)期高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵目標(biāo)，事關(guān)今后幾十年的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，對(duì)消費(fèi)模式、生活方式及生態(tài)建設(shè)有深刻影響。因此，這對(duì)我國(guó)能源消耗提出了更嚴(yán)苛的要求，即開源節(jié)流。
開源，即使用大量的可再生能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、水電能、生物能等。[3]依據(jù)《中國(guó)電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告2021》，截至2020年年底，我國(guó)抽水蓄能3149萬(wàn)千瓦，比上年增長(zhǎng)4.0%；并網(wǎng)風(fēng)電28165萬(wàn)千瓦，比上年增長(zhǎng)34.7%；并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電25356萬(wàn)千瓦，比上年增長(zhǎng)24.1%。風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電利潤(rùn)增速分別為16.3%和3.0%。我國(guó)人均用電量從2015年的4142千瓦時(shí)／人上升到2020年的5331千瓦時(shí)／人；電能在終端能源消費(fèi)中占比從2015年的22.1%提升至2019年的26.4%。這反映出我國(guó)發(fā)展前景勢(shì)頭良好，對(duì)能源需求旺盛?！吨腥A人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》（簡(jiǎn)稱“十四五”規(guī)劃）強(qiáng)調(diào)，構(gòu)建現(xiàn)代能源體系，推進(jìn)能源革命，建設(shè)清潔低碳、安全高效的能源體系，提高能源供給保障能力，并提出建設(shè)一批多能互補(bǔ)的清潔能源基地。
隨著新能源發(fā)電的大規(guī)模建設(shè)，風(fēng)電和光伏發(fā)電的并網(wǎng)和消納問(wèn)題日益凸顯。由于風(fēng)電和光伏發(fā)電屬于電源項(xiàng)目，必須集中在“三北”地區(qū)等風(fēng)力和光伏資源豐富地區(qū)，電源的送出和消納必須依托電網(wǎng)。但是，風(fēng)電和光伏發(fā)電由于其隨機(jī)間歇性，接入后便會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊。如何解決可再生能源對(duì)電網(wǎng)的沖擊，一直是困擾可再生能源發(fā)展的難題。處理不好，每年會(huì)有大量的風(fēng)電、光伏發(fā)電等被棄用。[4]2021年1月國(guó)家能源局發(fā)布的2020年可再生能源發(fā)展情況顯示，2020年我國(guó)全國(guó)平均棄風(fēng)率和棄光率分別為3%和2%。[5]
大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)可有效解決這一難題，主要方式包括抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能。抽水蓄能是指在用電低谷時(shí)利用過(guò)剩電能抽水至上水庫(kù)，在用電高峰時(shí)再放水至下水庫(kù)發(fā)電的儲(chǔ)能方式，具有調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、儲(chǔ)能、系統(tǒng)備用和黑啟動(dòng)六大功能。目前抽水蓄能技術(shù)相對(duì)成熟，也是使用規(guī)模最大、成本較低的一種儲(chǔ)能方式。然而，我國(guó)“三北”地區(qū)水資源缺乏，且抽水蓄能電站的建設(shè)受地質(zhì)條件約束，選址要求高，建設(shè)周期長(zhǎng)，建設(shè)規(guī)模有限。壓縮空氣儲(chǔ)能是指利用剩余電力壓縮空氣，并儲(chǔ)藏在高壓密封設(shè)施內(nèi)，在用電高峰時(shí)再釋放出來(lái)驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的儲(chǔ)能方式，其受外部環(huán)境和材料制約較大。氫能，作為二次能源，原料豐富，完全無(wú)毒無(wú)害，且清潔性好，燃燒以后只產(chǎn)生水，無(wú)污染。其轉(zhuǎn)化形式多樣，較為成熟，可通過(guò)燃機(jī)直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過(guò)燃燒轉(zhuǎn)化為熱能，通過(guò)燃料電池轉(zhuǎn)化為電能，是一種相對(duì)方便應(yīng)用的能源。但是，氫能劣勢(shì)也很明顯：其一，轉(zhuǎn)化層級(jí)多，綜合效率低；其二，存儲(chǔ)與運(yùn)輸太過(guò)困難；其三，危險(xiǎn)性高。因此，考慮到我國(guó)自然資源分布的不均勻和對(duì)可再生能源的需求，碳達(dá)峰、碳中和對(duì)我們提出了更高的要求：發(fā)展不受限于地理?xiàng)l件的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)是必然趨勢(shì)。此外，大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)成本高，制約儲(chǔ)能技術(shù)商業(yè)化和規(guī)?；l(fā)展，導(dǎo)致儲(chǔ)能市場(chǎng)并沒(méi)有很好地形成，缺乏明確的電力輔助服務(wù)市場(chǎng)化機(jī)制和價(jià)格機(jī)制，使得目前的儲(chǔ)能盈利模式較為單一，投資回報(bào)率吸引力不高。所以，建立多元的收益方式是未來(lái)儲(chǔ)能項(xiàng)目開發(fā)的另一關(guān)鍵。
液氮儲(chǔ)能方案
筆者認(rèn)為，一個(gè)目前在技術(shù)上已經(jīng)成熟的方案[6]是低溫液氮儲(chǔ)能發(fā)電。其技術(shù)原理如下（如圖1所示）：其一，利用可再生的風(fēng)能和太陽(yáng)能將空氣降溫至零下196攝氏度，使氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)液化，并將其以液體的形式存儲(chǔ)在深冷罐體中；其二，將液氮汽化，恢復(fù)氣體形態(tài)，利用此過(guò)程中釋放的能量驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)產(chǎn)生穩(wěn)定電能；其三，產(chǎn)生的電能可以通過(guò)液氮超導(dǎo)輸電線向外輸運(yùn)，進(jìn)一步降低電能損耗。像電池廠一樣，每個(gè)液氮發(fā)電系統(tǒng)由“充電站”、“存儲(chǔ)”和“放電站”組成。但重要的是，液氮儲(chǔ)能中每個(gè)部分都可以獨(dú)立設(shè)置。充電是由液化系統(tǒng)提供的，其使用的電力來(lái)自風(fēng)能或者太陽(yáng)能。這個(gè)系統(tǒng)主要包括空氣分離裝置、熱交換器和壓縮機(jī)，將氮?dú)鈴拇髿庵蟹蛛x出來(lái)，將其冷卻壓縮至液態(tài)并輸送到儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐基本上充當(dāng)了電池單元。當(dāng)需要電力時(shí)，熱交換器將液態(tài)空氣蒸發(fā)，通過(guò)膨脹式渦輪機(jī)膨脹，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。作為一種熱機(jī)械電池，能量是以液化空氣的形式儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中。由于能量被儲(chǔ)存在成本相對(duì)較低的大型儲(chǔ)罐中，能源容量越大（儲(chǔ)存的兆瓦時(shí)越多），設(shè)施的每兆瓦時(shí)成本（資本支出）就越有競(jìng)爭(zhēng)力。
該系統(tǒng)基于成熟的技術(shù)，可在許多工業(yè)過(guò)程中安全使用，并且不需要任何特別稀有的元素或昂貴的組件來(lái)制造。此外，液氮儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過(guò)軟件提供輔助服務(wù)和存儲(chǔ)能力。作為一種極其靈活的資產(chǎn)，與其他只能充電然后放電的電池不同，液氮儲(chǔ)能發(fā)電可以同時(shí)進(jìn)行充電和放電。這意味著可在同一時(shí)間、同一秒內(nèi)提供存儲(chǔ)和系統(tǒng)服務(wù)，或者可以在時(shí)間上進(jìn)行分流，又或可以在不同的功率輸出下同時(shí)進(jìn)行，甚至可以向電網(wǎng)提供慣性，而不需要在儲(chǔ)罐中儲(chǔ)存任何電力。[7]在這項(xiàng)技術(shù)中，也可以同燃燒化石燃料碳匯集成，可實(shí)現(xiàn)10%的降碳。如圖2所示，相比抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，液氮儲(chǔ)能在使用年限、循環(huán)效率、投資成本、存儲(chǔ)時(shí)間等方面和其他兩項(xiàng)技術(shù)基本持平，但無(wú)地理?xiàng)l件限制，儲(chǔ)罐幾乎可以設(shè)在任何地方，均衡性非常好，非常適用于我國(guó)。[8]
液氮儲(chǔ)能概念在1977年首次被提出，2000年首次在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了小規(guī)模驗(yàn)證，2007年申請(qǐng)國(guó)際專利，2010年英國(guó)完成了液氮發(fā)電的首次試運(yùn)行，并于2018年在伯明翰低溫儲(chǔ)能中心正式投產(chǎn)，其儲(chǔ)量高達(dá)15兆瓦時(shí)，并能產(chǎn)生5兆瓦的峰值供應(yīng)。這項(xiàng)技術(shù)目前由英國(guó)Highview Power公司引領(lǐng)發(fā)展。[9]2019年，Highview Power公司宣布計(jì)劃在英國(guó)大曼徹斯特的卡林頓建造一個(gè)50兆瓦／250兆瓦時(shí)的商業(yè)工廠。[10]同年底，該公司宣布計(jì)劃在美國(guó)佛蒙特州北部建造一個(gè)50兆瓦的工廠，擬議中的設(shè)施能夠儲(chǔ)存8小時(shí)的能量，儲(chǔ)存能力為400兆瓦時(shí)。[11]2021年，Highview Power公司宣布在智利的阿塔卡馬地區(qū)開發(fā)一個(gè)50兆瓦／500兆瓦時(shí)的儲(chǔ)能電站。2018年，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所取得了突破，完成了液氮儲(chǔ)能小型化驗(yàn)證。此外，2020年我國(guó)首條公里級(jí)液氮超導(dǎo)電纜工程試?yán)囼?yàn)在上海獲得成功，2021年11月正式掛網(wǎng)輸電，[12]進(jìn)一步降低了電能損失。
液氮系統(tǒng)在超算數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用
事實(shí)上，利用液氮不僅可以實(shí)現(xiàn)上述儲(chǔ)能—產(chǎn)能—輸能，也可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。目前信息技術(shù)在發(fā)生革命性的變化，我們正在邁向一個(gè)萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，而數(shù)據(jù)中心是萬(wàn)物互聯(lián)的基礎(chǔ)。[13]自2017年起，國(guó)家工信部、國(guó)務(wù)院、發(fā)改委先后頒布了多項(xiàng)與數(shù)據(jù)中心相關(guān)的政策。[14]在“十四五”規(guī)劃中，更是把數(shù)據(jù)中心提到了新基建的高度。[15]《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》明確提出，加快構(gòu)建算力、算法、數(shù)據(jù)、應(yīng)用資源協(xié)同的全國(guó)一體化大數(shù)據(jù)中心體系。在京津冀、長(zhǎng)三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈、貴州、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏等地區(qū)布局全國(guó)一體化算力網(wǎng)絡(luò)國(guó)家樞紐節(jié)點(diǎn)，建設(shè)數(shù)據(jù)中心集群，結(jié)合應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)等發(fā)展需求優(yōu)化數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局。加快實(shí)施“東數(shù)西算”工程，推進(jìn)云網(wǎng)協(xié)同發(fā)展，提升數(shù)據(jù)中心跨網(wǎng)絡(luò)、跨地域數(shù)據(jù)交互能力，加強(qiáng)面向特定場(chǎng)景的邊緣計(jì)算能力，強(qiáng)化算力統(tǒng)籌和智能調(diào)度。過(guò)去十年，得益于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，我國(guó)的數(shù)據(jù)中心以年增長(zhǎng)率30%的速度飛速發(fā)展。相應(yīng)地，數(shù)據(jù)中心的耗電量也在持續(xù)增加，已經(jīng)占到全社會(huì)用電量的4%，這引起了國(guó)家的高度重視。[16]自2016年，工信部和國(guó)務(wù)院同時(shí)頒布了多項(xiàng)數(shù)據(jù)中心綠色化的相關(guān)政策，最新的《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023年）》提出，新型數(shù)據(jù)中心特征為高能效、高技術(shù)、高安全、高算力。要求超算數(shù)據(jù)中心綠色低碳，安全可靠。堅(jiān)持綠色發(fā)展理念，支持綠色技術(shù)、綠色產(chǎn)品、清潔能源的應(yīng)用，全面提高新型數(shù)據(jù)中心能源利用效率。統(tǒng)籌發(fā)展與安全，進(jìn)一步強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)安全管理和能力建設(shè)，構(gòu)建完善的安全保障體系。[17]
數(shù)據(jù)中心能耗不僅包括服務(wù)器、交換機(jī)等IT設(shè)備的能耗，還包括空調(diào)、配電等輔助系統(tǒng)的能耗。目前數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備是其能耗最高的部分，約占數(shù)據(jù)中心總能耗的45％左右，其中服務(wù)器能耗占50％左右，存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備能耗分別占35％和15%左右；空調(diào)系統(tǒng)能耗在數(shù)據(jù)中心總能耗中排第二位，占40％左右；配電系統(tǒng)能耗約占數(shù)據(jù)中心總能耗的10％左右。因此，為了降低數(shù)據(jù)中心能耗，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心綠色化和高算力，如何降低IT設(shè)備和制冷系統(tǒng)能耗成為了關(guān)鍵。目前風(fēng)冷的方案正逐漸被液冷方案替代，但能耗依然嚴(yán)重。微軟將其數(shù)據(jù)中心沉入了海底，利用海水進(jìn)行降溫。
為了制冷，機(jī)器可以泡入海水中，那么液氮溫度更低，制冷效果更好，是否可以將機(jī)器泡入液氮來(lái)制冷？答案是肯定的。[18]事實(shí)上，1986年，在美國(guó)國(guó)防部的支持下開發(fā)的ETA10超算，是世界首個(gè)工業(yè)級(jí)高性能CMOS的CPU系統(tǒng)，也是第一個(gè)工業(yè)單板超級(jí)計(jì)算CPU，并且是第一個(gè)且唯一一個(gè)工業(yè)化生產(chǎn)的液氮CPU。相比常溫，液氮制冷的系統(tǒng)算力性能直接提升一個(gè)數(shù)量級(jí)。隨著微電子工藝的發(fā)展和溝道長(zhǎng)度的減小已經(jīng)接近物理極限，摩爾定律面臨著巨大挑戰(zhàn)。[19]2021年，為了應(yīng)對(duì)國(guó)防軍工對(duì)超算算力的需求，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA）立項(xiàng)低溫?cái)?shù)字邏輯技術(shù)，整個(gè)項(xiàng)目預(yù)算9000萬(wàn)美金，設(shè)計(jì)新型低溫CPU，預(yù)測(cè)性能提升45倍，能耗降低20倍。
相比常溫電路，低溫電路有著極大的優(yōu)勢(shì)。[20]低溫電路有5倍的高遷移率，2倍的高飽和速度，閾值電壓降低，互聯(lián)電阻減少，弱化退化機(jī)制，高熱導(dǎo)率等。在低溫電路這個(gè)領(lǐng)域，我們和美國(guó)差距相對(duì)較小，這是我國(guó)彎道超車的機(jī)會(huì)。我國(guó)可以利用液氮低溫技術(shù)在65nm的工藝線上，生產(chǎn)制造具有10nm甚至5nm性能的超算芯片。筆者做一個(gè)簡(jiǎn)單的評(píng)估，數(shù)據(jù)中心正常電力供應(yīng)只是利用液氮進(jìn)行散熱，在同等算力條件下，能耗可降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)；如果數(shù)據(jù)中心的電力是由可再生能源和液氮儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)提供，那將可以真正做到數(shù)據(jù)中心綠色化。因此，發(fā)展低溫液氮儲(chǔ)能和低溫超算，不僅可以解決我國(guó)數(shù)據(jù)中心綠色化的難題，還能同時(shí)帶動(dòng)低溫?cái)?shù)字電路和模擬電路發(fā)展，可以提升我國(guó)半導(dǎo)體低溫芯片水平，間接地創(chuàng)造出另一個(gè)產(chǎn)業(yè)，解決我國(guó)超算芯片自主可控的卡脖子問(wèn)題。
液氮節(jié)能儲(chǔ)能產(chǎn)能輸能生態(tài)系統(tǒng)
低溫液氮是一個(gè)集節(jié)能—儲(chǔ)能—產(chǎn)能—輸能為一體的碳達(dá)峰一體化生態(tài)（如圖3所示）。我們以習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)的“四個(gè)面向”為指導(dǎo)，結(jié)合四個(gè)具體的例子來(lái)展開說(shuō)明。[21]
面向國(guó)家重大需求：低溫液氮智能紅外焦平面和分子束外延。液氮模擬芯片可用于軍用紅外制冷相機(jī)讀出電路；低溫液氮數(shù)字芯片可用于軍用紅外制冷相機(jī)的控制通信存儲(chǔ)顯示；低溫液氮模擬數(shù)字電路結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)“感存算通控”一體化，實(shí)現(xiàn)數(shù)字智慧戰(zhàn)斗部，從而應(yīng)用于反導(dǎo)制導(dǎo)對(duì)抗反潛等領(lǐng)域，提升我國(guó)的國(guó)防實(shí)力，應(yīng)對(duì)當(dāng)下緊張的國(guó)際局勢(shì)。液氮也是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中重要的原材料。作為后摩爾時(shí)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的大國(guó)重器，分子束外延設(shè)備一直被歐美掌握，并用于生產(chǎn)各類化合物半導(dǎo)體芯片。發(fā)展我國(guó)自主生產(chǎn)制造的分子束外延設(shè)備，可打破歐美壟斷，為未來(lái)萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代提供各類高速芯片。
面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)：液氮發(fā)動(dòng)機(jī)和舞臺(tái)特效。[22]1997年，美國(guó)北德克薩斯大學(xué)和華盛頓大學(xué)發(fā)明了液氮驅(qū)動(dòng)的汽車LN2000。[23]英國(guó)人彼得·迪爾曼一直在探索液氮發(fā)動(dòng)機(jī)，并將液氮發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于超市送貨卡車上。我國(guó)在這方面只有零星的研究，亟需加強(qiáng)。液氮發(fā)動(dòng)機(jī)零排放，相比電動(dòng)汽車也具有優(yōu)勢(shì)。[24]同時(shí)，液氮造霧能做出水霧和干冰造霧達(dá)不到的效果。長(zhǎng)征天民公司在低溫火箭液氮加注技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了液氮造霧特效裝置，為劇院、影廳等提供專業(yè)的舞臺(tái)特效服務(wù)，例如，北京環(huán)球影城變形金剛“液氮造霧”特效系統(tǒng)和第七屆世界軍人運(yùn)動(dòng)會(huì)“大地霧森”“水渠霧效”等。[25]
面向世界科技前沿：深空探測(cè)與低溫電路量子計(jì)算。從近地紅外天文衛(wèi)星到太空望遠(yuǎn)鏡再到深空探測(cè)器，這些都離不開液氮制冷的探測(cè)器。我國(guó)航天事業(yè)正在穩(wěn)步推進(jìn)，天宮號(hào)空間站穩(wěn)定在軌運(yùn)行，火箭發(fā)射依然需要用大量液氮做助推劑。此外，量子計(jì)算低溫芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，降溫是一級(jí)一級(jí)進(jìn)行的，從室溫300開爾文到液氮77開爾文到液氦4開爾文再到稀釋致冷10毫開爾文。這些低溫電路的設(shè)計(jì)與制造，對(duì)于量子計(jì)算有著重要的意義。[26]
面向人民生命健康：液氮也廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)與食品行業(yè)。臨床醫(yī)學(xué)和疫苗保護(hù)都需要液氮制冷。在分離液氮的過(guò)程中也可制備液氧，可以用于呼吸機(jī)。液氮還可以用于超速凍食品、冷藏運(yùn)輸包裝等。
這樣一個(gè)液氮生態(tài)系統(tǒng)，在解決不受限地理?xiàng)l件儲(chǔ)能問(wèn)題的同時(shí)，可帶動(dòng)我國(guó)其他領(lǐng)域，諸如紅外焦平面、低溫電路、超算芯片、半導(dǎo)體大型生產(chǎn)設(shè)備、醫(yī)療技術(shù)、新能源汽車、量子計(jì)算等的發(fā)展，拓展盈利模式，建立多元收益方式，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展而無(wú)需國(guó)家進(jìn)行補(bǔ)貼。這是抽水蓄能、壓縮空氣和氫能的儲(chǔ)能技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。大規(guī)模儲(chǔ)能的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題在液氮生態(tài)系統(tǒng)中都可輕易得到解決。
這里我們討論的僅僅是液氮。實(shí)際上通過(guò)不同層級(jí)液化分離空氣，可以得到一系列不同的產(chǎn)物：液氮、液氧、各種液態(tài)惰性氣體，比如，氖氣。液氧自身就有著豐富的用途；氖氣是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中重要的原料，最近的俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)就導(dǎo)致全球氖氣價(jià)格暴漲[27]。實(shí)際上，氮?dú)獾囊夯瘻囟仁?196攝氏度，只比液化天然氣溫度-162攝氏度低了34度。整個(gè)液化天然氣的管道稍作修改即可用于液氮輸送，而氮?dú)獾膬?chǔ)量是極其豐富的。如果把液化空氣的產(chǎn)業(yè)納入進(jìn)來(lái)，整個(gè)低溫液氮生態(tài)系統(tǒng)會(huì)更加龐大。例如，以后加氣站可以同時(shí)提供液化天然氣和液氮，供用戶自由選擇。因此，從這個(gè)角度看，液氮或者液化空氣，其地位應(yīng)該類似于鋼鐵、石油和芯片，是一種基礎(chǔ)設(shè)施或者工業(yè)體系，能夠支撐起非常龐大的產(chǎn)業(yè)，可解決儲(chǔ)能盈利模式單一的問(wèn)題，降低大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的高成本。
實(shí)際上，很多液氮都是冶金鋼鐵廠的副產(chǎn)品。在鋼鐵廠內(nèi)部，使用風(fēng)能和太陽(yáng)能壓縮空氣產(chǎn)生液氮。部分液氮用于數(shù)據(jù)中心制冷，部分液氮通過(guò)汽化膨脹推動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電，輸送到鋼鐵廠和數(shù)據(jù)中心。同時(shí)，鋼鐵廠內(nèi)部的各種汽車，也可以由液氮汽車取代。鋼鐵廠、液化空氣廠、數(shù)據(jù)中心、風(fēng)電、太陽(yáng)能可以形成一個(gè)閉合的工業(yè)產(chǎn)業(yè)園。我國(guó)鋼鐵產(chǎn)能過(guò)剩，且大量的過(guò)剩液氮被丟棄，只有少量被利用?？蓪売玫囊旱儚U為寶，為冶金鋼鐵等行業(yè)提供新型清潔能源。因此，鋼鐵產(chǎn)業(yè)園可以和液氮產(chǎn)業(yè)園共生，實(shí)現(xiàn)類似“稻蝦共養(yǎng)”的生態(tài)系統(tǒng)。這不僅對(duì)我國(guó)的能源產(chǎn)業(yè)意義重大，同時(shí)也對(duì)鋼鐵產(chǎn)業(yè)有著重要影響，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能和碳達(dá)峰的平衡。
總結(jié)與建議
綜上所述，液氮儲(chǔ)能這條技術(shù)路線，技術(shù)可行、成本可控、多邊共贏，響應(yīng)了“碳達(dá)峰十大行動(dòng)”中的能源綠色低碳轉(zhuǎn)型行動(dòng)、節(jié)能降碳增效行動(dòng)、工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰行動(dòng)、交通運(yùn)輸綠色低碳行動(dòng)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)助力降碳行動(dòng)、綠色低碳科技創(chuàng)新行動(dòng)。不僅能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降碳，同時(shí)可帶動(dòng)半導(dǎo)體、汽車、文娛、航天、量子、生命健康等一系列其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，是一個(gè)名副其實(shí)的綜合體。這一點(diǎn)是其他儲(chǔ)能方案所無(wú)法比擬的。綜合看，低溫液氮儲(chǔ)能技術(shù)需要在全國(guó)范圍內(nèi)由示范到推廣，全流程無(wú)限制、可再生；發(fā)展低溫液氮超算芯片，可解決我國(guó)超算能耗、算力和芯片問(wèn)題；低溫液氮可實(shí)現(xiàn)節(jié)能—儲(chǔ)能—產(chǎn)能—輸能碳達(dá)峰一體化生態(tài)。[28]最后，依據(jù)“十四五”規(guī)劃，應(yīng)基于液氮節(jié)能—儲(chǔ)能—產(chǎn)能—輸能碳達(dá)峰一體化生態(tài)，全面構(gòu)建我國(guó)的現(xiàn)代能源體系。
加快發(fā)展風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電。在“三北”地區(qū)有序推進(jìn)大型風(fēng)電光伏基地項(xiàng)目建設(shè)，積極推進(jìn)黃河上游、新疆、冀北等多能互補(bǔ)清潔能源基地建設(shè)。同時(shí)，通過(guò)與液氮儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，降低棄風(fēng)棄光率，增加清潔能源的使用率，推動(dòng)液氮發(fā)電與風(fēng)電、光伏發(fā)電融合發(fā)展、聯(lián)合運(yùn)行。加快發(fā)展液氮儲(chǔ)能發(fā)電循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)，推進(jìn)煤炭、鋼鐵、冶金和化工等企業(yè)形成液氮工業(yè)園區(qū)。在全國(guó)范圍內(nèi)篩選出符合條件的鋼鐵煤炭等企業(yè)，通過(guò)示范作用，逐步向全國(guó)推廣。
鞏固新能源領(lǐng)域技術(shù)裝備優(yōu)勢(shì)，持續(xù)提升風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等可再生能源系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用。強(qiáng)化液氮儲(chǔ)能、氫能等前沿科技攻關(guān)。適度超前部署液氮儲(chǔ)能項(xiàng)目，力爭(zhēng)在液氮儲(chǔ)能全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)上取得突破，推動(dòng)液氮儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展和示范應(yīng)用。加強(qiáng)低溫液氮超導(dǎo)輸電線技術(shù)研究，加快推廣應(yīng)用超導(dǎo)輸電。依托我國(guó)能源市場(chǎng)空間大、工程實(shí)踐機(jī)會(huì)多等優(yōu)勢(shì)，綜合利用煤電、風(fēng)電、光伏電力和液氮電力等關(guān)鍵核心技術(shù)領(lǐng)域成果，建設(shè)一批創(chuàng)新示范工程。
加快信息技術(shù)和能源產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，推動(dòng)能源產(chǎn)業(yè)數(shù)字化升級(jí)，助力發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)。推進(jìn)新一代信息技術(shù)、人工智能、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)在風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電、液氮發(fā)電、微電網(wǎng)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。利用無(wú)人機(jī)巡檢、紅外成像、機(jī)器視覺(jué)等新技術(shù)，開發(fā)各類與能源相關(guān)傳感器，建立能源監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能源系統(tǒng)。建設(shè)智慧能源綠色平臺(tái)和數(shù)據(jù)中心，建立智能調(diào)度體系，發(fā)展自主可控的能源調(diào)度軟件，實(shí)現(xiàn)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”互動(dòng)、多能協(xié)同互補(bǔ)及用能需求智能調(diào)控，實(shí)現(xiàn)能源的數(shù)字化管理和調(diào)度。
以國(guó)家戰(zhàn)略性需求為導(dǎo)向，推進(jìn)創(chuàng)新體系優(yōu)化組合，加強(qiáng)能源技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)。以液氮儲(chǔ)能為扭結(jié)，串聯(lián)起各種儲(chǔ)能技術(shù)，打通各種技術(shù)間壁壘，加快建設(shè)能源領(lǐng)域國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，重組國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，尤其注重各學(xué)科交叉領(lǐng)域。推進(jìn)科研院所在液氮儲(chǔ)能、光伏光電、風(fēng)電、生物能等領(lǐng)域的協(xié)同攻關(guān)，拓展儲(chǔ)能與其他學(xué)科領(lǐng)域交叉，彌補(bǔ)相關(guān)行業(yè)的不足。進(jìn)一步提升能源產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化能力，協(xié)同其他產(chǎn)業(yè)一起向前發(fā)展。同時(shí)，開展可應(yīng)用于能源領(lǐng)域的前沿技術(shù)攻關(guān)，如液氮數(shù)據(jù)中心、低溫電路技術(shù)、CMOS量子退火技術(shù)、能源互聯(lián)、大規(guī)模儲(chǔ)能等。此外，加大相關(guān)人才引進(jìn)力度，“破四唯”，注重工程技術(shù)人員，不以論文、職稱等評(píng)價(jià)人才，建立健全合理的能源領(lǐng)域人才評(píng)價(jià)體系。
建立可再生能源和碳排放積分制度、交易場(chǎng)所，鼓勵(lì)個(gè)人、企業(yè)和社會(huì)團(tuán)體積極參與。放寬可再生能源市場(chǎng)準(zhǔn)入門檻，支持各類市場(chǎng)主體依法平等進(jìn)入負(fù)面清單以外的能源領(lǐng)域。支持各類社會(huì)資本投資油氣管網(wǎng)和風(fēng)電光伏、液氮儲(chǔ)能及氣站等基礎(chǔ)設(shè)施，制定完善管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度規(guī)則，促進(jìn)形成全國(guó)“一張網(wǎng)”。拓展新能源租賃、購(gòu)買、置換等商業(yè)模式，合理設(shè)置煤電、風(fēng)電、光伏、液氮發(fā)電、生物發(fā)電等電價(jià)。逐步由政府補(bǔ)貼過(guò)度到市場(chǎng)調(diào)節(jié)，降低新能源市場(chǎng)成本，增加新能源產(chǎn)業(yè)盈利。進(jìn)一步為新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供政策、商業(yè)、法律等保障。
當(dāng)前世界格局正發(fā)生著劇烈變化，隨著中美貿(mào)易戰(zhàn)、新冠肺炎疫情、俄烏沖突等一系列國(guó)際事件的爆發(fā)，逆全球化浪潮正洶涌而來(lái)。面對(duì)百年未有之大變局，能源作為國(guó)家的支柱，重塑其產(chǎn)業(yè)布局有著非凡的意義。將科技創(chuàng)新貫穿于全面構(gòu)建我國(guó)能源體系的各層級(jí)、各環(huán)節(jié)、各領(lǐng)域，是能源領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展的應(yīng)有之義。
（本文系自然科學(xué)基金委重大項(xiàng)目“銻化物低維結(jié)構(gòu)中紅外激光器基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)”和科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“光電芯片全流程聯(lián)合仿真技術(shù)研發(fā)”的階段性成果，項(xiàng)目編號(hào)分別為：61790582、2021YFB2800304；中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所副研究員宋志剛參與了本文液氮生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容的討論與規(guī)劃）
注釋
[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Human_Development_Index.
[2]Human Development Report 2020, https://hdr.undp.org/content/human-development-report-2020.
[3]《中國(guó)電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告2021：全國(guó)電力市場(chǎng)化交易規(guī)模再上新臺(tái)階》，全國(guó)能源信息平臺(tái)，https://baijiahao.baidu.com/s?id=1704702140896000103&wfr=spider&for=pc，2021年7月8日更新。
[4]《年度數(shù)據(jù)官宣！國(guó)家能源局公布2020年可再生能源發(fā)展情況》，全國(guó)能源信息平臺(tái)，https://baijiahao.baidu.com/s?id=1690451509358851921&wfr=spider&for=pc，2021年2月1日更新。
[5]安永碳中和課題組：《一本書讀懂碳中和》，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2021年。
[6]Knowlen, C.; Mattick, A. T.; Bruckner, A. P.; Hertzberg, A., "The 2011 Energy & Environment Winner-CES", The Engineer, Dec. 2, 2011.
[7]Chen H.; Cong T. N.; Yang W. et al., "Progress in Electrical Energy Storage System: a Critical Review", Progress in Natural Science, 2009(19), pp. 291-312.
[8]"Electricity Storage" (PDF), Institution of Mechanical Engineers, Oct. 22, 2012.
[9]"MAN Energy Solutions to Partner on World's Largest Liquid-Air Energy-Storage(LAES) Project", https://highviewpower.com/news_announcement/man-energy-solutions-to-partner-on-worlds-largest-liquid-air-energy-storage-project/.
[10]"Highview Power and Encore Renewable Energy to Co-Develop the First Long Duration, Liquid Air Energy Storage System in the United States", https://highviewpower.com/news_announcement/highview-power-and-encore-renewable-energy-to-co-develop-the-first-long-duration-liquid-air-energy-storage-system-in-the-united-states/.
[11]"Highview Power and Enlasa Enter Joint Venture to Develop Giga-Scale Cryogenic Energy Storage Projects in Chile and Latin America", https://highviewpower.com/news_announcement/highview-power-and-enlasa-enter-joint-venture-to-develop-giga-scale-cryogenic-energy-storage-projects-in-chile-and-latin-america/.
[12]《新華全媒+丨世界首條35千伏公里級(jí)超導(dǎo)電纜在滬投運(yùn)》，新華網(wǎng)，http://www.news.cn/politics/2021-12/22/c_1128188856.htm，2021年12月22日更新。
[13]《工業(yè)和信息化部關(guān)于印發(fā)〈云計(jì)算發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2017-2019年）〉》，工業(yè)和信息化部網(wǎng)站，http://www.cac.gov.cn/2017-04/11/c_1120785878.htm，2017年4月11日更新；《關(guān)于印發(fā)〈全國(guó)一體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系算力樞紐實(shí)施方案〉的通知》，國(guó)家發(fā)改委網(wǎng)站，https://www.ndrc.gov.cn/xwdt/ztzl/dsxs/zcwj2/202201/t20220112_1311853.html?code=&state=123，2022年1月12日更新。
[14]《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃的通知》，中國(guó)政府網(wǎng)，http://www.gov.cn/zhengce/content/2022-01/12/content_5667817.htm，2022年1月12日更新。
[15]《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，中國(guó)政府網(wǎng)，http://www.gov.cn/xinwen/2021-03/13/content_5592681.htm，2021年3月13日更新。
[16]《國(guó)家綠色數(shù)據(jù)中心試點(diǎn)工作方案》，河北省工業(yè)和信息化廳網(wǎng)站，http://gxt.hebei.gov.cn/hbgyhxxht/zcfg30/gnzc/636065/index.html，2015年3月24日更新；《三部門關(guān)于加強(qiáng)綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，中國(guó)政府網(wǎng)，http://www.gov.cn/xinwen/2019-02/14/content_5365516.htm，2019年2月14日更新；《工業(yè)和信息化部關(guān)于印發(fā)〈新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023年）〉的通知》，中國(guó)政府網(wǎng)，http://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-07/14/content_5624964.htm，2021年7月4日更新。
[17]《數(shù)據(jù)中心能效國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布 詳解能耗構(gòu)成及其指標(biāo)》，千家綜合布線網(wǎng)，http://cabling.qianjia.com/html/2016-10/14_264490.html，2016年10月14日更新。
[18]https://en.wikipedia.org/wiki/ETA10.
[19]"DARPA Program Heating up HPC with Low Temperature Integrated Circuits", https://www.hpcwire.com/off-the-wire/darpa-program-heating-up-hpc-with-low-temperature-integrated-circuits/.
[20]Francis, B.; Gerard, G., "Device and circuit cryogenic operation for low temperature electronics", https://www.researchgate.net/publication/321606929_Device_and_Circuit_Cryogenic_Operation_for_Low_Temperature_Electronics.
[21]Razeghi, M., Technology of Quantum Devices, New York: Springer, 2010.
[22]"Next Steps in Liquid Nitrogen Car Research", https://www.washington.edu/alumni/columns/dec97/car4.html.
[23]Tom, H., "Meet the British Inventor Who Came Up with a Green Way of Generating Electricity from Air – in His Shed", https://inews.co.uk/inews-lifestyle/people/green-electricity-peter-dearman-liquid-air-energy-invention-822608.
[24]http://www.tianmin.com/yewujieshao/wutaigongcheng/.
[25]Roellig, T. L., et al., "Mid-infrared Detector Development for the Origins Space Telescope", Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems, 2020(6), 041503; Rogalski, A., "Recent Progress in Infrared Detector Technologies", Infrared Physics & Technology, 2011(54), pp. 136-154; Kane, B. E., "A Silicon-Based Nuclear Spin Quantum Computer", Nature, 1998(393), pp. 133-137; Gomes, L., "Quantum Computing: Both Here and Not Here", IEEE Spectrum, 2018(55), pp. 42-47.
[26]Grimmett, R. H., "Liquid Nitrogen Therapy: Histologic Observations", Archives of Dermatology, 1961(83), pp. 563-567.
[27]https://en.wikipedia.org/wiki/Air_separation.
[28]《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，《中國(guó)能源報(bào)》網(wǎng)站，https://baijiahao.baidu.com/s?id=1728044142901134255&wfr=spider&for=pc，2022年3月21日。
責(zé) 編／桂 琰
徐應(yīng)強(qiáng)
，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員、博導(dǎo)。研究方向?yàn)镾b化物紅外光電材料MBE生長(zhǎng)及相關(guān)器件的設(shè)計(jì)與制造。主要著作有《新型低維結(jié)構(gòu)銻化物紅外探測(cè)器的研究與挑戰(zhàn)》（論文）、《2-μm Single Longitudinal Mode GaSb-based Laterally Coupled Distributed Feedback Laser with Regrowth-free Shallow-etched Gratings by Interference Lithography》（論文）、《Very Long Wavelength Infrared Focal Plane Arrays with 50% Cutoff Wavelength Based on Type-Ⅱ In As/GaSb Superlattice》（論文）、《Molecular Beam Epitaxy Growth of InGaSb/AlGaAsSb Strained Quantum Well Diode Lasers》（論文）等。
