News

　　【摘要】碳达峰、碳中和“3060目标”成为我国新时期高质量发展的关键目标，事关今后几十年的经济增长模式和产业结构、能源结构调整，对消费模式、生活方式及生态建设有深刻影响。液氮作为一种新能源介质，不仅可以用于发电、汽车发动机、数据中心散热、化石燃料降碳、超导输电，而且也可广泛应用于国防军工、科学研究、临床医学等领域，从而形成一个节能储能产能输能的碳达峰一体化生态。这样一个液氮生态系统，在实现不受限地理条件储能的同时，带动了我国其他领域，诸如红外焦平面、低温电路、超算芯片、半导体大型生产设备、医疗技术、新能源汽车、量子计算等的发展，拓展了盈利模式，建立了多元收益方式，实现了储能产业规模化发展，为构建我国液氮新能源体系提供了一种全新的思路，对全面构建我国现代能源体系有着重要意义。

　　人类的可持续发展离不开能源。人均电力消耗与人类发展指数是衡量国家发展水平的两个重要指标。越是发达的国家，人类发展指数越接近1，人均电力消耗也越高，如美国、加拿大和北欧等发达国家。[1]联合国开发计划署发布的《2020年人类发展报告》指出，人类发展指数值最高的国家是挪威，其数值为0.957，而中国只有0.761，人均电力消耗也只有美国加拿大的十分之一。[2]发展需要消耗能源，但同时也要实现碳达峰、碳中和。碳达峰、碳中和“3060目标”成为我国新时期高质量发展的关键目标，事关今后几十年的经济增长模式和产业结构、能源结构的调整，对消费模式、生活方式及生态建设有深刻影响。因此，这对我国能源消耗提出了更严苛的要求，即开源节流。

　　开源，即使用大量的可再生能源，如太阳能、风能、水电能、生物能等。[3]依据《中国电力行业年度发展报告2021》，截至2020年年底，我国抽水蓄能3149万千瓦，比上年增长4.0%；并网风电28165万千瓦，比上年增长34.7%；并网太阳能发电25356万千瓦，比上年增长24.1%。风电、太阳能发电利润增速分别为16.3%和3.0%。我国人均用电量从2015年的4142千瓦时／人上升到2020年的5331千瓦时／人；电能在终端能源消费中占比从2015年的22.1%提升至2019年的26.4%。这反映出我国发展前景势头良好，对能源需求旺盛。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》（简称“十四五”规划）强调，构建现代能源体系，推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系，提高能源供给保障能力，并提出建设一批多能互补的清洁能源基地。

　　随着新能源发电的大规模建设，风电和光伏发电的并网和消纳问题日益凸显。由于风电和光伏发电属于电源项目，必须集中在“三北”地区等风力和光伏资源丰富地区，电源的送出和消纳必须依托电网。但是，风电和光伏发电由于其随机间歇性，接入后便会对电网产生较大冲击。如何解决可再生能源对电网的冲击，一直是困扰可再生能源发展的难题。处理不好，每年会有大量的风电、光伏发电等被弃用。[4]2021年1月国家能源局发布的2020年可再生能源发展情况显示，2020年我国全国平均弃风率和弃光率分别为3%和2%。[5]

　　大规模储能系统可有效解决这一难题，主要方式包括抽水蓄能和压缩空气储能。抽水蓄能是指在用电低谷时利用过剩电能抽水至上水库，在用电高峰时再放水至下水库发电的储能方式，具有调峰、调频、调相、储能、系统备用和黑启动六大功能。目前抽水蓄能技术相对成熟，也是使用规模最大、成本较低的一种储能方式。然而，我国“三北”地区水资源缺乏，且抽水蓄能电站的建设受地质条件约束，选址要求高，建设周期长，建设规模有限。压缩空气储能是指利用剩余电力压缩空气，并储藏在高压密封设施内，在用电高峰时再释放出来驱动燃气轮机发电的储能方式，其受外部环境和材料制约较大。氢能，作为二次能源，原料丰富，完全无毒无害，且清洁性好，燃烧以后只产生水，无污染。其转化形式多样，较为成熟，可通过燃机直接转化为机械能，通过燃烧转化为热能，通过燃料电池转化为电能，是一种相对方便应用的能源。但是，氢能劣势也很明显：其一，转化层级多，综合效率低；其二，存储与运输太过困难；其三，危险性高。因此，考虑到我国自然资源分布的不均匀和对可再生能源的需求，碳达峰、碳中和对我们提出了更高的要求：发展不受限于地理条件的大规模储能技术是必然趋势。此外，大规模储能技术成本高，制约储能技术商业化和规模化发展，导致储能市场并没有很好地形成，缺乏明确的电力辅助服务市场化机制和价格机制，使得目前的储能盈利模式较为单一，投资回报率吸引力不高。所以，建立多元的收益方式是未来储能项目开发的另一关键。

　　笔者认为，一个目前在技术上已经成熟的方案[6]是低温液氮储能发电。其技术原理如下（如图1所示）：其一，利用可再生的风能和太阳能将空气降温至零下196摄氏度，使氮气实现液化，并将其以液体的形式存储在深冷罐体中；其二，将液氮汽化，恢复气体形态，利用此过程中释放的能量驱动涡轮机产生稳定电能；其三，产生的电能可以通过液氮超导输电线向外输运，进一步降低电能损耗。像电池厂一样，每个液氮发电系统由“充电站”、“存储”和“放电站”组成。但重要的是，液氮储能中每个部分都可以独立设置。充电是由液化系统提供的，其使用的电力来自风能或者太阳能。这个系统主要包括空气分离装置、热交换器和压缩机，将氮气从大气中分离出来，将其冷却压缩至液态并输送到储罐，储罐基本上充当了电池单元。当需要电力时，热交换器将液态空气蒸发，通过膨胀式涡轮机膨胀，驱动发电机。作为一种热机械电池，能量是以液化空气的形式储存在储罐中。由于能量被储存在成本相对较低的大型储罐中，能源容量越大（储存的兆瓦时越多），设施的每兆瓦时成本（资本支出）就越有竞争力。

　　该系统基于成熟的技术，可在许多工业过程中安全使用，并且不需要任何特别稀有的元素或昂贵的组件来制造。此外，液氮储能系统可以通过软件提供辅助服务和存储能力。作为一种极其灵活的资产，与其他只能充电然后放电的电池不同，液氮储能发电可以同时进行充电和放电。这意味着可在同一时间、同一秒内提供存储和系统服务，或者可以在时间上进行分流，又或可以在不同的功率输出下同时进行，甚至可以向电网提供惯性，而不需要在储罐中储存任何电力。[7]在这项技术中，也可以同燃烧化石燃料碳汇集成，可实现10%的降碳。如图2所示，相比抽水蓄能和压缩空气储能技术，液氮储能在使用年限、循环效率、投资成本、存储时间等方面和其他两项技术基本持平，但无地理条件限制，储罐几乎可以设在任何地方，均衡性非常好，非常适用于我国。[8]

　　液氮储能概念在1977年首次被提出，2000年首次在实验室进行了小规模验证，2007年申请国际专利，2010年英国完成了液氮发电的首次试运行，并于2018年在伯明翰低温储能中心正式投产，其储量高达15兆瓦时，并能产生5兆瓦的峰值供应。这项技术目前由英国Highview Power公司引领发展。[9]2019年，Highview Power公司宣布计划在英国大曼彻斯特的卡林顿建造一个50兆瓦／250兆瓦时的商业工厂。[10]同年底，该公司宣布计划在美国佛蒙特州北部建造一个50兆瓦的工厂，拟议中的设施能够储存8小时的能量，储存能力为400兆瓦时。[11]2021年，Highview Power公司宣布在智利的阿塔卡马地区开发一个50兆瓦／500兆瓦时的储能电站。2018年，中国科学院理化技术研究所取得了突破，完成了液氮储能小型化验证。此外，2020年我国首条公里级液氮超导电缆工程试拉试验在上海获得成功，2021年11月正式挂网输电，[12]进一步降低了电能损失。

　　事实上，利用液氮不仅可以实现上述储能产能输能，也可以实现节能。目前信息技术在发生革命性的变化，我们正在迈向一个万物互联的时代，而数据中心是万物互联的基础。[13]自2017年起，国家工信部、国务院、发改委先后颁布了多项与数据中心相关的政策。[14]在“十四五”规划中，更是把数据中心提到了新基建的高度。[15]《“十四五”数字经济发展规划》明确提出，加快构建算力、算法、数据、应用资源协同的全国一体化大数据中心体系。在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝地区双城经济圈、贵州、内蒙古、甘肃、宁夏等地区布局全国一体化算力网络国家枢纽节点，建设数据中心集群，结合应用、产业等发展需求优化数据中心建设布局。加快实施“东数西算”工程，推进云网协同发展，提升数据中心跨网络、跨地域数据交互能力，加强面向特定场景的边缘计算能力，强化算力统筹和智能调度。过去十年，得益于移动互联网的发展，我国的数据中心以年增长率30%的速度飞速发展。相应地，数据中心的耗电量也在持续增加，已经占到全社会用电量的4%，这引起了国家的高度重视。[16]自2016年，工信部和国务院同时颁布了多项数据中心绿色化的相关政策，最新的《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）》提出，新型数据中心特征为高能效、高技术、高安全、高算力。要求超算数据中心绿色低碳，安全可靠。坚持绿色发展理念，支持绿色技术、绿色产品、清洁能源的应用，全面提高新型数据中心能源利用效率。统筹发展与安全，进一步强化网络和数据安全管理和能力建设，构建完善的安全保障体系。[17]

　　数据中心能耗不仅包括服务器、交换机等IT设备的能耗，还包括空调、配电等辅助系统的能耗。目前数据中心的IT设备是其能耗最高的部分，约占数据中心总能耗的45％左右，其中服务器能耗占50％左右，存储设备和网络通信设备能耗分别占35％和15%左右；空调系统能耗在数据中心总能耗中排第二位，占40％左右；配电系统能耗约占数据中心总能耗的10％左右。因此，为了降低数据中心能耗，实现数据中心绿色化和高算力，如何降低IT设备和制冷系统能耗成为了关键。目前风冷的方案正逐渐被液冷方案替代，但能耗依然严重。微软将其数据中心沉入了海底，利用海水进行降温。

　　为了制冷，机器可以泡入海水中，那么液氮温度更低，制冷效果更好，是否可以将机器泡入液氮来制冷？答案是肯定的。[18]事实上，1986年，在美国国防部的支持下开发的ETA10超算，是世界首个工业级高性能CMOS的CPU系统，也是第一个工业单板超级计算CPU，并且是第一个且唯一一个工业化生产的液氮CPU。相比常温，液氮制冷的系统算力性能直接提升一个数量级。随着微电子工艺的发展和沟道长度的减小已经接近物理极限，摩尔定律面临着巨大挑战。[19]2021年，为了应对国防军工对超算算力的需求，美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA）立项低温数字逻辑技术，整个项目预算9000万美金，设计新型低温CPU，预测性能提升45倍，能耗降低20倍。

　　相比常温电路，低温电路有着极大的优势。[20]低温电路有5倍的高迁移率，2倍的高饱和速度，阈值电压降低，互联电阻减少，弱化退化机制，高热导率等。在低温电路这个领域，我们和美国差距相对较小，这是我国弯道超车的机会。我国可以利用液氮低温技术在65nm的工艺线nm性能的超算芯片。笔者做一个简单的评估，数据中心正常电力供应只是利用液氮进行散热，在同等算力条件下，能耗可降低两个数量级；如果数据中心的电力是由可再生能源和液氮储能发电系统提供，那将可以真正做到数据中心绿色化。因此，发展低温液氮储能和低温超算，不仅可以解决我国数据中心绿色化的难题，还能同时带动低温数字电路和模拟电路发展，可以提升我国半导体低温芯片水平，间接地创造出另一个产业，解决我国超算芯片自主可控的卡脖子问题。

　　低温液氮是一个集节能储能产能输能为一体的碳达峰一体化生态（如图3所示）。我们以习总书记强调的“四个面向”为指导，结合四个具体的例子来展开说明。[21]

　　面向国家重大需求：低温液氮智能红外焦平面和分子束外延。液氮模拟芯片可用于军用红外制冷相机读出电路；低温液氮数字芯片可用于军用红外制冷相机的控制通信存储显示；低温液氮模拟数字电路结合，可实现“感存算通控”一体化，实现数字智慧战斗部，从而应用于反导制导对抗反潜等领域，提升我国的国防实力，应对当下紧张的国际局势。液氮也是半导体产业中重要的原材料。作为后摩尔时代半导体产业中的大国重器，分子束外延设备一直被欧美掌握，并用于生产各类化合物半导体芯片。发展我国自主生产制造的分子束外延设备，可打破欧美垄断，为未来万物互联时代提供各类高速芯片。

　　面向经济主战场：液氮发动机和舞台特效。[22]1997年，美国北德克萨斯大学和华盛顿大学发明了液氮驱动的汽车LN2000。[23]英国人彼得迪尔曼一直在探索液氮发动机，并将液氮发动机应用于超市送货卡车上。我国在这方面只有零星的研究，亟需加强。液氮发动机零排放，相比电动汽车也具有优势。[24]同时，液氮造雾能做出水雾和干冰造雾达不到的效果。长征天民公司在低温火箭液氮加注技术的基础上，研发了液氮造雾特效装置，为剧院、影厅等提供专业的舞台特效服务，例如，北京环球影城变形金刚“液氮造雾”特效系统和第七届世界军人运动会“大地雾森”“水渠雾效”等。[25]

　　面向世界科技前沿：深空探测与低温电路量子计算。从近地红外天文卫星到太空望远镜再到深空探测器，这些都离不开液氮制冷的探测器。我国航天事业正在稳步推进，天宫号空间站稳定在轨运行，火箭发射依然需要用大量液氮做助推剂。此外，量子计算低温芯片系统设计中，降温是一级一级进行的，从室温300开尔文到液氮77开尔文到液氦4开尔文再到稀释致冷10毫开尔文。这些低温电路的设计与制造，对于量子计算有着重要的意义。[26]

　　面向人民生命健康：液氮也广泛应用于医学与食品行业。临床医学和疫苗保护都需要液氮制冷。在分离液氮的过程中也可制备液氧，可以用于呼吸机。液氮还可以用于超速冻食品、冷藏运输包装等。

　　这样一个液氮生态系统，在解决不受限地理条件储能问题的同时，可带动我国其他领域，诸如红外焦平面、低温电路、超算芯片、半导体大型生产设备、医疗技术、新能源汽车、量子计算等的发展，拓展盈利模式，建立多元收益方式，实现储能产业规模化发展而无需国家进行补贴。这是抽水蓄能、压缩空气和氢能的储能技术无法实现的。大规模储能的两个关键问题在液氮生态系统中都可轻易得到解决。

　　这里我们讨论的仅仅是液氮。实际上通过不同层级液化分离空气，可以得到一系列不同的产物：液氮、液氧、各种液态惰性气体，比如，氖气。液氧自身就有着丰富的用途；氖气是半导体产业中重要的原料，最近的俄乌战争就导致全球氖气价格暴涨[27]。实际上，氮气的液化温度是-196摄氏度，只比液化天然气温度-162摄氏度低了34度。整个液化天然气的管道稍作修改即可用于液氮输送，而氮气的储量是极其丰富的。如果把液化空气的产业纳入进来，整个低温液氮生态系统会更加庞大。例如，以后加气站可以同时提供液化天然气和液氮，供用户自由选择。因此，从这个角度看，液氮或者液化空气，其地位应该类似于钢铁、石油和芯片，是一种基础设施或者工业体系，能够支撑起非常庞大的产业，可解决储能盈利模式单一的问题，降低大规模储能技术的高成本。

　　实际上，很多液氮都是冶金钢铁厂的副产品。在钢铁厂内部，使用风能和太阳能压缩空气产生液氮。部分液氮用于数据中心制冷，部分液氮通过汽化膨胀推动涡轮机发电，输送到钢铁厂和数据中心。同时，钢铁厂内部的各种汽车，也可以由液氮汽车取代。钢铁厂、液化空气厂、数据中心、风电、太阳能可以形成一个闭合的工业产业园。我国钢铁产能过剩，且大量的过剩液氮被丢弃，只有少量被利用。可将弃用的液氮变废为宝，为冶金钢铁等行业提供新型清洁能源。因此，钢铁产业园可以和液氮产业园共生，实现类似“稻虾共养”的生态系统。这不仅对我国的能源产业意义重大，同时也对钢铁产业有着重要影响，可实现产能和碳达峰的平衡。

　　综上所述，液氮储能这条技术路线，技术可行、成本可控、多边共赢，响应了“碳达峰十大行动”中的能源绿色低碳转型行动、节能降碳增效行动、工业领域碳达峰行动、交通运输绿色低碳行动、循环经济助力降碳行动、绿色低碳科技创新行动。不仅能够实现节能降碳，同时可带动半导体、汽车、文娱、航天、量子、生命健康等一系列其他产业的发展，是一个名副其实的综合体。这一点是其他储能方案所无法比拟的。综合看，低温液氮储能技术需要在全国范围内由示范到推广，全流程无限制、可再生；发展低温液氮超算芯片，可解决我国超算能耗、算力和芯片问题；低温液氮可实现节能储能产能输能碳达峰一体化生态。[28]最后，依据“十四五”规划，应基于液氮节能储能产能输能碳达峰一体化生态，全面构建我国的现代能源体系。

　　加快发展风电、太阳能发电。在“三北”地区有序推进大型风电光伏基地项目建设，积极推进黄河上游、新疆、冀北等多能互补清洁能源基地建设。同时，通过与液氮储能发电系统相结合，降低弃风弃光率，增加清洁能源的使用率，推动液氮发电与风电、光伏发电融合发展、联合运行。加快发展液氮储能发电循环生态系统，推进煤炭、钢铁、冶金和化工等企业形成液氮工业园区。在全国范围内筛选出符合条件的钢铁煤炭等企业，通过示范作用，逐步向全国推广。

　　巩固新能源领域技术装备优势，持续提升风电、太阳能发电等可再生能源系统技术创新和应用。强化液氮储能、氢能等前沿科技攻关。适度超前部署液氮储能项目，力争在液氮储能全产业链关键技术上取得突破，推动液氮储能技术发展和示范应用。加强低温液氮超导输电线技术研究，加快推广应用超导输电。依托我国能源市场空间大、工程实践机会多等优势，综合利用煤电、风电、光伏电力和液氮电力等关键核心技术领域成果，建设一批创新示范工程。

　　加快信息技术和能源产业融合发展，推动能源产业数字化升级，助力发展数字经济。推进新一代信息技术、人工智能、云计算、区块链、物联网、大数据等新技术在风电、太阳能发电、液氮发电、微电网等领域的广泛应用。利用无人机巡检、红外成像、机器视觉等新技术，开发各类与能源相关传感器，建立能源监测网络，实时监测能源系统。建设智慧能源绿色平台和数据中心，建立智能调度体系，发展自主可控的能源调度软件，实现“源网荷储”互动、多能协同互补及用能需求智能调控，实现能源的数字化管理和调度。

　　以国家战略性需求为导向，推进创新体系优化组合，加强能源技术创新平台建设。以液氮储能为扭结，串联起各种储能技术，打通各种技术间壁垒，加快建设能源领域国家实验室，重组国家重点实验室，尤其注重各学科交叉领域。推进科研院所在液氮储能、光伏光电、风电、生物能等领域的协同攻关，拓展储能与其他学科领域交叉，弥补相关行业的不足。进一步提升能源产业核心技术产业化能力，协同其他产业一起向前发展。同时，开展可应用于能源领域的前沿技术攻关，如液氮数据中心、低温电路技术、CMOS量子退火技术、能源互联、大规模储能等。此外，加大相关人才引进力度，“破四唯”，注重工程技术人员，不以论文、职称等评价人才，建立健全合理的能源领域人才评价体系。

　　建立可再生能源和碳排放积分制度、交易场所，鼓励个人、企业和社会团体积极参与。放宽可再生能源市场准入门槛，支持各类市场主体依法平等进入负面清单以外的能源领域。支持各类社会资本投资油气管网和风电光伏、液氮储能及气站等基础设施，制定完善管网运行调度规则，促进形成全国“一张网”。拓展新能源租赁、购买、置换等商业模式，合理设置煤电、风电、光伏、液氮发电、生物发电等电价。逐步由政府补贴过度到市场调节，降低新能源市场成本，增加新能源产业盈利。进一步为新能源产业的发展提供政策、商业、法律等保障。

　　当前世界格局正发生着剧烈变化，随着中美贸易战、新冠肺炎疫情、俄乌冲突等一系列国际事件的爆发，逆全球化浪潮正汹涌而来。面对百年未有之大变局，能源作为国家的支柱，重塑其产业布局有着非凡的意义。将科技创新贯穿于全面构建我国能源体系的各层级、各环节、各领域，是能源领域高质量发展的应有之义。

　　（本文系自然科学基金委重大项目“锑化物低维结构中红外激光器基础理论与关键技术”和科技部重点研发项目“光电芯片全流程联合仿真技术研发”的阶段性成果，项目编号分别为：61790582、2021YFB2800304；中国科学院半导体研究所副研究员宋志刚参与了本文液氮生态系统相关内容的讨论与规划）

　　[3]《中国电力行业年度发展报告2021：全国电力市场化交易规模再上新台阶》，全国能源信息平台，，2021年7月8日更新。

　　[4]《年度数据官宣！国家能源局公布2020年可再生能源发展情况》，全国能源信息平台，，2021年2月1日更新。

　　[12]《新华全媒+丨世界首条35千伏公里级超导电缆在沪投运》，新华网，，2021年12月22日更新。

　　[13]《工业和信息化部关于印发〈云计算发展三年行动计划（2017-2019年）〉》，工业和信息化部网站，，2017年4月11日更新；《关于印发〈全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案〉的通知》，国家发改委网站，，2022年1月12日更新。

　　[14]《国务院关于印发“十四五”数字经济发展规划的通知》，中国政府网，，2022年1月12日更新。

　　[15]《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，中国政府网，，2021年3月13日更新。

　　[16]《国家绿色数据中心试点工作方案》，河北省工业和信息化厅网站，，2015年3月24日更新；《三部门关于加强绿色数据中心建设的指导意见》，中国政府网，，2019年2月14日更新；《工业和信息化部关于印发〈新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）〉的通知》，中国政府网，，2021年7月4日更新。

　　[17]《数据中心能效国家标准发布 详解能耗构成及其指标》，千家综合布线网，，2016年10月14日更新。

上一篇：雅尼湿地生态系统国家定位观测研究站挂牌 下一篇：安徽职业技术学院学子获全国职业院校技能大赛“大数据技术与应用”赛项全国二等奖