【摘要】碳達(dá)峰、碳中和“30·60目標(biāo)”成為我國新時期高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵目標(biāo)，事關(guān)今后幾十年的經(jīng)濟增長模式和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，對消費模式、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)動機、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)用于國防軍工、科學(xué)研究、臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，從而形成一個節(jié)能—儲能—產(chǎn)能—輸能的碳達(dá)峰一體化生態(tài)。這樣一個液氮生態(tài)系統(tǒng)，在實現(xiàn)不受限地理條件儲能的同時，帶動了我國其他領(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、量子計算等的發(fā)展，拓展了盈利模式，建立了多元收益方式，實現(xiàn)了儲能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展，為構(gòu)建我國液氮新能源體系提供了一種全新的思路，對全面構(gòu)建我國現(xiàn)代能源體系有著重要意義。
【關(guān)鍵詞】碳達(dá)峰 儲能 液氮生態(tài)系統(tǒng) 能源體系
【中圖分類號】 F426.2/O61 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A
【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2022.13.007
碳達(dá)峰、碳中和對能源體系的要求
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)是衡量國家發(fā)展水平的兩個重要指標(biāo)。越是發(fā)達(dá)的國家，人類發(fā)展指數(shù)越接近1，人均電力消耗也越高，如美國、加拿大和北歐等發(fā)達(dá)國家。[1]聯(lián)合國開發(fā)計劃署發(fā)布的《2020年人類發(fā)展報告》指出，人類發(fā)展指數(shù)值最高的國家是挪威，其數(shù)值為0.957，而中國只有0.761，人均電力消耗也只有美國加拿大的十分之一。[2]發(fā)展需要消耗能源，但同時也要實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和。碳達(dá)峰、碳中和“30·60目標(biāo)”成為我國新時期高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵目標(biāo)，事關(guān)今后幾十年的經(jīng)濟增長模式和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，對消費模式、生活方式及生態(tài)建設(shè)有深刻影響。因此，這對我國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，如太陽能、風(fēng)能、水電能、生物能等。[3]依據(jù)《中國電力行業(yè)年度發(fā)展報告2021》，截至2020年年底，我國抽水蓄能3149萬千瓦，比上年增長4.0%；并網(wǎng)風(fēng)電28165萬千瓦，比上年增長34.7%；并網(wǎng)太陽能發(fā)電25356萬千瓦，比上年增長24.1%。風(fēng)電、太陽能發(fā)電利潤增速分別為16.3%和3.0%。我國人均用電量從2015年的4142千瓦時／人上升到2020年的5331千瓦時／人；電能在終端能源消費中占比從2015年的22.1%提升至2019年的26.4%。這反映出我國發(fā)展前景勢頭良好，對能源需求旺盛?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》（簡稱“十四五”規(guī)劃）強調(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)和消納問題日益凸顯。由于風(fēng)電和光伏發(fā)電屬于電源項目，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)電由于其隨機間歇性，接入后便會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊。如何解決可再生能源對電網(wǎng)的沖擊，一直是困擾可再生能源發(fā)展的難題。處理不好，每年會有大量的風(fēng)電、光伏發(fā)電等被棄用。[4]2021年1月國家能源局發(fā)布的2020年可再生能源發(fā)展情況顯示，2020年我國全國平均棄風(fēng)率和棄光率分別為3%和2%。[5]
大規(guī)模儲能系統(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能。抽水蓄能是指在用電低谷時利用過剩電能抽水至上水庫，在用電高峰時再放水至下水庫發(fā)電的儲能方式，具有調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、儲能、系統(tǒng)備用和黑啟動六大功能。目前抽水蓄能技術(shù)相對成熟，也是使用規(guī)模最大、成本較低的一種儲能方式。然而，我國“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，建設(shè)規(guī)模有限。壓縮空氣儲能是指利用剩余電力壓縮空氣，并儲藏在高壓密封設(shè)施內(nèi)，在用電高峰時再釋放出來驅(qū)動燃?xì)廨啓C發(fā)電的儲能方式，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，完全無毒無害，且清潔性好，燃燒以后只產(chǎn)生水，無污染。其轉(zhuǎn)化形式多樣，較為成熟，可通過燃機直接轉(zhuǎn)化為機械能，通過燃燒轉(zhuǎn)化為熱能，通過燃料電池轉(zhuǎn)化為電能，是一種相對方便應(yīng)用的能源。但是，氫能劣勢也很明顯：其一，轉(zhuǎn)化層級多，綜合效率低；其二，存儲與運輸太過困難；其三，危險性高。因此，考慮到我國自然資源分布的不均勻和對可再生能源的需求，碳達(dá)峰、碳中和對我們提出了更高的要求：發(fā)展不受限于地理條件的大規(guī)模儲能技術(shù)是必然趨勢。此外，大規(guī)模儲能技術(shù)成本高，制約儲能技術(shù)商業(yè)化和規(guī)?；l(fā)展，導(dǎo)致儲能市場并沒有很好地形成，缺乏明確的電力輔助服務(wù)市場化機制和價格機制，使得目前的儲能盈利模式較為單一，投資回報率吸引力不高。所以，建立多元的收益方式是未來儲能項目開發(fā)的另一關(guān)鍵。
液氮儲能方案
筆者認(rèn)為，一個目前在技術(shù)上已經(jīng)成熟的方案[6]是低溫液氮儲能發(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)能和太陽能將空氣降溫至零下196攝氏度，使氮氣實現(xiàn)液化，并將其以液體的形式存儲在深冷罐體中；其二，將液氮汽化，恢復(fù)氣體形態(tài)，利用此過程中釋放的能量驅(qū)動渦輪機產(chǎn)生穩(wěn)定電能；其三，產(chǎn)生的電能可以通過液氮超導(dǎo)輸電線向外輸運，進(jìn)一步降低電能損耗。像電池廠一樣，每個液氮發(fā)電系統(tǒng)由“充電站”、“存儲”和“放電站”組成。但重要的是，液氮儲能中每個部分都可以獨立設(shè)置。充電是由液化系統(tǒng)提供的，其使用的電力來自風(fēng)能或者太陽能。這個系統(tǒng)主要包括空氣分離裝置、熱交換器和壓縮機，將氮氣從大氣中分離出來，將其冷卻壓縮至液態(tài)并輸送到儲罐，儲罐基本上充當(dāng)了電池單元。當(dāng)需要電力時，熱交換器將液態(tài)空氣蒸發(fā)，通過膨脹式渦輪機膨脹，驅(qū)動發(fā)電機。作為一種熱機械電池，能量是以液化空氣的形式儲存在儲罐中。由于能量被儲存在成本相對較低的大型儲罐中，能源容量越大（儲存的兆瓦時越多），設(shè)施的每兆瓦時成本（資本支出）就越有競爭力。
該系統(tǒng)基于成熟的技術(shù)，可在許多工業(yè)過程中安全使用，并且不需要任何特別稀有的元素或昂貴的組件來制造。此外，液氮儲能系統(tǒng)可以通過軟件提供輔助服務(wù)和存儲能力。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，液氮儲能發(fā)電可以同時進(jìn)行充電和放電。這意味著可在同一時間、同一秒內(nèi)提供存儲和系統(tǒng)服務(wù)，或者可以在時間上進(jìn)行分流，又或可以在不同的功率輸出下同時進(jìn)行，甚至可以向電網(wǎng)提供慣性，而不需要在儲罐中儲存任何電力。[7]在這項技術(shù)中，也可以同燃燒化石燃料碳匯集成，可實現(xiàn)10%的降碳。如圖2所示，相比抽水蓄能和壓縮空氣儲能技術(shù)，液氮儲能在使用年限、循環(huán)效率、投資成本、存儲時間等方面和其他兩項技術(shù)基本持平，但無地理條件限制，儲罐幾乎可以設(shè)在任何地方，均衡性非常好，非常適用于我國。[8]
液氮儲能概念在1977年首次被提出，2000年首次在實驗室進(jìn)行了小規(guī)模驗證，2007年申請國際專利，2010年英國完成了液氮發(fā)電的首次試運行，并于2018年在伯明翰低溫儲能中心正式投產(chǎn)，其儲量高達(dá)15兆瓦時，并能產(chǎn)生5兆瓦的峰值供應(yīng)。這項技術(shù)目前由英國Highview Power公司引領(lǐng)發(fā)展。[9]2019年，Highview Power公司宣布計劃在英國大曼徹斯特的卡林頓建造一個50兆瓦／250兆瓦時的商業(yè)工廠。[10]同年底，該公司宣布計劃在美國佛蒙特州北部建造一個50兆瓦的工廠，擬議中的設(shè)施能夠儲存8小時的能量，儲存能力為400兆瓦時。[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50兆瓦／500兆瓦時的儲能電站。2018年，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所取得了突破，完成了液氮儲能小型化驗證。此外，2020年我國首條公里級液氮超導(dǎo)電纜工程試?yán)囼炘谏虾＋@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
事實上，利用液氮不僅可以實現(xiàn)上述儲能—產(chǎn)能—輸能，也可以實現(xiàn)節(jié)能。目前信息技術(shù)在發(fā)生革命性的變化，我們正在邁向一個萬物互聯(lián)的時代，而數(shù)據(jù)中心是萬物互聯(lián)的基礎(chǔ)。[13]自2017年起，國家工信部、國務(wù)院、發(fā)改委先后頒布了多項與數(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)同的全國一體化大數(shù)據(jù)中心體系。在京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈、貴州、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏等地區(qū)布局全國一體化算力網(wǎng)絡(luò)國家樞紐節(jié)點，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，加強面向特定場景的邊緣計算能力，強化算力統(tǒng)籌和智能調(diào)度。過去十年，得益于移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，我國的數(shù)據(jù)中心以年增長率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)占到全社會用電量的4%，這引起了國家的高度重視。[16]自2016年，工信部和國務(wù)院同時頒布了多項數(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)展三年行動計劃（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，是否可以將機器泡入液氮來制冷？答案是肯定的。[18]事實上，1986年，在美國國防部的支持下開發(fā)的ETA10超算，是世界首個工業(yè)級高性能CMOS的CPU系統(tǒng)，也是第一個工業(yè)單板超級計算CPU，并且是第一個且唯一一個工業(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數(shù)量級。隨著微電子工藝的發(fā)展和溝道長度的減小已經(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)對國防軍工對超算算力的需求，美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA）立項低溫數(shù)字邏輯技術(shù)，整個項目預(yù)算9000萬美金，設(shè)計新型低溫CPU，預(yù)測性能提升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。[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，弱化退化機制，高熱導(dǎo)率等。在低溫電路這個領(lǐng)域，我們和美國差距相對較小，這是我國彎道超車的機會。我國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。筆者做一個簡單的評估，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，能耗可降低兩個數(shù)量級；如果數(shù)據(jù)中心的電力是由可再生能源和液氮儲能發(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)展低溫液氮儲能和低溫超算，不僅可以解決我國數(shù)據(jù)中心綠色化的難題，還能同時帶動低溫數(shù)字電路和模擬電路發(fā)展，可以提升我國半導(dǎo)體低溫芯片水平，間接地創(chuàng)造出另一個產(chǎn)業(yè)，解決我國超算芯片自主可控的卡脖子問題。
液氮節(jié)能儲能產(chǎn)能輸能生態(tài)系統(tǒng)
低溫液氮是一個集節(jié)能—儲能—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)近平總書記強調(diào)的“四個面向”為指導(dǎo)，結(jié)合四個具體的例子來展開說明。[21]
面向國家重大需求：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讀出電路；低溫液氮數(shù)字芯片可用于軍用紅外制冷相機的控制通信存儲顯示；低溫液氮模擬數(shù)字電路結(jié)合，可實現(xiàn)“感存算通控”一體化，實現(xiàn)數(shù)字智慧戰(zhàn)斗部，從而應(yīng)用于反導(dǎo)制導(dǎo)對抗反潛等領(lǐng)域，提升我國的國防實力，應(yīng)對當(dāng)下緊張的國際局勢。液氮也是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中重要的原材料。作為后摩爾時代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的大國重器，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，為未來萬物互聯(lián)時代提供各類高速芯片。
面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場：液氮發(fā)動機和舞臺特效。[22]1997年，美國北德克薩斯大學(xué)和華盛頓大學(xué)發(fā)明了液氮驅(qū)動的汽車LN2000。[23]英國人彼得·迪爾曼一直在探索液氮發(fā)動機，并將液氮發(fā)動機應(yīng)用于超市送貨卡車上。我國在這方面只有零星的研究，亟需加強。液氮發(fā)動機零排放，相比電動汽車也具有優(yōu)勢。[24]同時，液氮造霧能做出水霧和干冰造霧達(dá)不到的效果。長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動會“大地霧森”“水渠霧效”等。[25]
面向世界科技前沿：深空探測與低溫電路量子計算。從近地紅外天文衛(wèi)星到太空望遠(yuǎn)鏡再到深空探測器，這些都離不開液氮制冷的探測器。我國航天事業(yè)正在穩(wěn)步推進(jìn)，天宮號空間站穩(wěn)定在軌運行，火箭發(fā)射依然需要用大量液氮做助推劑。此外，量子計算低溫芯片系統(tǒng)設(shè)計中，降溫是一級一級進(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)計與制造，對于量子計算有著重要的意義。[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。在分離液氮的過程中也可制備液氧，可以用于呼吸機。液氮還可以用于超速凍食品、冷藏運輸包裝等。
這樣一個液氮生態(tài)系統(tǒng)，在解決不受限地理條件儲能問題的同時，可帶動我國其他領(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、量子計算等的發(fā)展，拓展盈利模式，建立多元收益方式，實現(xiàn)儲能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展而無需國家進(jìn)行補貼。這是抽水蓄能、壓縮空氣和氫能的儲能技術(shù)無法實現(xiàn)的。大規(guī)模儲能的兩個關(guān)鍵問題在液氮生態(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。實際上通過不同層級液化分離空氣，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)爭就導(dǎo)致全球氖氣價格暴漲[27]。實際上，氮氣的液化溫度是-196攝氏度，只比液化天然氣溫度-162攝氏度低了34度。整個液化天然氣的管道稍作修改即可用于液氮輸送，而氮氣的儲量是極其豐富的。如果把液化空氣的產(chǎn)業(yè)納入進(jìn)來，整個低溫液氮生態(tài)系統(tǒng)會更加龐大。例如，以后加氣站可以同時提供液化天然氣和液氮，供用戶自由選擇。因此，從這個角度看，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)，可解決儲能盈利模式單一的問題，降低大規(guī)模儲能技術(shù)的高成本。
實際上，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，部分液氮通過汽化膨脹推動渦輪機發(fā)電，輸送到鋼鐵廠和數(shù)據(jù)中心。同時，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、太陽能可以形成一個閉合的工業(yè)產(chǎn)業(yè)園。我國鋼鐵產(chǎn)能過剩，且大量的過剩液氮被丟棄，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，實現(xiàn)類似“稻蝦共養(yǎng)”的生態(tài)系統(tǒng)。這不僅對我國的能源產(chǎn)業(yè)意義重大，同時也對鋼鐵產(chǎn)業(yè)有著重要影響，可實現(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”中的能源綠色低碳轉(zhuǎn)型行動、節(jié)能降碳增效行動、工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰行動、交通運輸綠色低碳行動、循環(huán)經(jīng)濟助力降碳行動、綠色低碳科技創(chuàng)新行動。不僅能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降碳，同時可帶動半導(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，是一個名副其實的綜合體。這一點是其他儲能方案所無法比擬的。綜合看，低溫液氮儲能技術(shù)需要在全國范圍內(nèi)由示范到推廣，全流程無限制、可再生；發(fā)展低溫液氮超算芯片，可解決我國超算能耗、算力和芯片問題；低溫液氮可實現(xiàn)節(jié)能—儲能—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—儲能—產(chǎn)能—輸能碳達(dá)峰一體化生態(tài)，全面構(gòu)建我國的現(xiàn)代能源體系。
加快發(fā)展風(fēng)電、太陽能發(fā)電。在“三北”地區(qū)有序推進(jìn)大型風(fēng)電光伏基地項目建設(shè)，積極推進(jìn)黃河上游、新疆、冀北等多能互補清潔能源基地建設(shè)。同時，通過與液氮儲能發(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，推動液氮發(fā)電與風(fēng)電、光伏發(fā)電融合發(fā)展、聯(lián)合運行。加快發(fā)展液氮儲能發(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)。在全國范圍內(nèi)篩選出符合條件的鋼鐵煤炭等企業(yè)，通過示范作用，逐步向全國推廣。
鞏固新能源領(lǐng)域技術(shù)裝備優(yōu)勢，持續(xù)提升風(fēng)電、太陽能發(fā)電等可再生能源系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用。強化液氮儲能、氫能等前沿科技攻關(guān)。適度超前部署液氮儲能項目，力爭在液氮儲能全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)上取得突破，推動液氮儲能技術(shù)發(fā)展和示范應(yīng)用。加強低溫液氮超導(dǎo)輸電線技術(shù)研究，加快推廣應(yīng)用超導(dǎo)輸電。依托我國能源市場空間大、工程實踐機會多等優(yōu)勢，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，推動能源產(chǎn)業(yè)數(shù)字化升級，助力發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟。推進(jìn)新一代信息技術(shù)、人工智能、云計算、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。利用無人機巡檢、紅外成像、機器視覺等新技術(shù)，開發(fā)各類與能源相關(guān)傳感器，建立能源監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實時監(jiān)測能源系統(tǒng)。建設(shè)智慧能源綠色平臺和數(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，實現(xiàn)“源網(wǎng)荷儲”互動、多能協(xié)同互補及用能需求智能調(diào)控，實現(xiàn)能源的數(shù)字化管理和調(diào)度。
以國家戰(zhàn)略性需求為導(dǎo)向，推進(jìn)創(chuàng)新體系優(yōu)化組合，加強能源技術(shù)創(chuàng)新平臺建設(shè)。以液氮儲能為扭結(jié)，串聯(lián)起各種儲能技術(shù)，打通各種技術(shù)間壁壘，加快建設(shè)能源領(lǐng)域國家實驗室，重組國家重點實驗室，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)，拓展儲能與其他學(xué)科領(lǐng)域交叉，彌補相關(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，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、職稱等評價人才，建立健全合理的能源領(lǐng)域人才評價體系。
建立可再生能源和碳排放積分制度、交易場所，鼓勵個人、企業(yè)和社會團(tuán)體積極參與。放寬可再生能源市場準(zhǔn)入門檻，支持各類市場主體依法平等進(jìn)入負(fù)面清單以外的能源領(lǐng)域。支持各類社會資本投資油氣管網(wǎng)和風(fēng)電光伏、液氮儲能及氣站等基礎(chǔ)設(shè)施，制定完善管網(wǎng)運行調(diào)度規(guī)則，促進(jìn)形成全國“一張網(wǎng)”。拓展新能源租賃、購買、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。逐步由政府補貼過度到市場調(diào)節(jié)，降低新能源市場成本，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際事件的爆發(fā)，逆全球化浪潮正洶涌而來。面對百年未有之大變局，能源作為國家的支柱，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)建我國能源體系的各層級、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)”和科技部重點研發(fā)項目“光電芯片全流程聯(lián)合仿真技術(shù)研發(fā)”的階段性成果，項目編號分別為：61790582、2021YFB2800304；中國科學(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]《中國電力行業(yè)年度發(fā)展報告2021：全國電力市場化交易規(guī)模再上新臺階》，全國能源信息平臺，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！國家能源局公布2020年可再生能源發(fā)展情況》，全國能源信息平臺，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35千伏公里級超導(dǎo)電纜在滬投運》，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)〈云計算發(fā)展三年行動計劃（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)〈全國一體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系算力樞紐實施方案〉的通知》，國家發(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]《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十四五”數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃的通知》，中國政府網(wǎng)，http://www.gov.cn/zhengce/content/2022-01/12/content_5667817.htm，2022年1月12日更新。
[15]《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，中國政府網(wǎng)，http://www.gov.cn/xinwen/2021-03/13/content_5592681.htm，2021年3月13日更新。
[16]《國家綠色數(shù)據(jù)中心試點工作方案》，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)于加強綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)意見》，中國政府網(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)展三年行動計劃（2021-2023年）〉的通知》，中國政府網(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》，《中國能源報》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
，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員、博導(dǎo)。研究方向為Sb化物紅外光電材料MBE生長及相關(guān)器件的設(shè)計與制造。主要著作有《新型低維結(jié)構(gòu)銻化物紅外探測器的研究與挑戰(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。
