徐应强：液氮生态系统与中国现代能源体系构建

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徐应强（中国科学院半导体研究所研究员）

  01 液氮储能方案
  发展需要消耗能源，但同时也要实现碳达峰、碳中和，这对我国能源消耗提出了更严苛的要求。一个目前在技术上已经成熟的方案是低温液氮储能发电。其技术原理如下：
  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。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。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。
  02 液氮系统在超算数据中心的应用
  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。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。
  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。
  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，空调系统能耗在数据中心总能耗中排第二位。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。相比常温，液氮制冷的系统算力性能直接提升一个数量级。
  相比常温电路，低温电路有着极大的优势。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的工艺线上，生产制造具有10nm甚至5nm性能的超算芯片。
  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。
  03 液氮节能储能产能输能生态系统
  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。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
  液氮发动机零排放，相比电动汽车也具有优势。同时，液氮造雾能做出水雾和干冰造雾达不到的效果。
  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，低温电路的设计与制造，对于量子计算有着重要的意义。
  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。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。
  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。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。
  04 总结与建议
  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。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。（来源：《学术前沿》杂志2022年7月上（微信有删节））