徐应强液氮生态系统与中国现代能源体系构建

　　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。
　　中国科学院半导体研究所研究员徐应强指出，液氮生态系统在实现不受限地理条件储能的同时，带动了红外焦平面、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、量子计算等其他领域的发展，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。
　　核心观点
　　液氮储能方案的综合优势：
　　低温液氮储能技术全流程无限制、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。
　　构建中国现代能源体系的建议：
　　加快发展风电、太阳能发电；
　　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；
　　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；
　　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；
　　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。
　　更多精彩观点
　　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（20212023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。
　　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
　　文章来源：《学术前沿》杂志2022年7月上（微信有删节）
　　作者：中国科学院半导体研究所研究员徐应强
　　原文责编：桂琰
　　新媒体责编：李思琪
　　视觉：刘洁