四支科研團(tuán)隊(duì)助力中國(guó)走出零碳之路｜“自然聚焦–中國(guó)碳中和愿景”增刊

能源領(lǐng)域研究人員正在通過各種大項(xiàng)目和小項(xiàng)目，幫助中國(guó)實(shí)現(xiàn)2060年前電力系統(tǒng)碳中和的目標(biāo)。

中國(guó)河北省張家口近郊的一個(gè)風(fēng)能和太陽能混合發(fā)電站。來源：Chen Xiaodong/VCG via Getty

2020年，中國(guó)宣布了一項(xiàng)宏大的減排降碳計(jì)劃，提出到2060年將非化石能源消費(fèi)比重提升到80%。鑒于中國(guó)當(dāng)前的溫室氣體排放量占到了全球的四分之一以上，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)對(duì)于最大限度地減緩未來的氣候變暖至關(guān)重要。

為中央政府提供應(yīng)對(duì)氣候變化的能源戰(zhàn)略建議的清華大學(xué)能源環(huán)境與經(jīng)濟(jì)研究所所長(zhǎng)張希良說：“我們面臨的最大挑戰(zhàn)是如何用清潔能源大規(guī)模替代傳統(tǒng)能源，尤其是煤炭。”清華大學(xué)擁有全國(guó)頂尖的能源研究所，去年在電氣和電子工程領(lǐng)域一共發(fā)表了逾1500篇論文。根據(jù)科睿唯安（Clarivate）Web of Science的統(tǒng)計(jì)，這比全球其他任何一家研究機(jī)構(gòu)的發(fā)文量都高。

張希良認(rèn)為，為了完成這一重大轉(zhuǎn)型，中國(guó)政府需要聚焦科研，特別是要加大對(duì)新能源技術(shù)研究的支持。

《自然》采訪了中國(guó)的四個(gè)科研團(tuán)隊(duì)，這些團(tuán)隊(duì)活躍在中國(guó)龐大能源結(jié)構(gòu)的各個(gè)領(lǐng)域，希望能為國(guó)家向清潔能源的轉(zhuǎn)型貢獻(xiàn)一份力量。

儲(chǔ)存清潔能源

抽水蓄能是世界上最常見的儲(chǔ)能技術(shù)，通常用于支持依賴太陽能或風(fēng)能的電網(wǎng)。其原理是在低電力需求期間將水抽到山頂?shù)乃畮?，并在需要時(shí)施加壓力將其傾瀉，為水輪機(jī)提供動(dòng)力并將電力輸送回電網(wǎng)。蓄能是綠色能源系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)，它能將大風(fēng)天或晴天產(chǎn)生的能量?jī)?chǔ)存起來，日后再釋放，以滿足用電高峰時(shí)段的需求。

中國(guó)國(guó)家能源局（中央政府的能源發(fā)展監(jiān)管機(jī)構(gòu)）2021年9月發(fā)布的能源發(fā)展規(guī)劃指出，五年內(nèi)要將抽水蓄能發(fā)電裝機(jī)容量翻一番，到2030年再翻一番，達(dá)到1.2億千瓦。

清華大學(xué)水利工程師祝寶山說，建設(shè)更多水電站的計(jì)劃慢于預(yù)期。這些水電站建設(shè)成本高、工期長(zhǎng)、發(fā)電容量有限，加上建設(shè)過程中對(duì)環(huán)境的潛在破壞，都阻礙了建設(shè)進(jìn)度。

盡管如此，中國(guó)的水電站數(shù)量仍居世界前列，國(guó)內(nèi)為水電站建設(shè)提供配套設(shè)施的制造業(yè)也已形成。祝寶山說，2008年之前，水力發(fā)電的許多水輪機(jī)都是從國(guó)外進(jìn)口的。

1980年代，當(dāng)祝寶山還是學(xué)生時(shí)，當(dāng)時(shí)產(chǎn)生1千瓦時(shí)（KWh）的電力需要1.3千瓦時(shí)的存儲(chǔ)電力，而現(xiàn)在只需要1.25千瓦時(shí)。他說：“這看起來可能是很小的差異，但對(duì)于要產(chǎn)生幾十億千瓦電力的電站來說，這一差異就相當(dāng)可觀了。”

去年12月，中國(guó)迄今最大的水電站正式投產(chǎn)發(fā)電。位于河北省豐寧的這座水電站也是世界上最大的抽水蓄能電站，總裝機(jī)容量為360萬千瓦。今年早些時(shí)候，豐寧抽水蓄能電站承擔(dān)了為北京2022年冬季奧運(yùn)會(huì)供應(yīng)可再生能源的任務(wù)。

豐寧抽水蓄能電站使用高科技的變速發(fā)電機(jī)組，其調(diào)節(jié)自身能源效率的能力比傳統(tǒng)的單速機(jī)組更為出色，但必須從奧地利進(jìn)口。祝寶山認(rèn)為，這對(duì)于中國(guó)進(jìn)一步發(fā)展該技術(shù)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

祝寶山說，盡管抽水蓄能是中國(guó)采用的主要儲(chǔ)能方式，但這些電站的發(fā)電量?jī)H占全國(guó)供電量的1.4%。他解釋道，許多其他技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家擁有更高的產(chǎn)能。例如在奧地利，抽水蓄能電站的發(fā)電量最高能占到該國(guó)供電量的20%。

安徽省最大的抽水蓄能電站位于績(jī)溪市（左），其使用的水輪機(jī)與正在建造的這一款（右）類似。來源：TopPhoto/Alamy,Chine Nouvelle/SIPA/ShutterstockopPhoto/Alamy

預(yù)測(cè)未來需求

位于北京的華北電力大學(xué)專門培養(yǎng)能源生產(chǎn)相關(guān)領(lǐng)域的科研人才。該校的電氣與電子工程研究員王飛說，隨著我們對(duì)風(fēng)能和太陽能的需求不斷增加，能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)這些能源可用性的系統(tǒng)對(duì)于中國(guó)的電力公司也變得尤為重要。

王飛在中國(guó)首個(gè)面向可再生能源電力系統(tǒng)、具有國(guó)家戰(zhàn)略意義的“國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”工作。自他的研究小組在2011年成立以來，政府和企業(yè)對(duì)他所在領(lǐng)域的興趣和投資力度明顯加大。他自己的團(tuán)隊(duì)從原先的6人發(fā)展到現(xiàn)在的約50名研究人員，研究經(jīng)費(fèi)也呈5倍增長(zhǎng)。

王飛的研究方向是提高電力供應(yīng)商對(duì)短期（一般提前24小時(shí)到72小時(shí)）內(nèi)太陽能和風(fēng)能強(qiáng)度的預(yù)測(cè)精度。這項(xiàng)研究很有必要，因?yàn)檫@類能源很容易受到快速變化的天氣的影響。他們團(tuán)隊(duì)使用大量數(shù)據(jù)來構(gòu)建這個(gè)預(yù)測(cè)模型，包括從衛(wèi)星和地面拍攝的云層圖像、歷史天氣數(shù)據(jù)，以及算法工具。

2021年9月，該團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)新模型，可以預(yù)測(cè)超短期（15 分鐘到 4 小時(shí)之間）內(nèi)的太陽能強(qiáng)度（F. Wanget al. Energy238, 121946; 2022）。他們的預(yù)測(cè)方法是將云團(tuán)的運(yùn)動(dòng)模式與光伏板接收到的太陽能量（輻照度）關(guān)聯(lián)起來。

王飛說，傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)模型使用地基輻照度傳感器來預(yù)測(cè)太陽能強(qiáng)度。但是云層的變化速度很快，所以當(dāng)傳感器檢測(cè)到輻照度變化時(shí)，云層可能已經(jīng)遮住了太陽。為了解決這個(gè)問題，王飛的模型能跟蹤云團(tuán)運(yùn)動(dòng)，并能預(yù)測(cè)云團(tuán)到達(dá)特定光伏電站上方時(shí)的可能形變。

“這不是一件容易的工作，”他說，“它涉及多學(xué)科的合作。要構(gòu)建這樣的模型，我們需要懂大氣物理學(xué)、數(shù)學(xué)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的人?！?/p>

2018年至今，王飛的模型已被全國(guó)20多個(gè)省份用于預(yù)測(cè)太陽能和風(fēng)電場(chǎng)的未來電力供應(yīng)，包括西北部遼闊而多風(fēng)的新疆。這些預(yù)測(cè)還能用來預(yù)判這些地區(qū)除可再生能源外，還需要多少煤電才能滿足用電需求。舉個(gè)例子，王飛這一精度更高的預(yù)測(cè)模型成功將新疆的可再生能源浪費(fèi)比例從2020年的4.6%降至2021年的1.4%。

在中國(guó)960萬平方公里的國(guó)土上，地形多種多樣，意味著該團(tuán)隊(duì)無法開發(fā)出一種適用于全國(guó)所有地區(qū)的模型，尤其是在預(yù)測(cè)風(fēng)能方面。研究人員對(duì)山谷風(fēng)電場(chǎng)使用的模型就與對(duì)西北平坦地區(qū)或低洼沿海地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)使用的模型不同。王飛說：“在小一點(diǎn)的國(guó)家，更少的模型就能覆蓋所有的發(fā)電場(chǎng)。”

利用海上綠色能源

對(duì)綠色能源的儲(chǔ)存和預(yù)測(cè)是幫助中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的兩個(gè)關(guān)鍵研究方向，但能源的生產(chǎn)方式也需要進(jìn)一步創(chuàng)新。

2021年10月，清華大學(xué)海洋工程研究員鄭向遠(yuǎn)獲得了一項(xiàng)僅靠風(fēng)能和太陽能供電的漁業(yè)網(wǎng)箱專利。

這一設(shè)備尚未入海測(cè)試，大約有足球場(chǎng)那么大，可漂浮在100米到200米深的沿岸海域，并能通過頂部的風(fēng)電機(jī)組和光伏板捕獲風(fēng)能和太陽能。它的水下部分是電動(dòng)網(wǎng)箱，可用于魚類養(yǎng)殖，并用電子傳感器監(jiān)測(cè)整個(gè)養(yǎng)殖過程。

鄭向遠(yuǎn)說，網(wǎng)箱頂部的發(fā)電量可以輕松滿足這些深海水產(chǎn)養(yǎng)殖網(wǎng)的用電需求，剩余電力還有機(jī)會(huì)輸送到人口占中國(guó)總?cè)丝谝话胍陨系难睾３鞘小?/p>

鄭向遠(yuǎn)表示，這種超前的可再生能源研究思路在中國(guó)吸引了大量投資。自2018年以來，他團(tuán)隊(duì)的12名研究人員已經(jīng)獲得了100 萬元的國(guó)家自然科學(xué)基金，以及其他各類經(jīng)費(fèi)共計(jì)850萬元。

為了將這個(gè)想法付諸實(shí)踐，鄭向遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在需要與大型企業(yè)或富有的投資人合作，籌集制造資金，此外還需要來自國(guó)家和地方政府在財(cái)政和政策上的進(jìn)一步支持。

鄭向遠(yuǎn)表示，他的設(shè)備是中國(guó)第一個(gè)將風(fēng)能和太陽能與水產(chǎn)養(yǎng)殖相結(jié)合的設(shè)計(jì)。也因?yàn)槿绱?，他的團(tuán)隊(duì)沒有先例可循，無法很好地判斷這種系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)際運(yùn)作情況。

鄭向遠(yuǎn)承認(rèn)，如果沒有這樣的實(shí)驗(yàn)，他的團(tuán)隊(duì)就無法預(yù)測(cè)該設(shè)備會(huì)如何應(yīng)對(duì)海浪和海風(fēng)，比如它會(huì)不會(huì)翻倒，電力機(jī)組會(huì)不會(huì)發(fā)生故障等。他說，該實(shí)驗(yàn)最小版本的規(guī)模約為他最初提議的四分之一，耗資1.67億元左右。

2020年，中國(guó)興建的海上風(fēng)電場(chǎng)數(shù)量占全球總數(shù)的一半，去年更是超過英國(guó)成為全球海上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模最大的國(guó)家。咨詢公司W(wǎng)indpower Intelligence在2021年11月統(tǒng)計(jì)的11個(gè)新建的全球最大海上風(fēng)電場(chǎng)中，中國(guó)就占了8個(gè)。

鄭向遠(yuǎn)指出，盡管這些數(shù)字很好看，但要實(shí)現(xiàn)新概念的商業(yè)化并不容易。他說：“從事海洋可再生能源的大型私營(yíng)企業(yè)非常少，而且本質(zhì)上相當(dāng)保守。這些企業(yè)不敢在我們這種全新的海洋設(shè)備上投入巨資。”

這與中國(guó)龐大的海洋科研人才隊(duì)伍似乎并不相稱。根據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織的統(tǒng)計(jì)，中國(guó)在海洋科學(xué)領(lǐng)域擁有3.8萬名科學(xué)家和技術(shù)人員，比其他任何國(guó)家都多。

鄭向遠(yuǎn)說：“光是我們大學(xué)就有很多很好的專利，可惜只有一小部分——約11%——得到了行業(yè)的支持。這是一種浪費(fèi)?！?/p>

用空氣發(fā)電

2021年8月，位于北京的中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所的研究人員將事先冷卻并儲(chǔ)存在地下鹽穴中的壓縮空氣成功轉(zhuǎn)化為電能。在山東省肥城市示范運(yùn)行一個(gè)月后，該電站正式并入國(guó)家電網(wǎng)，使得中國(guó)成為世界上第三個(gè)以該方式為電網(wǎng)供電的國(guó)家。

中科院首席研究員陳海生說，這一刻是17年來努力的結(jié)果。陳海生也是中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟的理事長(zhǎng)，中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟是一個(gè)致力于推動(dòng)中國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的非營(yíng)利性行業(yè)社團(tuán)組織。

壓縮空氣儲(chǔ)能（Compressed-air energy storage，CAES）技術(shù)已有40多年的歷史，但之前只有德國(guó)和美國(guó)能運(yùn)行整套CAES系統(tǒng)。

陳海生的團(tuán)隊(duì)致力于開發(fā)出更先進(jìn)的CAES系統(tǒng)，從而解決該技術(shù)的三個(gè)關(guān)鍵問題。陳海生說，首先，壓縮和減壓空氣的過程會(huì)導(dǎo)致能量以熱量的形式損失，使得該過程的效率不如抽水蓄能電站和化學(xué)電池這類儲(chǔ)能系統(tǒng)。其次，該系統(tǒng)需要使用化石燃料來加熱從儲(chǔ)氣室排出的高壓空氣，再用這一熱量驅(qū)動(dòng)輪機(jī)發(fā)電。第三，CAES設(shè)施的最佳選址是地下已經(jīng)擁有大容量、高不透水儲(chǔ)氣洞穴（如鹽礦）的地區(qū)。

陳海生的團(tuán)隊(duì)綜合考慮了以上三個(gè)問題，在設(shè)計(jì)上進(jìn)行了一系列改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)了減少整體能量損失和降低CAES技術(shù)對(duì)化石燃料依賴的目標(biāo)。他說，這些改進(jìn)將肥城壓縮空氣儲(chǔ)能電站的效率提高到了60%，而德國(guó)埃爾斯弗萊特的芬道夫電站和阿拉巴馬州的麥金托什電站的效率分別為42%和54%。

肥城壓縮空氣儲(chǔ)能電站的建設(shè)周期為12個(gè)月，耗資8000萬元，其中有3000萬元來自各個(gè)國(guó)家級(jí)、省級(jí)和市級(jí)能源部門，其余資金來自私營(yíng)企業(yè)和國(guó)有企業(yè)，包括專門從事CAES技術(shù)商業(yè)化的中儲(chǔ)國(guó)能（北京）技術(shù)有限公司。

陳海生表示，如此雄厚的資金支持確保了該項(xiàng)目的工程建設(shè)能穩(wěn)步推進(jìn)。不過，盡管技術(shù)上已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但這類儲(chǔ)能技術(shù)仍處于早期階段。

Sarah O"Meara是倫敦的一名自由撰稿人。Yvaine Ye是上海的一名科學(xué)記者。

原文以Four research teams powering China’s net-zero energy goal為標(biāo)題發(fā)布在2022年3月24日出版的《自然》增刊“自然聚焦-中國(guó)碳中和愿景”上

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