清潔能源利用技術(shù)護航南極“綠色考察”

圖為中國南極秦嶺站。 新華社發(fā)（張體軍攝）

今年是我國極地考察40周年。通過幾代科技工作者不懈努力，我國已經(jīng)形成極地陸?？杖轿涣Ⅲw考察體系，成為南極科考大國。能源利用技術(shù)是保障南極活動的重中之重，需要長期發(fā)展并不斷迭代更新。

為給南極清潔能源裝備、系統(tǒng)、運維等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)提供方向指導(dǎo)，建立健全南極能源清潔利用技術(shù)體系，《南極清潔能源利用技術(shù)十二年發(fā)展綱要》（以下簡稱《綱要》）日前在2024中國極地科學(xué)學(xué)術(shù)年會上發(fā)布?！毒V要》由中國極地研究中心（中國極地研究所）組織，太原理工大學(xué)牽頭，聯(lián)合山西省能源互聯(lián)網(wǎng)研究院、中電科十八所、清華大學(xué)等單位的相關(guān)團隊共同編制。

如何加速實現(xiàn)南極能源利用綠色轉(zhuǎn)型？怎樣攻克南極清潔能源利用關(guān)鍵技術(shù)難題？

極端環(huán)境制約能源利用

極寒、極強風(fēng)、極晝夜，是南極大陸最典型的氣候特征。作為地球表面上最寒冷的地區(qū)，南極全年分為寒暖兩季。寒季期間，南極沿海地區(qū)平均氣溫在零下10至零下30攝氏度，內(nèi)陸平均氣溫在零下50至零下70攝氏度。

受極端環(huán)境影響，在南極開展科考活動異常艱難。山西省能源互聯(lián)網(wǎng)研究院科技創(chuàng)新部部長薛屹洵認(rèn)為，隨著南極考察活動增多，人員生活、設(shè)施運行的能源保障問題已成為南極活動持續(xù)開展的主要瓶頸。

南極是地球最大淡水資源庫，也是氣候環(huán)境演變的航向標(biāo)，這里擁有上千種魚類、220多種礦產(chǎn)、數(shù)百億桶石油儲藏量。隨著人類在南極活動版圖不斷拓展，如何避免污染、維護原生態(tài)的極地環(huán)境，成為各國南極科考活動的重要關(guān)切。太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院副院長竇銀科告訴科技日報記者，在2022年世界范圍的南極活動中，燃油在能源消費中占比達(dá)82%?！耙匀加蜑橹鞯哪蠘O能源消費結(jié)構(gòu)引發(fā)的環(huán)境污染等問題值得注意，開展南極清潔能源利用至關(guān)重要?！备]銀科說。

為守護南極這片“凈土”，各國近年來圍繞南極清潔能源發(fā)展進(jìn)行諸多探索，其中，太陽能和風(fēng)能成為主要開發(fā)對象?！毒V要》顯示，截至2022年，已有20多個南極考察站安裝了清潔能源發(fā)電裝置，其中50%以上利用的是太陽能或風(fēng)能。目前，我國泰山站建設(shè)了80千瓦風(fēng)力發(fā)電與60千瓦光伏發(fā)電設(shè)施，我國南極秦嶺站清潔能源占比也已達(dá)到整個站能耗的60%。

不過，在南極的極端環(huán)境下，太陽能和風(fēng)能發(fā)電設(shè)備往往難以保持穩(wěn)定高效?！澳壳叭匀狈︶槍δ蠘O環(huán)境特點的清潔能源技術(shù)系統(tǒng)性應(yīng)用，南極地區(qū)清潔能源利用在安全穩(wěn)定運行方面還無法真正媲美傳統(tǒng)能源，這使南極清潔能源利用長期處于嘗試階段?！毖σ黉f。

大力發(fā)展清潔能源系統(tǒng)

南極極端環(huán)境下的清潔能源系統(tǒng)是以電、熱、油等能源資源為主的典型多能流系統(tǒng)。多能流系統(tǒng)是一個集成多種能量流并實現(xiàn)高效利用的復(fù)雜能源系統(tǒng)，通過不同能源形式之間的互補和轉(zhuǎn)換提高整體能源利用效率。薛屹洵告訴記者，雖然近年來國內(nèi)外許多研究機構(gòu)對多能流系統(tǒng)展開了廣泛研究，但其仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

例如，由于南極極端環(huán)境下機組產(chǎn)能與負(fù)荷用能受環(huán)境影響較大，傳統(tǒng)多能流能量管理系統(tǒng)無法直接在南極應(yīng)用。此外，南極極端天氣狀況頻發(fā)，傳統(tǒng)多能流系統(tǒng)工作時既難以保證運行調(diào)控的穩(wěn)定性與韌性，又無法確保穩(wěn)定性與韌性評估結(jié)果的精確性。

“發(fā)展南極清潔能源系統(tǒng)需要兼顧五大重要特征，即安全高效、綠色便捷、設(shè)備可靠、多能互補、智慧融合。”薛屹洵說，要以南極環(huán)境下能源裝備可靠運行和南極能源系統(tǒng)多能互補為物理基礎(chǔ)，以南極環(huán)境下信息物理系統(tǒng)智慧融合為數(shù)字支撐，實現(xiàn)南極能源系統(tǒng)從建設(shè)、運行到運維的安全高效化管理，優(yōu)化南極科考站、野外觀測站、南極交通設(shè)施的能源結(jié)構(gòu)。

針對目前南極清潔能源利用的技術(shù)難題，是否有解決方向？

太原理工大學(xué)校長孫宏斌認(rèn)為，發(fā)展南極清潔能源系統(tǒng)，首先應(yīng)探索南極清潔能源的共性技術(shù)發(fā)展趨勢，厘清個性技術(shù)的發(fā)展方向和重點。其次，深入分析南極能源需求特性至關(guān)重要。此外，還需評估地?zé)崮?、光熱能等其他新能源技術(shù)對南極清潔能源技術(shù)發(fā)展的潛在影響?！帮L(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電要結(jié)合南極環(huán)境進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，風(fēng)光發(fā)電產(chǎn)生的‘綠電’如何實現(xiàn)長周期存儲也需要進(jìn)一步思考?！睂O宏斌說。

為實現(xiàn)南極清潔能源發(fā)展的總體目標(biāo)，《綱要》提出，到2025年，全面突破清潔能源裝備與系統(tǒng)在南極極端環(huán)境下的適應(yīng)性難題；到2030年，全面完成我國南極考察站清潔能源利用的轉(zhuǎn)型升級，基本實現(xiàn)安全高效、綠色便捷、設(shè)備可靠、多能互補、智慧融合的目標(biāo)；到2035年，形成完備的南極科考站清潔能源供給技術(shù)體系，助推我國南極考察事業(yè)邁上新臺階。

“多年來，我國圍繞‘綠色考察’要求開展了廣泛的南極清潔能源利用技術(shù)研究?！睂O宏斌說，未來，我國有望通過南極清潔能源利用技術(shù)的支撐，打造世界南極清潔能源領(lǐng)域技術(shù)標(biāo)桿，為我國以清潔能源為主體的新型電力系統(tǒng)成套裝備和技術(shù)走向南極、走向世界作出積極貢獻(xiàn)。