為給南極清潔能源裝備、系統(tǒng)、運(yùn)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(jiǎn)稱《綱要》)日前在2024中國(guó)極地科學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)上發(fā)布。《綱要》由中國(guó)極地研究中心(中國(guó)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(tuán)隊(duì)共同編制。

如何加速實(shí)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?記者對(duì)此進(jìn)行了采訪。

極端環(huán)境制約能源利用

極寒、極強(qiáng)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(dòng)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(zhǎng)薛屹洵認(rèn)為，隨著南極考察活動(dòng)增多，人員生活、設(shè)施運(yùn)行的能源保障問題已成為南極活動(dòng)持續(xù)開展的主要瓶頸。

南極是地球最大淡水資源庫(kù)，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(chǔ)藏量。隨著人類在南極活動(dòng)版圖不斷拓展，如何避免污染、維護(hù)原生態(tài)的極地環(huán)境，成為各國(guó)南極科考活動(dòng)的重要關(guān)切。太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院副院長(zhǎng)竇銀科告訴科技日?qǐng)?bào)記者，在2022年世界范圍的南極活動(dòng)中，燃油在能源消費(fèi)中占比達(dá)82%。“以燃油為主的南極能源消費(fèi)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。”竇銀科說(shuō)。

為守護(hù)南極這片“凈土”，各國(guó)近年來(lái)圍繞南極清潔能源發(fā)展進(jìn)行諸多探索，其中，太陽(yáng)能和風(fēng)能成為主要開發(fā)對(duì)象。《綱要》顯示，截至2022年，已有20多個(gè)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(yáng)能或風(fēng)能。目前，我國(guó)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(guó)南極秦嶺站清潔能源占比也已達(dá)到整個(gè)站能耗的60%。

不過(guò)，在南極的極端環(huán)境下，太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電設(shè)備往往難以保持穩(wěn)定高效。“目前仍缺乏針對(duì)南極環(huán)境特點(diǎn)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(yùn)行方面還無(wú)法真正媲美傳統(tǒng)能源，這使南極清潔能源利用長(zhǎng)期處于嘗試階段。”薛屹洵說(shuō)。

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(gè)集成多種能量流并實(shí)現(xiàn)高效利用的復(fù)雜能源系統(tǒng)，通過(guò)不同能源形式之間的互補(bǔ)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(lái)國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)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(jī)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(wú)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(shí)既難以保證運(yùn)行調(diào)控的穩(wěn)定性與韌性，又無(wú)法確保穩(wěn)定性與韌性評(píng)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(bǔ)、智慧融合。”薛屹洵說(shuō)，要以南極環(huán)境下能源裝備可靠運(yùn)行和南極能源系統(tǒng)多能互補(bǔ)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(shí)現(xiàn)南極能源系統(tǒng)從建設(shè)、運(yùn)行到運(yùn)維的安全高效化管理，優(yōu)化南極科考站、野外觀測(cè)站、南極交通設(shè)施的能源結(jié)構(gòu)。

針對(duì)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(zhǎng)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(shì)，厘清個(gè)性技術(shù)的發(fā)展方向和重點(diǎn)。其次，深入分析南極能源需求特性至關(guān)重要。此外，還需評(píng)估地?zé)崮堋⒐鉄崮艿绕渌履茉醇夹g(shù)對(duì)南極清潔能源技術(shù)發(fā)展的潛在影響。“風(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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期存儲(chǔ)也需要進(jìn)一步思考。”孫宏斌說(shuō)。

為實(shí)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(guó)南極考察站清潔能源利用的轉(zhuǎn)型升級(jí)，基本實(shí)現(xiàn)安全高效、綠色便捷、設(shè)備可靠、多能互補(bǔ)、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(guó)南極考察事業(yè)邁上新臺(tái)階。

“多年來(lái)，我國(guó)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。”孫宏斌說(shuō)，未來(lái)，我國(guó)有望通過(guò)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(guó)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)。