探尋能源行業(yè)的“摩爾定律”——儲能技術(shù)是能源數(shù)字化的關(guān)鍵

 隨著雙碳目標(biāo)越來越成為全社會共識，對于如何達(dá)成雙碳目標(biāo)，現(xiàn)在的討論也逐漸從務(wù)虛和概念層面轉(zhuǎn)向務(wù)實(shí)和技術(shù)層面。在這一過程中，逐漸形成了幾點(diǎn)基本共識：1、電力將是未來零碳社會的最主要能源形式;2、以風(fēng)、光為代表的低碳能源占比需大幅度提升;3、能源的生產(chǎn)、傳輸和使用效率要持續(xù)改善;4、能耗需要控制，但減碳不等于減能，且能源成本應(yīng)繼續(xù)降低;5、能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化必不可少。

　　這些基本共識都不難理解，但想要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)卻如同“把大象裝進(jìn)冰箱里需要打開門，塞進(jìn)去，關(guān)上門三個步驟”這一經(jīng)典問題一般，知易行難。眾多學(xué)者和科學(xué)家也紛紛提出了多種雙碳目標(biāo)的可能路徑。

　　在芯片設(shè)計(jì)解決方案龍頭公司新思科技(Synopsys)全球資深副總裁、新思中國董事長兼總裁葛群看來，將芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域多年來積累的能耗管理、數(shù)字建模能力復(fù)制到能源領(lǐng)域，以尋找能源行業(yè)的“摩爾定律”，不僅為能源行業(yè)的結(jié)構(gòu)變革提供加速度，更會給雙碳目標(biāo)的達(dá)成帶來巨大助推力。

　　芯片與雙碳，看似關(guān)聯(lián)度有限。但雙碳目標(biāo)的根本邏輯是更清潔地生產(chǎn)能源，更高效地傳輸能源，更聰明地使用能源。而這些都是芯片設(shè)計(jì)在過去幾十年一直在做的事情。葛群做了一個類比，“一顆芯片上集成了幾十億、上百億的晶體管，一個晶體管就相當(dāng)于一個用電單位，一顆芯片就相當(dāng)于一個規(guī)模龐大的能源網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際上在能耗模型上，一個晶體管的復(fù)雜程度超過現(xiàn)實(shí)中一個家庭的用電模型?，F(xiàn)在我們是優(yōu)化每個晶體管的能耗，今后同樣的能力也可以用于能源網(wǎng)絡(luò)，只是單位從微瓦變成了瓦和千瓦。”

　　想要實(shí)現(xiàn)這種能力遷移，還需要解決大量技術(shù)障礙，但從基本模型上來看，能源網(wǎng)絡(luò)與芯片設(shè)計(jì)的確具有很多契合點(diǎn)，可以從芯片技術(shù)中汲取靈感與經(jīng)驗(yàn)。

　　減碳不等于減能

　　雙碳目標(biāo)提出之初，很多人都將其理解為一種環(huán)保舉措。事實(shí)上，雙碳目標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)保目標(biāo)，后者通常需要花費(fèi)額外成本才能達(dá)成更好狀態(tài)，前者則讓人們可以不受限的使用更便宜的清潔能源。如果將控碳簡單等同于限制高碳能源的生產(chǎn)，就一定會引發(fā)諸如運(yùn)動式減碳等問題，會對人類的生活和生產(chǎn)帶來巨大負(fù)面影響。過去這一年發(fā)生的歐洲能源危機(jī)、中國拉閘限電現(xiàn)象，雖然成因復(fù)雜，但其中激進(jìn)減碳措施的影響不容回避。

　　回顧文明史，人類社會的進(jìn)步就意味著更多能源消費(fèi)。原始社會使用天然可燃物，農(nóng)業(yè)社會使用木柴，早期工業(yè)社會使用煤炭，成熟工業(yè)社會使用石油、天然氣，每一次人類社會的大跨越，起點(diǎn)都是能源形式的改變。未來的零碳社會，也必將需要更新的能源形式來滿足更多的能源需求，只依靠限制高碳能源的生產(chǎn)和使用，是不可能達(dá)到這一目標(biāo)的。

　　想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，有兩個切實(shí)可行的路徑，一是加速重塑能源結(jié)構(gòu)，降低高碳能源占比，增加低碳能源占比;二是提升能源使用效率，實(shí)現(xiàn)零碳電能。

　　將能源來源切換至電能為主是目前技術(shù)狀態(tài)下的唯一方法。因?yàn)橹挥须娔苁嵌喾N來源的，只有電能可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，精準(zhǔn)控制，也只有電能可以使用零碳方法直接生產(chǎn)。但是，人類想要實(shí)現(xiàn)零碳電能，困難超乎想象。歐洲能源危機(jī)、中國拉閘限電、美國德州大停電都證明，我們距離能源自由還有很長的路。在通往能源自由的路上，可再生能源發(fā)電、儲能、能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化等技術(shù)難題等待著人類去攻克。

　　新思科技深入研究了整個能源數(shù)字化路徑之后得出判斷：在這些技術(shù)挑戰(zhàn)當(dāng)中，優(yōu)先級最高、對整個能源網(wǎng)絡(luò)影響最大的是儲能技術(shù)。

　　儲能——零碳社會的任督二脈

　　很多人都在談能源網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化，并且公認(rèn)數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)零碳目標(biāo)的必備前提，因?yàn)橹挥袛?shù)字化才能實(shí)現(xiàn)能源的精準(zhǔn)控制與高效使用。但在目前的能源網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用是碎片化的。很多物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能控制技術(shù)都在發(fā)電、輸電和用電設(shè)備中廣泛應(yīng)用，但整個能源網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化程度卻并不高，其中最主要的瓶頸在于當(dāng)前能源網(wǎng)絡(luò)缺失智能化儲能這一重要環(huán)節(jié)。

　　能源存儲對于整個能源網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化究竟有多重要?它就相當(dāng)于數(shù)據(jù)存儲在芯片中的地位。數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)生產(chǎn)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)消費(fèi)一樣不可或缺，如今以芯片為核心的數(shù)字系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲的容量、速度、安全性是任何計(jì)算任務(wù)得以實(shí)現(xiàn)的前提，而正是高容量、高速度和高可靠的數(shù)據(jù)存儲，才支撐了當(dāng)下龐大復(fù)雜的數(shù)字化應(yīng)用。

　　傳統(tǒng)電網(wǎng)幾乎沒有能源存儲能力。僅有電力生產(chǎn)、傳輸和消費(fèi)的電網(wǎng)，就如同一顆只有數(shù)據(jù)生產(chǎn)、傳輸和消費(fèi)的模擬芯片，只能做一些手持計(jì)算器那樣的簡單工作，幾乎無法承擔(dān)任何智能化應(yīng)用。而智能化運(yùn)營是下一代能源網(wǎng)絡(luò)的重要特征。為了實(shí)現(xiàn)這個目的，需要更先進(jìn)的能源存儲。如果儲能這個環(huán)節(jié)是整個系統(tǒng)的短板，那么就難以進(jìn)行有效的網(wǎng)絡(luò)智能優(yōu)化，能源網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化就無法真正的落地。

　　葛群比喻說，“儲能就相當(dāng)于能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化的任督二脈，缺少了能源儲存這一能力，再先進(jìn)的能耗模型也無法施展。”

　　現(xiàn)在言儲能必提鋰電池也是一個誤區(qū)。鋰電池作為能源網(wǎng)絡(luò)“最后一公里”的動力電池，是很稱職的。但對大型能源網(wǎng)絡(luò)來說，鋰電池實(shí)在不是最佳儲能方式，其安全風(fēng)險(xiǎn)高、循環(huán)壽命短、環(huán)境適應(yīng)能力差，儲能成本居高不下。

　　多位儲能技術(shù)專家向《財(cái)經(jīng)十一人》介紹，儲能技術(shù)非常多樣化。成熟技術(shù)有抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、鉛蓄電池等。較成熟技術(shù)有鋰電池、液流電池、超級電容器等。此外還有燃料電池、熱儲能、熔融鹽電池等。各種不同的儲能技術(shù)有著不同的響應(yīng)時間和應(yīng)用場景。

　　目前，儲能投入不足的短板正在改善。比如北京冬奧會上保障電力的儲能產(chǎn)品就是液流電池中的一種，這類電池的技術(shù)特點(diǎn)對于電網(wǎng)級儲能、風(fēng)光能源并網(wǎng)都有更好的適應(yīng)性。

　　未來的儲能技術(shù)發(fā)展中，芯片發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。在芯片發(fā)展中，數(shù)據(jù)儲存本來就是多樣化的，有芯片內(nèi)部的多級緩存，也有內(nèi)存、固態(tài)硬盤、機(jī)械硬盤，同時磁帶這種看似老舊的技術(shù)也依然有著旺盛生命力。因?yàn)閿?shù)據(jù)儲存需求各不相同，每種儲存技術(shù)都有其最佳應(yīng)用場景。在儲能技術(shù)的發(fā)展中，同樣應(yīng)該遵循這樣的方式，儲能絕對不等于鋰電池，甚至儲能也不等于電池。即便如抽水蓄能這種古老的儲能方式，在能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化的過程中，也可以發(fā)揮更大作用。

　　今后能源網(wǎng)絡(luò)中的儲能技術(shù)應(yīng)滿足何種條件?葛群提出了四項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)：極安全、易獲取、數(shù)字化、大容量。

　　極安全容易理解，安全是電網(wǎng)級儲能技術(shù)的前提，電網(wǎng)級儲能的規(guī)模大、能量高，一旦安全發(fā)生問題，后果難以想象。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅2021年，中國、韓國、澳大利亞、美國就發(fā)生了近10起儲能電站事故，其中不乏燃燒多日，甚至發(fā)生爆炸的案例。這些都在警示儲能領(lǐng)域，安全是第一位的，現(xiàn)有技術(shù)下，在儲能場景下，鋰電池的安全性堪憂。

　　易獲取在此前討論儲能技術(shù)時探討不多，但這一點(diǎn)其實(shí)非常重要。以目前對未來能源網(wǎng)絡(luò)的判斷，儲能的規(guī)模將是天文數(shù)字，對原材料的需求也巨大，如果儲能技術(shù)需要的原材料不易獲取，儲能技術(shù)的落地就無從談起。而鋰電池所需的鋰資源儲量有限，中國企業(yè)用鋰主要靠進(jìn)口。過去一年，碳酸鋰的價(jià)格暴漲了10倍。

　　易獲取還有另一層含義，即儲能技術(shù)易獲取，容易產(chǎn)業(yè)化，適應(yīng)多種環(huán)境，能廣泛部署。儲能技術(shù)的部署便利性直接決定了能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化的深度，只有儲能技術(shù)可以向前部署，靠近用戶，才能擴(kuò)大能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化的操作空間，使之惠及更廣大用戶。

　　數(shù)字化水平是儲能技術(shù)的代際標(biāo)識，比如抽水蓄能電站和飛輪儲能這些傳統(tǒng)且成熟的儲能技術(shù)如若有了數(shù)字化能力的加持，也能貢獻(xiàn)于未來的能源網(wǎng)絡(luò)、發(fā)揮出更大的作用。

　　大容量更好理解，以計(jì)算機(jī)為例，誰不想內(nèi)存越大越好，硬盤越大越好，儲存能力總是多多益善。同樣在能源網(wǎng)絡(luò)中，儲能的容量越大，能源網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化空間就越大。這其中的限制條件就是成本，包括儲能技術(shù)和產(chǎn)品自身的成本，以及部署儲能涉及的土地等周邊成本。

　　在芯片領(lǐng)域，技術(shù)的不斷演進(jìn)不僅能夠帶來性能的提升，也能夠?qū)崿F(xiàn)成本的“每18個月降低一半”，相信隨著儲能技術(shù)的不斷發(fā)展，能源行業(yè)也會尋找到自己的“摩爾定律”，雖然其發(fā)展速率不會與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)完全一致，但可以指引行業(yè)內(nèi)所有相關(guān)方共同朝著同一目標(biāo)前行。

　　儲能技術(shù)已經(jīng)成為世界技術(shù)競爭的重要領(lǐng)域。2022年2月7日，美國白宮發(fā)布《美國創(chuàng)新技術(shù)與國家安全》，美國國家安全委員會和國家科學(xué)技術(shù)委員會發(fā)布了最新版《關(guān)鍵和新興技術(shù)(CET)清單》，新增五項(xiàng)新技術(shù)，其中就有可再生能源發(fā)電及儲能技術(shù)，美國未來將嚴(yán)格限制對外輸出此類技術(shù)。

　　在國家發(fā)改委最新印發(fā)的《“十四五”新型儲能發(fā)展實(shí)施方案》中，明確了到2025年，新型儲能由商業(yè)化初期步入規(guī)?；l(fā)展階段、具備大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的條件;2030年，新型儲能全面市場化發(fā)展。由此可見，政策、市場和技術(shù)領(lǐng)域都已經(jīng)形成共識——多樣化的儲能是能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化的重要基礎(chǔ)設(shè)施。而在基礎(chǔ)設(shè)施問題解決后，能源網(wǎng)絡(luò)能爆發(fā)出怎樣的發(fā)展?jié)摿δ?

　　探索能源行業(yè)的“摩爾定律”

　　科技界人士都非常熟悉摩爾定律，近些年摩爾定律失效的說法一次次被提起，又一次次被證偽，時至今日，摩爾定律在芯片領(lǐng)域依然有效，整個芯片產(chǎn)業(yè)鏈都在為延續(xù)摩爾定律而努力，這使得芯片性能還在持續(xù)提升。

　　在儲能技術(shù)獲得突破，并且產(chǎn)業(yè)化成功將儲能系統(tǒng)的成本降低后，能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化帶來的影響是否也會如摩爾定律一般，零碳能源的占比不斷倍增，能源價(jià)格不斷下降?這是一種美好的愿望，理論上是可行的。有專家指出，在原材料漲價(jià)前，鋰電池的全生命周期的度電成本大約在0.5元到0.6元。未來，更多儲能技術(shù)全面突破后并市場化成功，可以把度電成本控制在0.3元-0.4元乃至更低。

　　新思科技的技術(shù)專家之所以選擇能源網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)字化延伸的發(fā)力方向，就是因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)一旦儲能技術(shù)得到發(fā)展，新思科技在芯片領(lǐng)域長期積累下來的建模、運(yùn)算、優(yōu)化能力，就可以快速在能源網(wǎng)絡(luò)中復(fù)用，提升能源的使用效率，增加廉價(jià)風(fēng)光能源的占比，達(dá)成能源成本持續(xù)下降的目標(biāo)。

　　新思科技已經(jīng)與多家發(fā)電、輸變電大型企業(yè)進(jìn)行數(shù)字化合作，期間完成了發(fā)電、輸變電和用電環(huán)節(jié)的建模，但因?yàn)槿狈δ苣芰Γ心茉幢仨毤窗l(fā)即用，模型幾乎無法優(yōu)化，只能看著很多設(shè)備工作在非高效狀態(tài)下，能源網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化無法真正實(shí)施。

　　這也是為何一家芯片領(lǐng)域的龍頭公司關(guān)注并強(qiáng)調(diào)儲能重要性的原因。葛群強(qiáng)調(diào)，只有在源、網(wǎng)、荷、儲四種條件兼?zhèn)渲螅瑪?shù)字化能源網(wǎng)絡(luò)才是完整狀態(tài)，才能在能源網(wǎng)絡(luò)開啟摩爾定律的加速器效應(yīng)。