清潔能源利用技術護航南極“綠色考察”

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)、運維等關鍵技術研發(fā)提供方向指導，建立健全南極能源清潔利用技術體系，《南極清潔能源利用技術十二年發(fā)展綱要》(以下簡稱《綱要》)日前在2024中國極地科學學術年會上發(fā)布。《綱要》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、清華大學等單位的相關團隊共同編制。

如何加速實現(xiàn)南極能源利用綠色轉型?怎樣攻克南極清潔能源利用關鍵技術難題?記者對此進行了采訪。

極端環(huán)境制約能源利用

極寒、極強風、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)新部部長薛屹洵認為，隨著南極考察活動增多，人員生活、設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，這里擁有上千種魚類、220多種礦產、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切。太原理工大學電氣與動力工程學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82%。“以燃油為主的南極能源消費結構引發(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重要。”竇銀科說。

為守護南極這片“凈土”，各國近年來圍繞南極清潔能源發(fā)展進行諸多探索，其中，太陽能和風能成為主要開發(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能。目前，我國泰山站建設了80千瓦風力發(fā)電與60千瓦光伏發(fā)電設施，我國南極秦嶺站清潔能源占比也已達到整個站能耗的60%。

不過，在南極的極端環(huán)境下，太陽能和風能發(fā)電設備往往難以保持穩(wěn)定高效。“目前仍缺乏針對南極環(huán)境特點的清潔能源技術系統(tǒng)性應用，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。”薛屹洵說。

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)高效利用的復雜能源系統(tǒng)，通過不同能源形式之間的互補和轉換提高整體能源利用效率。薛屹洵告訴記者，雖然近年來國內外許多研究機構對多能流系統(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)境下機組產能與負荷用能受環(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控的穩(wěn)定性與韌性，又無法確保穩(wěn)定性與韌性評估結果的精確性。

“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，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、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、南極交通設施的能源結構。

針對目前南極清潔能源利用的技術難題，是否有解決方向?

太原理工大學校長孫宏斌認為，發(fā)展南極清潔能源系統(tǒng)，首先應探索南極清潔能源的共性技術發(fā)展趨勢，厘清個性技術的發(fā)展方向和重點。其次，深入分析南極能源需求特性至關重要。此外，還需評估地熱能、光熱能等其他新能源技術對南極清潔能源技術發(fā)展的潛在影響。“風力發(fā)電和光伏發(fā)電要結合南極環(huán)境進行技術創(chuàng)新，風光發(fā)電產生的‘綠電’如何實現(xiàn)長周期存儲也需要進一步思考。”孫宏斌說。

為實現(xiàn)南極清潔能源發(fā)展的總體目標，《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型升級，基本實現(xiàn)安全高效、綠色便捷、設備可靠、多能互補、智慧融合的目標;到2035年，形成完備的南極科考站清潔能源供給技術體系，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研究。”孫宏斌說，未來，我國有望通過南極清潔能源利用技術的支撐，打造世界南極清潔能源領域技術標桿，為我國以清潔能源為主體的新型電力系統(tǒng)成套裝備和技術走向南極、走向世界作出積極貢獻。