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週年。通過幾代科技工作者不懈努力，我國已經形成極地陸海空全方位立體考察體系，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，需要長期發展並不斷迭代更新。

為給南極清潔能源裝備、系統、運維等關鍵技術研發提供方向指導，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佈。《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，聯合山西省能源網際網路研究院、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？記者對此進行了採訪。

極端環境制約能源利用

極寒、極強風、極晝夜，是南極大陸最典型的氣候特徵。作為地球表面上最寒冷的地區，南極全年分為寒暖兩季。寒季期間，南極沿海地區平均氣溫在零下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。

受極端環境影響，在南極開展科考活動異常艱難。山西省能源網際網路研究院科技創新部部長薛屹洵認為，隨著南極考察活動增多，人員生活、設施運作的能源保障問題已成為南極活動持續開展的主要瓶頸。

南極是地球最大淡水資源庫，也是氣候環境演變的航向標，這裡擁有上千種魚類、220多種礦産、數百億桶石油儲藏量。隨著人類在南極活動版圖不斷拓展，如何避免污染、維護原生態的極地環境，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年世界範圍的南極活動中，燃油在能源消費中佔比達82％。“以燃油為主的南極能源消費結構引發的環境污染等問題值得注意，開展南極清潔能源利用至關重要。”竇銀科説。

為守護南極這片“凈土”，各國近年來圍繞南極清潔能源發展進行諸多探索，其中，太陽能和風能成為主要開發對象。《綱要》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80千瓦風力發電與60千瓦光伏發電設施，我國南極秦嶺站清潔能源佔比也已達到整個站能耗的60％。

不過，在南極的極端環境下，太陽能和風能發電設備往往難以保持穩定高效。“目前仍缺乏針對南極環境特點的清潔能源技術系統性應用，南極地區清潔能源利用在安全穩定運作方面還無法真正媲美傳統能源，這使南極清潔能源利用長期處於嘗試階段。”薛屹洵説。

大力發展清潔能源系統

南極極端環境下的清潔能源系統是以電、熱、油等能源資源為主的典型多能流系統。多能流系統是一個整合多種能量流並實現高效利用的複雜能源系統，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展開了廣泛研究，但其仍面臨諸多挑戰。

例如，由於南極極端環境下機組産能與負荷用能受環境影響較大，傳統多能流能量管理系統無法直接在南極應用。此外，南極極端天氣狀況頻發，傳統多能流系統工作時既難以保證運作調控的穩定性與韌性，又無法確保穩定性與韌性評估結果的精確性。

“發展南極清潔能源系統需要兼顧五大重要特徵，即安全高效、綠色便捷、設備可靠、多能互補、智慧融合。”薛屹洵説，要以南極環境下能源裝備可靠運作和南極能源系統多能互補為物理基礎，以南極環境下資訊物理系統智慧融合為數字支撐，實現南極能源系統從建設、運作到運維的安全高效化管理，優化南極科考站、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，發展南極清潔能源系統，首先應探索南極清潔能源的共性技術發展趨勢，厘清個性技術的發展方向和重點。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展的潛在影響。“風力發電和光伏發電要結合南極環境進行技術創新，風光發電産生的‘綠電’如何實現長週期存儲也需要進一步思考。”孫宏斌説。

為實現南極清潔能源發展的總體目標，《綱要》提出，到2025年，全面突破清潔能源裝備與系統在南極極端環境下的適應性難題；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。”孫宏斌説，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成套裝備和技術走向南極、走向世界作出積極貢獻。