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探索能源行业的“摩尔定律”

发布时间:

2022-03-11

一旦能源存储技术取得突破，芯片技术可能会应用于能源网络，能源行业也可能会找到自己的摩尔定律。

一旦能源存储技术突破，芯片技术可能会应用于能源网络，能源行业也可能会找到自己的摩尔定律。随着双碳目标逐渐成为全社会的共识，目前关于如何实现双碳目标的讨论也逐渐从务实和概念层面转向务实和技术层面。在这个过程中，逐渐形成了几个基本共识：1. 电力将是未来零碳社会中最重要的能源形式；2. 以风能和光能为代表的低碳能源比例需要大幅提高；3. 能源的生产、传输和使用效率应不断提高；4. 能源消费需要控制，但减碳并不意味着减能，能源成本应继续降低；5. 能源网络的数字化是必不可少的。这些基本共识并不难理解，但要实现这些目标就像经典问题“把大象放进冰箱需要三个步骤：打开门，把它放进去，关上门”，说起来容易做起来难。许多学者和科学家也提出了多种可能的双碳目标路径。根据全球芯片设计解决方案领先企业Synopsys的高级副总裁、Synopsys中国董事长兼总裁葛群的说法，芯片设计领域多年积累的能源管理和数字建模能力将被复制到能源领域，以寻找能源行业的“摩尔定律”，这不仅为能源行业的结构改革提供了加速，也为实现双碳目标带来了巨大的推动力。芯片与双碳似乎相关性有限，但双碳目标的底层逻辑是更清洁地生产能源、更高效地传输能源和更智能地使用能源，而这些都是芯片设计几十年来一直在做的事情。葛群做了一个类比：“一个芯片集成了数十亿或数百亿个晶体管，一个晶体管相当于一个电力消耗单位，而一个芯片相当于一个大规模的能源网络。实际上，在能源消费模型方面，一个晶体管的复杂性超过了现实中的一个家庭。现在我们正在优化每个晶体管的能源消耗，未来同样的能力也可以用于能源网络，但单位已从微瓦变为瓦特和千瓦。要实现这种能力迁移，需要解决许多技术障碍，但从基本模型来看，能源网络和芯片设计确实有许多交汇点，我们可以从芯片技术中汲取灵感和经验。减碳并不等于减能。当双碳目标首次提出时，许多人将其理解为一项环保措施。实际上，双碳目标远远超出环境目标，通常需要额外的成本来实现更好的状态，而前者允许人们在没有限制的情况下使用更便宜和更清洁的能源。如果碳控制仅仅等同于限制高碳能源的生产，必然会导致运动减碳等问题，这将对人类生活和生产产生巨大负面影响。尽管过去一年欧洲能源危机和中国停电的原因复杂，但激进的减碳措施的影响是不可避免的。回顾文明史，人类社会的进步意味着更多的能源消费。原始社会使用自然可燃物，农业社会使用柴火，早期工业社会使用煤炭，成熟的工业社会使用石油和天然气。人类社会的每一次重大飞跃都始于能源形式的变化。未来的零碳社会也需要更新的能源形式来满足更多的能源需求。仅仅通过限制高碳能源的生产和使用是无法实现这一目标的。要实现这一目标，有两条可行的路径。一是加速重塑能源结构，减少高碳能源的比例，增加低碳能源的比例；另一是提高能源效率，实现零碳电力。将能源源转向电能是当前技术状态下的唯一途径。因为只有电力来自多种来源，只有电力可以联网、精确控制，只有电力可以直接采用零碳方法生产。然而，人类要实现零碳电力，难度超乎想象。欧洲的能源危机、中国的停电和德克萨斯州的停电都证明我们距离能源自由仍然很远。在通往能源自由的道路上，诸如可再生能源发电、能源存储和能源网络数字化等技术问题等待人类去克服。Synopsys深入研究了整个能源数字化路径，并得出结论，在这些技术挑战中，能源存储技术优先级最高，对整个能源网络的影响最大。能源存储——零碳社会的第二脉搏。许多人在谈论能源网络的数字化，普遍认为数字化是实现零碳目标的必要前提，因为只有数字化才能实现能源的精确控制和高效利用。但在当前的能源网络中，数字技术的应用是零散的。许多物联网技术和智能控制技术广泛应用于发电、传输和用电设备，但整个能源网络的数字化水平并不高。主要瓶颈在于当前能源网络缺乏智能能源存储。能源存储对整个能源网络数字化的重要性如何？它相当于芯片中数据存储的地位。数据存储与数据生产、数据传输和数据消费同样不可或缺。在当今以芯片为中心的数字系统中，数据存储的容量、速度和安全性是实现任何计算任务的前提条件。只有高速和高可靠性的数据存储才能支持当今庞大而复杂的数字应用。传统电网的能源存储能力很小。一个仅有电力生产、传输和消费的电网就像一个只有数据生产、传输和消费的模拟芯片。它只能像手持计算器那样完成一些简单的任务，几乎无法承担任何智能应用。智能操作是下一代能源网络的重要特征。要实现这一点，需要更先进的能源存储。如果能源存储环节是整个系统的短板，就很难进行有效的智能网络优化，能源网络的数字化也无法真正实现。葛群表示：“能源存储相当于能源网络的数字化。没有存储能源的能力，即使是最先进的能源消费模型也无法使用。”说能源存储必须提到锂电池也是一种误解。锂电池作为能源网络“最后一公里”的动力电池非常称职。然而，对于大规模能源网络而言，锂电池并不是最佳的能源存储方式。它们具有高安全风险、短循环寿命、环境适应性差和高能源存储成本等缺点。一些能源存储技术专家向《财经十一人》介绍，能源存储技术种类繁多。成熟的技术包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能和铅酸电池。更成熟的技术包括锂电池、流电池和超级电容器。此外，还有燃料电池、热能储存、熔盐电池等。各种能源存储技术具有不同的响应时间和应用场景。目前，能源存储投资不足的短板正在改善。例如，保障北京冬奥会供电的能源存储产品就是一种流电池。这种电池的技术特性对电网级能源存储和并网风能、太阳能具有更好的适应性。在未来的能源存储技术发展中，芯片开发的经验值得借鉴。在芯片开发中，数据存储本身就具有多样性。芯片内部有多级缓存，还有内存、固态硬盘和机械硬盘。同时，看似古老的磁带技术仍然具有强大的生命力。由于数据存储需求各异，每种存储技术都有其最佳使用案例。在能源存储技术的发展中，也应遵循同样的方式。能源存储绝对不等于锂电池，甚至能源存储也不等于电池。即使是抽水蓄能这种古老的能源存储方式，在数字化能源网络的过程中也能发挥更大的作用。未来能源网络中的能源存储技术应满足哪些条件？葛群提出了四个标准：极其安全、易于获取、数字化和大容量。