北京有個能源谷
2021年9月，國家電投集團中央研究院研發的永磁變速機在第24屆中國北京國際科技產業博覽會參展。
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圖為雲南省臨滄市雲縣月牙村，中國華能集團清潔能源技術研究院開展光伏柔性支架項目。
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圖為北京市昌平區的未來科學城。
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在北京市昌平區未來科學城，有一個集聚了大批能源企業和新型研發機構的能源谷，以國內領先的創新實力和研發水平，為中國能源產業的創新發展提供支持。近日，本報記者走進這裏，探訪中國能源產業發展的最新成果。
匯聚能源創新要素
在北京市昌平區南部，坐落着未來科學城。2009年7月，未來科學城奠基啓動，最初定位是建設中央企業人才創新創業基地。經過十幾年發展，曾經的農田和村莊，變成了充滿現代感的城區，寬闊的道路兩側是一個挨一個的高科技企業園區——能源谷就位於此。
“其實，能源谷這個名稱的出現是個偶然。”北京未來科學城管委會服務保障處處長金鑫向記者娓娓道來：“最早一批入駐的中央企業中，包括國家電網、國家電力投資集團、中國華能集團等多家能源領域的龍頭企業。這些企業科研實力雄厚，慢慢吸引了更多能源領域的上下游企業入駐，逐漸使未來科學城成為了全國能源創新要素最富集的區域之一。”
2019全球能源轉型高層論壇舉辦能源谷專場發佈會，對外宣佈未來科學城東區將建設具有國際影響力的能源谷。此後，能源谷有了更清晰的發展路線。
近年來，通過集中建設發展，能源谷已吸引300餘家能源研發機構和企業入駐，集聚了上萬名能源領域科研人才，成為北京十大高精尖產業先進能源細分領域核心承載區。
如今，能源谷的創新實力有多強？
金鑫告訴記者，創新主體多元、創新平台集聚、創新生態良好和產業基礎紮實，是能源谷先進能源產業發展的特點。
“在能源谷，既有‘三桶油’（中國石油化工集團有限公司、中國石油天然氣集團有限公司、中國海洋石油集團有限公司）及“五大發電集團”（國家電力投資集團有限公司、中國國能集團有限公司、中國華能集團有限公司、中國大唐集團有限公司、中國華電集團有限公司）等中央企業設立的分支機構或研發總部，也有多家能源領域的高科技民營企業，還有60個能源領域國家級與省部級研發平台、重點實驗室、工程技術中心等，涵蓋了能源全週期創新發展。”金鑫説。
從能源谷走出的多項技術創新達到世界領先水平。
以來源多樣、清潔低碳、靈活高效的氫能為例，在2022年北京冬季奧運會、冬季殘奧會期間，有150輛氫能大巴車執行了7000餘班次接駁任務，接送人數超過16萬人次。這些大巴車搭載的“氫騰”系列燃料電池，正是由能源谷入駐企業國家電投集團研發製造的，從材料到零部件實現了完全自主研發。
發展氫能產業，不能只靠一兩家企業擁有核心技術，更需要全產業鏈的協同創新，而能源谷的優勢正在於搭建起了全產業鏈合作的平台。目前，能源谷已形成從制氫、儲氫、氫燃料電池到發動機和電動汽車的完整產業鏈條。
除氫能外，當前及今後一段時期，能源谷的重點聚焦方向還有能源互聯網。
清華大學電機工程與應用電子技術系教授孫宏斌介紹，能源互聯網是信息通訊技術與能源系統生產、傳輸、使用和存儲各個環節融合的新一代能源技術，是數字技術與能源革命深度融合的產物，目標在於促進能源更好互聯互通和開放共享。
“目前，在能源谷，已有48家企業佈局這一領域，幾乎集成了智能電網、特高壓輸電、清潔能源發電等全部技術方向，整體處於全球領先水平。”金鑫表示，接下來，能源谷將聚焦打造能源互聯網創新高地、產業集羣、交易中心，促進互聯網與能源生產、傳輸、存儲、消費及市場的深度融合。
積極佈局能源轉型
據金鑫介紹，瞄準“雙碳”目標，能源谷企業和研發機構的技術攻關方向，已涵蓋化石能源清潔高效利用，氫能、風能、光伏、核能、水電等清潔能源技術，能源互聯網以及二氧化碳捕集封存利用等方向，形成了科技研發、技術服務、成果轉化全週期創新鏈條。
位於能源谷的中國華能集團清潔能源技術研究院，近年來深耕二氧化碳捕集利用和封存技術。該公司綜合部副主任兼科研部負責人王曉龍告訴記者，這項技術的核心是將二氧化碳從工業生產、能源利用或大氣中分離捕集下來，運輸到特定地點加以利用或注入地層封存。“通過這項技術，可避免或延緩二氧化碳進入大氣，減排效益明顯。”
但高能耗一直是傳統捕集方法中存在的難題。王曉龍講解説：“捕集二氧化碳依靠的是吸收劑。目前廣泛使用的化學吸收法，需要將吸收劑全部加熱再生，才能實現二氧化碳的分離和吸收劑的循環利用。這個過程中，能耗和運行成本就會比較高。針對這個問題，我們最新研製了一種相變吸收劑。它能夠在吸收二氧化碳以後，自動上下層分開，二氧化碳只停留在其中一層，這樣後續需要加熱再生藥劑體積就減少了一半，所需能耗也就隨之減少了。”
數據顯示，採用相變吸收劑，對煙氣中二氧化碳捕集率可達到90%，同時再生溶液量減少40%至45%，社會和經濟效益顯著。
另一家能源谷企業——國家電投集團中央研究院，也在低碳節能領域取得多項創新成果。該公司董事長、黨委書記範霽紅認為：“實現‘雙碳’目標，必須依靠技術創新，實現節能和能源轉型，儘量減少低效、無效的能源消耗。”
例如永磁變速技術，是利用磁場作用力代替傳統機械齒輪的機械齧合力，從而進行傳動。範霽紅向記者介紹：“現在很多風力發電設備安置在偏遠的地區，如果將帶動葉片轉動的機械齒輪，更換為永磁變速器，將不用再擔心變速器磨損問題，可以極大降低設備日常維護成本。”
再比如天然氣摻氫技術，其目的是為了解決氫的大規模、長距離、低成本輸送與利用，並探索燃氣領域的深度減碳。
去年10月開始，遼寧省朝陽市部分居民家中的天然氣灶具上，多了一個小小的藍色火焰標識，代表着該灶具可以適用“摻氫天然氣”。這是國內首個在民用終端開展應用驗證的“綠氫”（指可再生能源電解水制氫）摻入天然氣示範項目，標誌着氫能的綜合利用向“氫進萬家”又邁近一步。在該示範項目實施中，國家電投集團中央研究院在管道材料相容性評價、流量隨動摻混工藝、完整性管理及安全防範技術、工業與民用終端評價等方面開展了相關研究，並制定了《天然氣摻氫混氣站技術規程》標準。
能源谷企業在清潔能源領域的不斷創新，是近年來中國大力發展相關技術的一個縮影。
範霽紅指出：“中國是全世界發展清潔能源的骨幹力量，並且將很多先進技術實現了產業化。”
數據支持了這一觀點。APEC中國工商理事會與國家發展改革委國際合作中心聯合發佈“可持續中國產業發展行動”2022年度報告《超越淨零碳》顯示，中國已在2020年以超80億美元的研發投入成為全球第二大能源研發支出國。截至2020年，中國在可再生能源技術領域獲得的國際專利數量已超75%，目前在可再生能源領域的研究就主要集中在電池、太陽能光伏與電動汽車和充電三方面，三者累計專利數量比世界總數量的50%還多。此外，報告指出，中國在風能和太陽能光伏方面的技術突破以及產業鏈建設，對全球太陽能和風能裝機成本和發電成本的大幅下降起到了關鍵作用。在中國的推動下，2021年全球太陽能光伏裝機成本較2010年下降約82%，陸上風機與海上風電裝機成本分別下降約35%和41%，發電成本也大幅下降。
“目前全球清潔能源領域的技術發展是一個百舸爭流的狀態，未來幾十年還有很長的路要走。如果説這是一場馬拉松比賽，那麼現在還是一個剛開跑不久的階段。”範霽紅認為，憑藉廣闊的市場發展空間、有力的政策支持，未來，中國能源企業在全球清潔能源技術競爭中大有可為。
不斷探索技術創新
能源谷的創新基因還體現在一項項技術研發中。在能源谷，記者看到多個旨在提高能源利用率、保障能源安全穩定供應的創新成果。
細節的改變可能會帶來產業的升級，比如中國華能集團清潔能源技術研究院研發的光伏柔性支架技術。
“所謂柔性支架，指利用預應力鋼索支撐光伏組件，類似懸索橋的結構。”該公司勘察設計部二級業務經理蔣河川告訴記者，柔性支架的最大特點在於“高淨空、大跨距”，能更好地適應地形，提高土地綜合利用效率，實現光伏項目的降本增效和生態協同。
“以我們在雲南省臨滄市雲縣月牙村的光伏柔性支架項目為例，光伏板要安裝到坡度在25度至40度之間山坡上，並且地表溝壑縱橫。這種地形下，通過鋼絞線牽引搭建起的光伏組件，離地面約2.5米高，橫跨溝壑，節約了50%左右的土地，並且下面空出來的山地可以種中藥草、茶樹等，極大地提高了土地利用率。”蔣河川説。
國網智能電網研究院則圍繞電的使用研發了多項新技術。
我們日常生活中用到的傳統電網是交流電。但隨着清潔能源發電體系的建立以及新能源電動汽車、數據中心等廣泛應用，人們對直流電的使用頻率也在增加。為提高交流電與直流電的轉化效率，一種面向未來配電網的柔性變電站應運而生。
“柔性變電站是高度集成、高度靈活、高度兼容性特徵的新一代變電站。它能夠對不同形式的電壓和電流進行高效變換，並以靈活可控、即插即用方式接受和分配電能，提升用電效能。”國網智能電網研究院電力電子所辦公室副主任劉海軍介紹，為服務2022年北京冬季奧運會、冬季殘奧會，去年在河北省張家口市崇禮南客運站，一座柔性變電站投入使用，主要承擔客運站供電和當地賽事擺渡車輛充電的任務。“為儘可能多地用上當地的風電、光伏發電，同時減少新能源發電的間歇性、不穩定性帶來的影響，我們設計了儲能電池，將電儲存下來。彙集了多種來源的電後，柔性變電站就成為一個‘集納箱’，然後通過人工智能系統和轉換裝置，把這些電轉換成需要的形式，持續穩定地輸出。”
今年9月，又一座柔性變電站在河北保定投運，採用新一代器件和芯片，大幅提升了性能，將分佈式光伏、直流充電樁、儲能、數據中心等設施以直流方式接入，減少電能損耗，提高能源利用效率。
在保障電網安全方面，過去，輸電線路上出現了問題，都要靠人工巡檢；但如今，電網智慧巡檢技術的應用，讓無人機及其背後的人工智能平台，成為了電網一線的“巡檢工”。
國網智能電網研究院計算及應用研究所工程師劉思言告訴記者，電網智慧巡檢體系的輸變電巡檢樣本庫中，樣本規模超100萬個，採用的人工智能識別模型可自動識別輸電線路、杆塔、輸電通道以及各類變電設備的缺陷和隱患。
“電網智慧巡檢技術的成功實施，將大力推動人工智能技術與電力業務的深度融合，促進國內人工智能產業鏈上下游合作，將電力行業‘嚴寒酷暑、風餐露宿’的人工巡檢升級為‘缺陷智能識別、隱患及時消除’的智慧巡檢，為電網龐大資產管理帶來全新技術手段，還將推動人工智能產品和技術升級及其在油氣勘探、交通運輸等其他行業的應用。”劉思言説。
如果説智能巡檢技術是為了及時解決問題，那麼高精度腐蝕數字地圖的繪製，則是為了更好地預防問題出現。
據國網智能電網研究院電工新材料研究所工程師郝文魁介紹，輸電線路和變電站設備長時間暴露在户外，表面會受到腐蝕。但因為各地的温、濕度，空氣中二氧化硫、氯離子等污染物含量不同，腐蝕程度也有很大差異。要提前判斷輸電線路和變電站所處的大氣環境腐蝕等級，就需要一份高精度腐蝕數字地圖。
為從源頭上解決電網腐蝕問題，國家電網在全國2393個地點建立了腐蝕試驗站，進行現場試驗及環境監測，積累設備材料腐蝕數據4萬餘個及百萬級腐蝕環境數據。2020年印發的全國第一份腐蝕地圖，準確度達到86%，填補國內空白，整體技術達到國際領先水平。
“現在，通過查詢地圖，技術人員能清晰查看輸電線路沿線及變電站所在環境的腐蝕等級，並對處於重腐蝕區段的設備進行差異化防腐設計。”郝文魁説。現在，腐蝕數字地圖已在“白鶴灘—江蘇”等6條特高壓工程上成功應用，有效提升了特高壓工程應對重腐蝕環境的能力，為促進各領域工程裝備防腐能力提升奠定了重要基礎。