清洁能源利用技术护航南极“绿色考察”

今年是我国极地考察40周年。通过几代科技工作者不懈努力，我国已经形成极地陆海空全方位立体考察体系，成为南极科考大国。能源利用技术是保障南极活动的重中之重，需要长期发展并不断迭代更新。

为给南极清洁能源装备、系统、运维等关键技术研发提供方向指导，建立健全南极能源清洁利用技术体系，《南极清洁能源利用技术十二年发展纲要》(以下简称《纲要》)日前在2024中国极地科学学术年会上发布。《纲要》由中国极地研究中心(中国极地研究所)组织，太原理工大学牵头，联合山西省能源互联网研究院、中电科十八所、清华大学等单位的相关团队共同编制。

如何加速实现南极能源利用绿色转型?怎样攻克南极清洁能源利用关键技术难题?记者对此进行了采访。

极端环境制约能源利用

极寒、极强风、极昼夜，是南极大陆最典型的气候特征。作为地球表面上最寒冷的地区，南极全年分为寒暖两季。寒季期间，南极沿海地区平均气温在零下10至零下30摄氏度，内陆平均气温在零下50至零下70摄氏度。

受极端环境影响，在南极开展科考活动异常艰难。山西省能源互联网研究院科技创新部部长薛屹洵认为，随着南极考察活动增多，人员生活、设施运行的能源保障问题已成为南极活动持续开展的主要瓶颈。

南极是地球最大淡水资源库，也是气候环境演变的航向标，这里拥有上千种鱼类、220多种矿产、数百亿桶石油储藏量。随着人类在南极活动版图不断拓展，如何避免污染、维护原生态的极地环境，成为各国南极科考活动的重要关切。太原理工大学电气与动力工程学院副院长窦银科告诉科技日报记者，在2022年世界范围的南极活动中，燃油在能源消费中占比达82%。“以燃油为主的南极能源消费结构引发的环境污染等问题值得注意，开展南极清洁能源利用至关重要。”窦银科说。

为守护南极这片“净土”，各国近年来围绕南极清洁能源发展进行诸多探索，其中，太阳能和风能成为主要开发对象。《纲要》显示，截至2022年，已有20多个南极考察站安装了清洁能源发电装置，其中50%以上利用的是太阳能或风能。目前，我国泰山站建设了80千瓦风力发电与60千瓦光伏发电设施，我国南极秦岭站清洁能源占比也已达到整个站能耗的60%。

不过，在南极的极端环境下，太阳能和风能发电设备往往难以保持稳定高效。“目前仍缺乏针对南极环境特点的清洁能源技术系统性应用，南极地区清洁能源利用在安全稳定运行方面还无法真正媲美传统能源，这使南极清洁能源利用长期处于尝试阶段。”薛屹洵说。

大力发展清洁能源系统

南极极端环境下的清洁能源系统是以电、热、油等能源资源为主的典型多能流系统。多能流系统是一个集成多种能量流并实现高效利用的复杂能源系统，通过不同能源形式之间的互补和转换提高整体能源利用效率。薛屹洵告诉记者，虽然近年来国内外许多研究机构对多能流系统展开了广泛研究，但其仍面临诸多挑战。

例如，由于南极极端环境下机组产能与负荷用能受环境影响较大，传统多能流能量管理系统无法直接在南极应用。此外，南极极端天气状况频发，传统多能流系统工作时既难以保证运行调控的稳定性与韧性，又无法确保稳定性与韧性评估结果的精确性。

“发展南极清洁能源系统需要兼顾五大重要特征，即安全高效、绿色便捷、设备可靠、多能互补、智慧融合。”薛屹洵说，要以南极环境下能源装备可靠运行和南极能源系统多能互补为物理基础，以南极环境下信息物理系统智慧融合为数字支撑，实现南极能源系统从建设、运行到运维的安全高效化管理，优化南极科考站、野外观测站、南极交通设施的能源结构。

针对目前南极清洁能源利用的技术难题，是否有解决方向?

太原理工大学校长孙宏斌认为，发展南极清洁能源系统，首先应探索南极清洁能源的共性技术发展趋势，厘清个性技术的发展方向和重点。其次，深入分析南极能源需求特性至关重要。此外，还需评估地热能、光热能等其他新能源技术对南极清洁能源技术发展的潜在影响。“风力发电和光伏发电要结合南极环境进行技术创新，风光发电产生的‘绿电’如何实现长周期存储也需要进一步思考。”孙宏斌说。

为实现南极清洁能源发展的总体目标，《纲要》提出，到2025年，全面突破清洁能源装备与系统在南极极端环境下的适应性难题;到2030年，全面完成我国南极考察站清洁能源利用的转型升级，基本实现安全高效、绿色便捷、设备可靠、多能互补、智慧融合的目标;到2035年，形成完备的南极科考站清洁能源供给技术体系，助推我国南极考察事业迈上新台阶。

“多年来，我国围绕‘绿色考察’要求开展了广泛的南极清洁能源利用技术研究。”孙宏斌说，未来，我国有望通过南极清洁能源利用技术的支撑，打造世界南极清洁能源领域技术标杆，为我国以清洁能源为主体的新型电力系统成套装备和技术走向南极、走向世界作出积极贡献。