探尋能源行業(yè)的“摩爾定律”——儲(chǔ)能技術(shù)是能源數(shù)字化的關(guān)鍵

導(dǎo)語(yǔ)：一旦儲(chǔ)能技術(shù)得到突破，芯片技術(shù)就有可能應(yīng)用于能源網(wǎng)絡(luò)，能源行業(yè)亦有可能找到自己的摩爾定律

隨著雙碳目標(biāo)越來(lái)越成為全社會(huì)共識(shí)，對(duì)于如何達(dá)成雙碳目標(biāo)，現(xiàn)在的討論也逐漸從務(wù)虛和概念層面轉(zhuǎn)向務(wù)實(shí)和技術(shù)層面。在這一過(guò)程中，逐漸形成了幾點(diǎn)基本共識(shí)：1、電力將是未來(lái)零碳社會(huì)的最主要能源形式；2、以風(fēng)、光為代表的低碳能源占比需大幅度提升；3、能源的生產(chǎn)、傳輸和使用效率要持續(xù)改善；4、能耗需要控制，但減碳不等于減能，且能源成本應(yīng)繼續(xù)降低；5、能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化必不可少。

這些基本共識(shí)都不難理解，但想要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)卻如同“把大象裝進(jìn)冰箱里需要打開(kāi)門(mén)，塞進(jìn)去，關(guān)上門(mén)三個(gè)步驟”這一經(jīng)典問(wèn)題一般，知易行難。眾多學(xué)者和科學(xué)家也紛紛提出了多種雙碳目標(biāo)的可能路徑。

在芯片設(shè)計(jì)解決方案龍頭公司新思科技（Synopsys）全球資深副總裁、新思中國(guó)董事長(zhǎng)兼總裁葛群看來(lái)，將芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域多年來(lái)積累的能耗管理、數(shù)字建模能力復(fù)制到能源領(lǐng)域，以尋找能源行業(yè)的“摩爾定律”，不僅為能源行業(yè)的結(jié)構(gòu)變革提供加速度，更會(huì)給雙碳目標(biāo)的達(dá)成帶來(lái)巨大助推力。

芯片與雙碳，看似關(guān)聯(lián)度有限。但雙碳目標(biāo)的根本邏輯是更清潔地生產(chǎn)能源，更高效地傳輸能源，更聰明地使用能源。而這些都是芯片設(shè)計(jì)在過(guò)去幾十年一直在做的事情。葛群做了一個(gè)類(lèi)比，“一顆芯片上集成了幾十億、上百億的晶體管，一個(gè)晶體管就相當(dāng)于一個(gè)用電單位，一顆芯片就相當(dāng)于一個(gè)規(guī)模龐大的能源網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際上在能耗模型上，一個(gè)晶體管的復(fù)雜程度超過(guò)現(xiàn)實(shí)中一個(gè)家庭的用電模型?，F(xiàn)在我們是優(yōu)化每個(gè)晶體管的能耗，今后同樣的能力也可以用于能源網(wǎng)絡(luò)，只是單位從微瓦變成了瓦和千瓦。”

想要實(shí)現(xiàn)這種能力遷移，還需要解決大量技術(shù)障礙，但從基本模型上來(lái)看，能源網(wǎng)絡(luò)與芯片設(shè)計(jì)的確具有很多契合點(diǎn)，可以從芯片技術(shù)中汲取靈感與經(jīng)驗(yàn)。

減碳不等于減能

雙碳目標(biāo)提出之初，很多人都將其理解為一種環(huán)保舉措。事實(shí)上，雙碳目標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)保目標(biāo)，后者通常需要花費(fèi)額外成本才能達(dá)成更好狀態(tài)，前者則讓人們可以不受限的使用更便宜的清潔能源。如果將控碳簡(jiǎn)單等同于限制高碳能源的生產(chǎn)，就一定會(huì)引發(fā)諸如運(yùn)動(dòng)式減碳等問(wèn)題，會(huì)對(duì)人類(lèi)的生活和生產(chǎn)帶來(lái)巨大負(fù)面影響。過(guò)去這一年發(fā)生的歐洲能源危機(jī)、中國(guó)拉閘限電現(xiàn)象，雖然成因復(fù)雜，但其中激進(jìn)減碳措施的影響不容回避。

回顧文明史，人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步就意味著更多能源消費(fèi)。原始社會(huì)使用天然可燃物，農(nóng)業(yè)社會(huì)使用木柴，早期工業(yè)社會(huì)使用煤炭，成熟工業(yè)社會(huì)使用石油、天然氣，每一次人類(lèi)社會(huì)的大跨越，起點(diǎn)都是能源形式的改變。未來(lái)的零碳社會(huì)，也必將需要更新的能源形式來(lái)滿足更多的能源需求，只依靠限制高碳能源的生產(chǎn)和使用，是不可能達(dá)到這一目標(biāo)的。

想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，有兩個(gè)切實(shí)可行的路徑，一是加速重塑能源結(jié)構(gòu)，降低高碳能源占比，增加低碳能源占比；二是提升能源使用效率，實(shí)現(xiàn)零碳電能。

將能源來(lái)源切換至電能為主是目前技術(shù)狀態(tài)下的唯一方法。因?yàn)橹挥须娔苁嵌喾N來(lái)源的，只有電能可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，精準(zhǔn)控制，也只有電能可以使用零碳方法直接生產(chǎn)。但是，人類(lèi)想要實(shí)現(xiàn)零碳電能，困難超乎想象。歐洲能源危機(jī)、中國(guó)拉閘限電、美國(guó)德州大停電都證明，我們距離能源自由還有很長(zhǎng)的路。在通往能源自由的路上，可再生能源發(fā)電、儲(chǔ)能、能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化等技術(shù)難題等待著人類(lèi)去攻克。

新思科技深入研究了整個(gè)能源數(shù)字化路徑之后得出判斷：在這些技術(shù)挑戰(zhàn)當(dāng)中，優(yōu)先級(jí)最高、對(duì)整個(gè)能源網(wǎng)絡(luò)影響最大的是儲(chǔ)能技術(shù)。

儲(chǔ)能——零碳社會(huì)的任督二脈

很多人都在談能源網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化，并且公認(rèn)數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)零碳目標(biāo)的必備前提，因?yàn)橹挥袛?shù)字化才能實(shí)現(xiàn)能源的精準(zhǔn)控制與高效使用。但在目前的能源網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用是碎片化的。很多物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能控制技術(shù)都在發(fā)電、輸電和用電設(shè)備中廣泛應(yīng)用，但整個(gè)能源網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化程度卻并不高，其中最主要的瓶頸在于當(dāng)前能源網(wǎng)絡(luò)缺失智能化儲(chǔ)能這一重要環(huán)節(jié)。

能源存儲(chǔ)對(duì)于整個(gè)能源網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化究竟有多重要？它就相當(dāng)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在芯片中的地位。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)生產(chǎn)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)消費(fèi)一樣不可或缺，如今以芯片為核心的數(shù)字系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的容量、速度、安全性是任何計(jì)算任務(wù)得以實(shí)現(xiàn)的前提，而正是高容量、高速度和高可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，才支撐了當(dāng)下龐大復(fù)雜的數(shù)字化應(yīng)用。

傳統(tǒng)電網(wǎng)幾乎沒(méi)有能源存儲(chǔ)能力。僅有電力生產(chǎn)、傳輸和消費(fèi)的電網(wǎng)，就如同一顆只有數(shù)據(jù)生產(chǎn)、傳輸和消費(fèi)的模擬芯片，只能做一些手持計(jì)算器那樣的簡(jiǎn)單工作，幾乎無(wú)法承擔(dān)任何智能化應(yīng)用。而智能化運(yùn)營(yíng)是下一代能源網(wǎng)絡(luò)的重要特征。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，需要更先進(jìn)的能源存儲(chǔ)。如果儲(chǔ)能這個(gè)環(huán)節(jié)是整個(gè)系統(tǒng)的短板，那么就難以進(jìn)行有效的網(wǎng)絡(luò)智能優(yōu)化，能源網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化就無(wú)法真正的落地。

葛群比喻說(shuō)，“儲(chǔ)能就相當(dāng)于能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化的任督二脈，缺少了能源儲(chǔ)存這一能力，再先進(jìn)的能耗模型也無(wú)法施展。”

現(xiàn)在言?xún)?chǔ)能必提鋰電池也是一個(gè)誤區(qū)。鋰電池作為能源網(wǎng)絡(luò)“最后一公里”的動(dòng)力電池，是很稱(chēng)職的。但對(duì)大型能源網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，鋰電池實(shí)在不是最佳儲(chǔ)能方式，其安全風(fēng)險(xiǎn)高、循環(huán)壽命短、環(huán)境適應(yīng)能力差，儲(chǔ)能成本居高不下。

多位儲(chǔ)能技術(shù)專(zhuān)家向《財(cái)經(jīng)十一人》介紹，儲(chǔ)能技術(shù)非常多樣化。成熟技術(shù)有抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、鉛蓄電池等。較成熟技術(shù)有鋰電池、液流電池、超級(jí)電容器等。此外還有燃料電池、熱儲(chǔ)能、熔融鹽電池等。各種不同的儲(chǔ)能技術(shù)有著不同的響應(yīng)時(shí)間和應(yīng)用場(chǎng)景。

目前，儲(chǔ)能投入不足的短板正在改善。比如北京冬奧會(huì)上保障電力的儲(chǔ)能產(chǎn)品就是液流電池中的一種，這類(lèi)電池的技術(shù)特點(diǎn)對(duì)于電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能、風(fēng)光能源并網(wǎng)都有更好的適應(yīng)性。

未來(lái)的儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展中，芯片發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。在芯片發(fā)展中，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存本來(lái)就是多樣化的，有芯片內(nèi)部的多級(jí)緩存，也有內(nèi)存、固態(tài)硬盤(pán)、機(jī)械硬盤(pán)，同時(shí)磁帶這種看似老舊的技術(shù)也依然有著旺盛生命力。因?yàn)閿?shù)據(jù)儲(chǔ)存需求各不相同，每種儲(chǔ)存技術(shù)都有其最佳應(yīng)用場(chǎng)景。在儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展中，同樣應(yīng)該遵循這樣的方式，儲(chǔ)能絕對(duì)不等于鋰電池，甚至儲(chǔ)能也不等于電池。即便如抽水蓄能這種古老的儲(chǔ)能方式，在能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化的過(guò)程中，也可以發(fā)揮更大作用。

今后能源網(wǎng)絡(luò)中的儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)滿足何種條件？葛群提出了四項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)：極安全、易獲取、數(shù)字化、大容量。

極安全容易理解，安全是電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能技術(shù)的前提，電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能的規(guī)模大、能量高，一旦安全發(fā)生問(wèn)題，后果難以想象。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅2021年，中國(guó)、韓國(guó)、澳大利亞、美國(guó)就發(fā)生了近10起儲(chǔ)能電站事故，其中不乏燃燒多日，甚至發(fā)生爆炸的案例。這些都在警示儲(chǔ)能領(lǐng)域，安全是第一位的，現(xiàn)有技術(shù)下，在儲(chǔ)能場(chǎng)景下，鋰電池的安全性堪憂。

易獲取在此前討論儲(chǔ)能技術(shù)時(shí)探討不多，但這一點(diǎn)其實(shí)非常重要。以目前對(duì)未來(lái)能源網(wǎng)絡(luò)的判斷，儲(chǔ)能的規(guī)模將是天文數(shù)字，對(duì)原材料的需求也巨大，如果儲(chǔ)能技術(shù)需要的原材料不易獲取，儲(chǔ)能技術(shù)的落地就無(wú)從談起。而鋰電池所需的鋰資源儲(chǔ)量有限，中國(guó)企業(yè)用鋰主要靠進(jìn)口。過(guò)去一年，碳酸鋰的價(jià)格暴漲了10倍。

易獲取還有另一層含義，即儲(chǔ)能技術(shù)易獲取，容易產(chǎn)業(yè)化，適應(yīng)多種環(huán)境，能廣泛部署。儲(chǔ)能技術(shù)的部署便利性直接決定了能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化的深度，只有儲(chǔ)能技術(shù)可以向前部署，靠近用戶，才能擴(kuò)大能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化的操作空間，使之惠及更廣大用戶。

數(shù)字化水平是儲(chǔ)能技術(shù)的代際標(biāo)識(shí)，比如抽水蓄能電站和飛輪儲(chǔ)能這些傳統(tǒng)且成熟的儲(chǔ)能技術(shù)如若有了數(shù)字化能力的加持，也能貢獻(xiàn)于未來(lái)的能源網(wǎng)絡(luò)、發(fā)揮出更大的作用。

大容量更好理解，以計(jì)算機(jī)為例，誰(shuí)不想內(nèi)存越大越好，硬盤(pán)越大越好，儲(chǔ)存能力總是多多益善。同樣在能源網(wǎng)絡(luò)中，儲(chǔ)能的容量越大，能源網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化空間就越大。這其中的限制條件就是成本，包括儲(chǔ)能技術(shù)和產(chǎn)品自身的成本，以及部署儲(chǔ)能涉及的土地等周邊成本。

在芯片領(lǐng)域，技術(shù)的不斷演進(jìn)不僅能夠帶來(lái)性能的提升，也能夠?qū)崿F(xiàn)成本的“每18個(gè)月降低一半”，相信隨著儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，能源行業(yè)也會(huì)尋找到自己的“摩爾定律”，雖然其發(fā)展速率不會(huì)與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)完全一致，但可以指引行業(yè)內(nèi)所有相關(guān)方共同朝著同一目標(biāo)前行。

儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)成為世界技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的重要領(lǐng)域。2022年2月7日，美國(guó)白宮發(fā)布《美國(guó)創(chuàng)新技術(shù)與國(guó)家安全》，美國(guó)國(guó)家安全委員會(huì)和國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)發(fā)布了最新版《關(guān)鍵和新興技術(shù)（CET）清單》，新增五項(xiàng)新技術(shù)，其中就有可再生能源發(fā)電及儲(chǔ)能技術(shù)，美國(guó)未來(lái)將嚴(yán)格限制對(duì)外輸出此類(lèi)技術(shù)。

在國(guó)家發(fā)改委最新印發(fā)的《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》中，明確了到2025年，新型儲(chǔ)能由商業(yè)化初期步入規(guī)模化發(fā)展階段、具備大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的條件；2030年，新型儲(chǔ)能全面市場(chǎng)化發(fā)展。由此可見(jiàn)，政策、市場(chǎng)和技術(shù)領(lǐng)域都已經(jīng)形成共識(shí)——多樣化的儲(chǔ)能是能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化的重要基礎(chǔ)設(shè)施。而在基礎(chǔ)設(shè)施問(wèn)題解決后，能源網(wǎng)絡(luò)能爆發(fā)出怎樣的發(fā)展?jié)摿δ兀?/p>

探索能源行業(yè)的“摩爾定律”

科技界人士都非常熟悉摩爾定律，近些年摩爾定律失效的說(shuō)法一次次被提起，又一次次被證偽，時(shí)至今日，摩爾定律在芯片領(lǐng)域依然有效，整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)鏈都在為延續(xù)摩爾定律而努力，這使得芯片性能還在持續(xù)提升。

在儲(chǔ)能技術(shù)獲得突破，并且產(chǎn)業(yè)化成功將儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本降低后，能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化帶來(lái)的影響是否也會(huì)如摩爾定律一般，零碳能源的占比不斷倍增，能源價(jià)格不斷下降？這是一種美好的愿望，理論上是可行的。有專(zhuān)家指出，在原材料漲價(jià)前，鋰電池的全生命周期的度電成本大約在0.5元到0.6元。未來(lái)，更多儲(chǔ)能技術(shù)全面突破后并市場(chǎng)化成功，可以把度電成本控制在0.3元-0.4元乃至更低。

新思科技的技術(shù)專(zhuān)家之所以選擇能源網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)字化延伸的發(fā)力方向，就是因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)一旦儲(chǔ)能技術(shù)得到發(fā)展，新思科技在芯片領(lǐng)域長(zhǎng)期積累下來(lái)的建模、運(yùn)算、優(yōu)化能力，就可以快速在能源網(wǎng)絡(luò)中復(fù)用，提升能源的使用效率，增加廉價(jià)風(fēng)光能源的占比，達(dá)成能源成本持續(xù)下降的目標(biāo)。

新思科技已經(jīng)與多家發(fā)電、輸變電大型企業(yè)進(jìn)行數(shù)字化合作，期間完成了發(fā)電、輸變電和用電環(huán)節(jié)的建模，但因?yàn)槿狈?chǔ)能能力，所有能源必須即發(fā)即用，模型幾乎無(wú)法優(yōu)化，只能看著很多設(shè)備工作在非高效狀態(tài)下，能源網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化無(wú)法真正實(shí)施。

這也是為何一家芯片領(lǐng)域的龍頭公司關(guān)注并強(qiáng)調(diào)儲(chǔ)能重要性的原因。葛群強(qiáng)調(diào)，只有在源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)四種條件兼?zhèn)渲?，?shù)字化能源網(wǎng)絡(luò)才是完整狀態(tài)，才能在能源網(wǎng)絡(luò)開(kāi)啟摩爾定律的加速器效應(yīng)。