不受地理限制，可大规模发展，液氮储能可会成储能新方向？

2022-09-01 15:35:35  信息编号：K223331  浏览次数：84

碳达峰、碳中和“30·60目标”成为我国新时期高质量发展的关键目标，事关今后几十年的经济增长模式和产业结构、能源结构调整，对消费模式、生活方式及生态建设有深刻影响。

液氮作为一种新能源介质，不仅可以用于发电、汽车发动机、数据中心散热、化石燃料降碳、超导输电，而且也可广泛应用于国防军工、科学研究、临床医学等领域，从而形成一个节能—储能—产能—输能的碳达峰一体化生态。

这样一个液氮生态系统，在实现不受限地理条件储能的同时，带动了我国其他领域，诸如红外焦平面、低温电路、超算芯片、半导体大型生产设备、医疗技术、新能源汽车、量子计算等的发展，拓展了盈利模式，建立了多元收益方式，实现了储能产业规模化发展，为构建我国液氮新能源体系提供了一种全新的思路，对全面构建我国现代能源体系有着重要意义。

1、液氮用途

液氮是低温-196℃的液体，是由占用空气成分百分之七十多的氮气得来的。惰性、无色、无毒，易挥发，使用范围非常广。液氮低温易挥发，所以一般储存在专用容器—液氮罐中。

按照液氮纯度用途分类，常分为食品级液氮，工业级液氮。食品级液氮纯度较高，因为要考虑到人食用安全，纯度达到5个9即99.999%。工业级液氮纯度不如食品级液氮纯度那么高，不同的行业对液氮纯度的要求不一样。

食品级液氮的应用像液氮冰淇淋、液氮饼干，医学方面液氮冷冻、麻醉也需要高纯度的液氮。其他行业如化工、电子、冶金等对液氮纯度有不同要求。

2、液氮储能方案

发展需要消耗能源，但同时也要实现碳达峰、碳中和，这对我国能源消耗提出了更严苛的要求。一个目前在技术上已经成熟的方案是低温液氮储能发电。其技术原理如下：

其一，利用可再生的风能和太阳能将空气降温至零下196摄氏度，使氮气实现液化，并将其以液体的形式存储在深冷罐体中；

其二，将液氮汽化，恢复气体形态，利用此过程中释放的能量驱动涡轮机产生稳定电能；

其三，产生的电能可以通过液氮超导输电线向外输运，进一步降低电能损耗。

像电池厂一样，每个液氮发电系统由“充电站”、“存储”和“放电站”组成。但重要的是，液氮储能中每个部分都可以独立设置。

充电是由液化系统提供的，其使用的电力来自风能或者太阳能。这个系统主要包括空气分离装置、热交换器和压缩机，将氮气从大气中分离出来，将其冷却压缩至液态并输送到储罐，储罐基本上充当了电池单元。当需要电力时，热交换器将液态空气蒸发，通过膨胀式涡轮机膨胀，驱动发电机。作为一种热机械电池，能量是以液化空气的形式储存在储罐中。由于能量被储存在成本相对较低的大型储罐中，能源容量越大(储存的兆瓦时越多)，设施的每兆瓦时成本(资本支出)就越有竞争力。

该系统基于成熟的技术，可在许多工业过程中安全使用，并且不需要任何特别稀有的元素或昂贵的组件来制造。此外，液氮储能系统可以通过软件提供辅助服务和存储能力。作为一种极其灵活的资产，与其他只能充电然后放电的电池不同，液氮储能发电可以同时进行充电和放电。这意味着可在同一时间、同一秒内提供存储和系统服务，或者可以在时间上进行分流，又或可以在不同的功率输出下同时进行，甚至可以向电网提供惯性，而不需要在储罐中储存任何电力。在这项技术中，也可以同燃烧化石燃料碳汇集成，可实现10%的降碳。相比抽水蓄能和压缩空气储能技术，液氮储能在使用年限、循环效率、投资成本、存储时间等方面和其他两项技术基本持平，但无地理条件限制，储罐几乎可以设在任何地方，均衡性非常好，非常适用于我国。

3、液氮节能储能产能输能生态系统

面向国家重大需求：低温液氮智能红外焦平面和分子束外延

液氮模拟芯片可用于军用红外制冷相机读出电路；低温液氮数字芯片可用于军用红外制冷相机的控制通信存储显示；低温液氮模拟数字电路结合，可实现“感存算通控”一体化，实现数字智慧战斗部，从而应用于反导制导对抗反潜等领域，提升我国的国防实力，应对当下紧张的国际局势。液氮也是半导体产业中重要的原材料。发展我国自主生产制造的分子束外延设备，可打破欧美垄断，为未来万物互联时代提供各类高速芯片。

面向经济主战场：液氮发动机和舞台特效

液氮发动机零排放，相比电动汽车也具有优势。同时，液氮造雾能做出水雾和干冰造雾达不到的效果。

面向世界科技前沿：深空探测与低温电路量子计算

从近地红外天文卫星到太空望远镜再到深空探测器，这些都离不开液氮制冷的探测器。我国航天事业正在稳步推进，天宫号空间站稳定在轨运行，火箭发射依然需要用大量液氮做助推剂。此外，低温电路的设计与制造，对于量子计算有着重要的意义。

面向人民生命健康：液氮也广泛应用于医学与食品行业

临床医学和疫苗保护都需要液氮制冷。在分离液氮的过程中也可制备液氧，可以用于呼吸机。液氮还可以用于超速冻食品、冷藏运输包装等。

这样一个液氮生态系统，在解决不受限地理条件储能问题的同时，可带动我国其他领域，诸如红外焦平面、低温电路、超算芯片、半导体大型生产设备、医疗技术、新能源汽车、量子计算等的发展，拓展盈利模式，建立多元收益方式，实现储能产业规模化发展而无需国家进行补贴。这是抽水蓄能、压缩空气和氢能的储能技术无法实现的。大规模储能的两个关键问题在液氮生态系统中都可轻易得到解决。

这里我们讨论的仅仅是液氮。实际上通过不同层级液化分离空气，可以得到一系列不同的产物：液氮、液氧、各种液态惰性气体，比如，氖气。液氧自身就有着丰富的用途；氖气是半导体产业中重要的原料。整个液化天然气的管道稍作修改即可用于液氮输送，而氮气的储量是极其丰富的。如果把液化空气的产业纳入进来，整个低温液氮生态系统会更加庞大。

从这个角度看，液氮或者液化空气，其地位应该类似于钢铁、石油和芯片，是一种基础设施或者工业体系，能够支撑起非常庞大的产业，可解决储能盈利模式单一的问题，降低大规模储能技术的高成本。

实际上，很多液氮都是冶金钢铁厂的副产品。我国钢铁产能过剩，且大量的过剩液氮被丢弃，只有少量被利用。可将弃用的液氮变废为宝，为冶金钢铁等行业提供新型清洁能源。因此，钢铁产业园可以和液氮产业园共生，实现类似“稻虾共养”的生态系统。这不仅对我国的能源产业意义重大，同时也对钢铁产业有着重要影响，可实现产能和碳达峰的平衡。