近日，美國(guó)能源部(DOE)科學(xué)辦公室宣布未來(lái)4年向能源攻關(guān)研究中心(EERC)投入2億美元，旨在強(qiáng)化清潔能源技術(shù)基礎(chǔ)研究以加速“能源攻關(guān)計(jì)劃”(Energy Earthshots)的突破。迄今為止，DOE已經(jīng)啟動(dòng)了6個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的能源攻關(guān)計(jì)劃，包括：氫能、長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能、負(fù)碳技術(shù)、增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)、浮動(dòng)式海上風(fēng)能、工業(yè)供熱。此次資助的2億美元將針對(duì)上述領(lǐng)域開(kāi)展基礎(chǔ)科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新，各領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)主題如下：
一、氫能
“氫能攻關(guān)計(jì)劃”于2021年6月7日宣布，目標(biāo)是在未來(lái)十年實(shí)現(xiàn)清潔制氫成本1美元/千克，此次資助的技術(shù)主題包括：
1、制氫基礎(chǔ)科學(xué)
該技術(shù)主題將推進(jìn)制氫相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)研究，包括：①低溫或高溫電解制氫;②與碳捕集和封存相結(jié)合的熱化學(xué)制氫;③太陽(yáng)能熱化學(xué)或光電化學(xué)水分解制氫;④輻射輔助水、甲烷或其他化學(xué)品分解制氫。目標(biāo)是深化對(duì)反應(yīng)和/或降解機(jī)制的理解、缺陷化學(xué)和界面形成的認(rèn)知，獲得材料識(shí)別和開(kāi)發(fā)的方法，以及系統(tǒng)在運(yùn)行條件下的演變，提出實(shí)驗(yàn)表征技術(shù)和計(jì)算及數(shù)據(jù)科學(xué)方法。
2、氫源及氫排放量化相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)
該技術(shù)主題將推進(jìn)來(lái)自地質(zhì)氫等氫源的氫排放量化或建模研究，以評(píng)估地質(zhì)氫作為氫源的可行性。另外，還關(guān)注制氫的環(huán)境和安全評(píng)估研究，涉及小型加氫站、氫氣輸送和存儲(chǔ)設(shè)施、輸氫管道等的氫氣泄漏。
二、長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能
“長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能攻關(guān)計(jì)劃”于2021年7月14日宣布，在未來(lái)十年實(shí)現(xiàn)超過(guò)10小時(shí)時(shí)長(zhǎng)的電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能成本降低90%，此次資助的技術(shù)主題包括：
1、電化學(xué)儲(chǔ)能
該技術(shù)主題將開(kāi)發(fā)贗電容器、液流電池等電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，但不會(huì)資助已經(jīng)得到DOE廣泛支持的鋰離子電池技術(shù)改進(jìn)以及鋰金屬負(fù)極電池。
2、電熱儲(chǔ)能
該技術(shù)主題將開(kāi)發(fā)利用電力加熱或制冷并加以存儲(chǔ)，隨后使用熱機(jī)等設(shè)備再轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，關(guān)注的儲(chǔ)熱方式包括顯熱儲(chǔ)熱、潛熱(相變)儲(chǔ)熱和/或熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)。
3、基于載體的化學(xué)儲(chǔ)能
該技術(shù)主題將開(kāi)發(fā)基于能量載體的通過(guò)電化學(xué)、電催化等過(guò)程將電能和化學(xué)勢(shì)能相互轉(zhuǎn)換的技術(shù)，其能量載體將與轉(zhuǎn)換裝置分開(kāi)存儲(chǔ)和運(yùn)輸，該主題下對(duì)于以氫為載體的儲(chǔ)能技術(shù)研究側(cè)重于氫的利用和/或存儲(chǔ)。
4、機(jī)械儲(chǔ)能
該技術(shù)主題關(guān)注使用機(jī)械方法轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)電能，包括但不限于抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能和重力儲(chǔ)能等。
三、負(fù)碳技術(shù)
“負(fù)碳攻關(guān)計(jì)劃”旨在解決碳去除、分離和封存等技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)科學(xué)挑戰(zhàn)，此次資助的技術(shù)主題包括：
1、CO2生物封存
該技術(shù)主題關(guān)注CO2生物礦化和土壤封存技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)研究，包括：①更好地理解控制通過(guò)微生物生成和利用胞外有機(jī)物的遺傳機(jī)制，以及土壤物理和化學(xué)條件對(duì)其的影響，并了解通過(guò)生物體代謝實(shí)現(xiàn)環(huán)境中的生物礦化的機(jī)理;②在細(xì)胞和微生物群落層面識(shí)別和表征影響CO2溶解度、過(guò)飽和度、碳酸鹽成核和晶體生長(zhǎng)的潛在分子和基因特征;③認(rèn)識(shí)植物-微生物的種間相互作用，及其對(duì)非生物土壤成分的形成和相互作用的影響機(jī)理;④確定可利用的植物代謝和遺傳學(xué)原理，以增強(qiáng)與微生物的相互作用，從而增強(qiáng)土壤固碳能力;⑤了解礦物風(fēng)化作用和/或礦物增強(qiáng)的作用及其與影響土壤碳封存的生物過(guò)程的相互作用。
2、CO2非生物封存
該技術(shù)主題關(guān)注將CO2封存在無(wú)機(jī)物土壤和地質(zhì)儲(chǔ)層的技術(shù)，重點(diǎn)關(guān)注的基礎(chǔ)研究包括：①優(yōu)化儲(chǔ)層表征和模擬地下儲(chǔ)層內(nèi)的反應(yīng)性多孔流動(dòng)，利用現(xiàn)有模型和新的多尺度、多物理模型獲得固體碳酸鹽沉淀速率，或利用數(shù)字孿生開(kāi)發(fā)不同情景下的預(yù)測(cè)模型;②將人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)用于實(shí)時(shí)決策，以提高安全性，提高地下井作業(yè)速度，更好地優(yōu)化儲(chǔ)層的注入速率和封存效率，管理應(yīng)力速率和井筒破壞，減輕與二氧化碳泄漏有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn);③了解在土壤和地下環(huán)境中增強(qiáng)碳酸鹽礦物礦化和風(fēng)化作用的因素;④更好地表征碳酸鹽流體與儲(chǔ)層巖石中不同礦物種類之間的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)行改善地下儲(chǔ)層碳吸收率的基礎(chǔ)研究，表征新的和目前尚未使用的儲(chǔ)層巖石類型，包括地下鹽水層。
3、耦合實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的CO2碳化及反應(yīng)性基礎(chǔ)動(dòng)力學(xué)研究
該技術(shù)主題關(guān)注可推動(dòng)從稀薄源直接捕集CO2并永久封存的技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)科學(xué)研究，包括：①發(fā)現(xiàn)、理解、設(shè)計(jì)和控制能量和質(zhì)量傳輸機(jī)制，以驅(qū)動(dòng)分離過(guò)程，如在廣泛的環(huán)境條件下，捕集介質(zhì)的再生或可影響碳捕集率和碳捕集/吸收速率的化學(xué)-材料過(guò)程;②電化學(xué)、磁性、光誘導(dǎo)或反應(yīng)性步驟的機(jī)理研究，以及這些步驟的協(xié)同作用;③了解導(dǎo)致分離介質(zhì)的化學(xué)、物理和/或結(jié)構(gòu)變化以及性能和耐久性下降的基本材料和化學(xué)機(jī)制;④將機(jī)理研究與設(shè)計(jì)和合成新型高性能捕集材料和化學(xué)過(guò)程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)選擇性捕集CO2，或高速捕集和轉(zhuǎn)化CO2，并通過(guò)非熱、低能量過(guò)程實(shí)現(xiàn)以最小能量釋放或轉(zhuǎn)化為有用的材料、燃料或化學(xué)品;⑤二氧化碳輸運(yùn)機(jī)制表征。
4、測(cè)量、監(jiān)測(cè)和驗(yàn)證
該技術(shù)主題關(guān)注通過(guò)基礎(chǔ)研究推進(jìn)開(kāi)發(fā)CO2量化工具、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型以及碳去除技術(shù)評(píng)估方法，包括：①測(cè)量點(diǎn)源碳封存和轉(zhuǎn)化的新型CO2量化工具，用于直接空氣捕集、土壤和地質(zhì)封存，以及用于提高量化準(zhǔn)確性的動(dòng)態(tài)方法;②通過(guò)地球物理系統(tǒng)將點(diǎn)源測(cè)量與更大規(guī)模的測(cè)量相關(guān)聯(lián)，特別是在環(huán)境或地質(zhì)系統(tǒng)中;③通過(guò)模擬方法整合測(cè)量技術(shù)和評(píng)估更大規(guī)模碳封存的潛力和影響，特別是在土壤和地質(zhì)系統(tǒng)中。
四、增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)
“增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)攻關(guān)計(jì)劃”旨在實(shí)現(xiàn)到2035年將增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)的成本降低90%至45美元/兆瓦時(shí)，此次資助的技術(shù)主題包括：
1、EGS環(huán)境中地下本構(gòu)力學(xué)和流體注入響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究
該技術(shù)主題關(guān)注可加深對(duì)壓裂-流體系統(tǒng)的特性、結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)行為理解的基礎(chǔ)科學(xué)研究，包括：①地下應(yīng)力成像;②壓裂系統(tǒng)中的反應(yīng)性流動(dòng);③應(yīng)力巖石中的化學(xué)-機(jī)械耦合作用;④非均質(zhì)時(shí)變地質(zhì)系統(tǒng)的超大規(guī)模計(jì)算方法(包括基于物理學(xué)的模型和人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)方法)。
2、EGS數(shù)據(jù)收集和分析的創(chuàng)新方法
該技術(shù)主題側(cè)重于開(kāi)發(fā)和使用能夠整合多種數(shù)據(jù)集(地球物理、地球化學(xué)、地質(zhì))以改進(jìn)地下流動(dòng)路徑監(jiān)測(cè)和表征的方法，包括：①創(chuàng)新數(shù)據(jù)分析方法(包括處理、還原、整理和智能分析)，不確定性量化和驗(yàn)證技術(shù)，以及使用新型人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)工具集成海量和異構(gòu)數(shù)據(jù);②創(chuàng)新的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集方法，包括地面或現(xiàn)場(chǎng)方法，用于高精度評(píng)估和監(jiān)測(cè)井筒、井間、儲(chǔ)層等的應(yīng)力狀態(tài)，使用新型計(jì)算工具分析結(jié)果(可能是實(shí)時(shí)的)，以推斷裂隙網(wǎng)絡(luò)的演化;③在水力壓裂過(guò)程中對(duì)不同參數(shù)進(jìn)行高分辨率跟蹤的新方法，包括但不限于現(xiàn)場(chǎng)溫度和應(yīng)力測(cè)量、裂縫測(cè)繪等。
3、EGS井筒環(huán)境中的材料行為和地球化學(xué)/地質(zhì)力學(xué)過(guò)程研究
該技術(shù)主題涉及了解和預(yù)測(cè)材料在高壓和高溫下的(生物)腐蝕熱液環(huán)境中行為的基礎(chǔ)科學(xué)，包括：①高溫電子元件;②高溫彈性體或可替代彈性體功能的材料;③可長(zhǎng)期耐受高溫環(huán)境的井下組件(如電纜、套管等)涂層;④可以通過(guò)減少和/或消除對(duì)井筒材料(如水泥)的需求來(lái)降低成本的材料或工藝;⑤能夠降低地?zé)峋芷诔杀镜墓に嚮虿牧稀?/p>
五、浮動(dòng)式海上風(fēng)電
“浮動(dòng)式海上風(fēng)電攻關(guān)計(jì)劃”旨在實(shí)現(xiàn)到2035年將深海區(qū)浮動(dòng)式海上風(fēng)電成本降低70%達(dá)到45美元/兆瓦時(shí)，此次資助的技術(shù)主題包括：
1、浮動(dòng)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)材料、建模和控制
該技術(shù)主題關(guān)注適應(yīng)海洋環(huán)境的材料以及風(fēng)力渦輪機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括：①預(yù)測(cè)和了解結(jié)構(gòu)部件、渦輪機(jī)葉片、磁鐵、電力電子、電纜和導(dǎo)體的先進(jìn)功能材料，提高性能，如增加彈性和壽命，更輕的機(jī)械強(qiáng)度，更低成本，更少維護(hù)，更高安全性等;②浮動(dòng)式海上風(fēng)電組件材料開(kāi)發(fā)，其具有更強(qiáng)的可持續(xù)性，原材料來(lái)源豐富，且能夠支持大規(guī)模生產(chǎn)和/或循環(huán)利用的先進(jìn)制造工藝;③了解、預(yù)測(cè)和預(yù)防海水環(huán)境腐蝕和其他化學(xué)影響;④了解限制葉片和/或其他部件長(zhǎng)期使用壽命的因素，并預(yù)測(cè)耐風(fēng)速和湍流、溫度(結(jié)冰)和降水的材料;⑤極端條件對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)影響的模擬，包括對(duì)錨固部件、渦輪機(jī)葉片和渦輪運(yùn)行的影響;⑥開(kāi)發(fā)自動(dòng)修復(fù)和/或控制的新方法，以提高壽命和/或效率，包括使用人工智能和先進(jìn)的計(jì)算方法;⑦了解基本現(xiàn)象，以建立具有增強(qiáng)型傳感器的控制系統(tǒng)，用于環(huán)境測(cè)量和組件監(jiān)測(cè)，以適應(yīng)運(yùn)行和維護(hù)。
2、風(fēng)電場(chǎng)及周邊環(huán)境的建模和測(cè)量
該技術(shù)主題關(guān)注研究環(huán)境與風(fēng)力渦輪機(jī)的相互作用，為浮動(dòng)式海上風(fēng)電場(chǎng)的選址和設(shè)計(jì)提供信息，包括：①改進(jìn)多尺度大氣-海洋耦合模型性能，用于從季節(jié)到數(shù)十年時(shí)間尺度描述與浮動(dòng)式海上風(fēng)電部署相關(guān)的大氣、海洋和海岸過(guò)程;②模擬風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)的相互作用，包括海洋環(huán)境下大型渦輪機(jī)的尾跡和空氣動(dòng)力學(xué)模型;③浮動(dòng)式海上風(fēng)電場(chǎng)及周邊環(huán)境的建模和測(cè)量耦合新技術(shù)。
3、風(fēng)電輸電、熱電聯(lián)產(chǎn)和儲(chǔ)能
該技術(shù)主題關(guān)注與浮動(dòng)式海上風(fēng)電電力傳輸和儲(chǔ)能相關(guān)的挑戰(zhàn)，包括：①開(kāi)發(fā)新材料和組件、先進(jìn)計(jì)算模型和算法和/或新型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括海上儲(chǔ)能，以實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電的低成本輸電，最大限度地減少輸電過(guò)程中的能量損失，為陸上電網(wǎng)提供可靠的電力以滿足需求，并解決與升級(jí)陸上聯(lián)網(wǎng)和輸電基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的挑戰(zhàn);②了解和預(yù)測(cè)材料和/或開(kāi)發(fā)適用于偏遠(yuǎn)海洋環(huán)境的電力電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)具有成本效益的輸電，包括高壓直流輸電和海上輸電設(shè)計(jì);③開(kāi)發(fā)或改進(jìn)技術(shù)，以對(duì)不斷變化的能源系統(tǒng)、需求以及連接基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行集成建模，改進(jìn)氣候等復(fù)雜因素影響下的系統(tǒng)彈性，實(shí)現(xiàn)在更廣泛的能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型背景下整合海上風(fēng)力資源的能力;④推進(jìn)將聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)部署在浮動(dòng)式海上風(fēng)電場(chǎng)的基礎(chǔ)科學(xué)研究，如集成制氫/氨、碳捕集和燃料生產(chǎn)、海水淡化、儲(chǔ)能等。
六、工業(yè)供熱
“工業(yè)供熱攻關(guān)計(jì)劃”旨在通過(guò)開(kāi)發(fā)具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的工業(yè)供熱脫碳技術(shù)來(lái)減少能源密集型工業(yè)的供熱過(guò)程排放，到2035年至少降低85%的溫室氣體排放，此次資助的技術(shù)主題包括：
1、降低工業(yè)供熱碳足跡
該技術(shù)主題側(cè)重于研究不燃燒化石燃料的供熱技術(shù)的熱量產(chǎn)生、交換及存儲(chǔ)的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，以促進(jìn)向低排放供熱轉(zhuǎn)型。
2、開(kāi)發(fā)熱工藝過(guò)程的替代技術(shù)，或減少熱量需求
該技術(shù)主題關(guān)注對(duì)新的化學(xué)過(guò)程、物理相互作用、材料和/或生物技術(shù)方法的基礎(chǔ)科學(xué)研究，為產(chǎn)品制造提供新策略，避免或大幅減少熱量使用。
3、熱回收和利用
該技術(shù)主題側(cè)重于深化對(duì)材料和工藝的基本知識(shí)，更有效利用熱量，降低熱損失，以及從系統(tǒng)中回收、存儲(chǔ)和使用熱量，實(shí)現(xiàn)更循環(huán)和可持續(xù)的工業(yè)生產(chǎn)。
注：能源攻關(guān)研究中心(EERC)是DOE“能源攻關(guān)計(jì)劃”下的一種創(chuàng)新研究模式，針對(duì)該計(jì)劃推出的6項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域攻關(guān)計(jì)劃分別啟動(dòng)相應(yīng)的能源攻關(guān)研究中心，由科學(xué)辦公室領(lǐng)導(dǎo)，匯集多學(xué)科團(tuán)隊(duì)開(kāi)展各領(lǐng)域基礎(chǔ)研究。EERC將與能源技術(shù)辦公室合作，解決基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)活動(dòng)之間的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，以彌補(bǔ)研發(fā)差距，實(shí)現(xiàn)“能源攻關(guān)計(jì)劃”目標(biāo)。
