近日，美國能源部(DOE)科學(xué)辦公室宣布未來4年向能源攻關(guān)研究中心(EERC)投入2億美元，旨在強化清潔能源技術(shù)基礎(chǔ)研究以加速“能源攻關(guān)計劃”(Energy Earthshots)的突破。迄今為止，DOE已經(jīng)啟動了6個技術(shù)領(lǐng)域的能源攻關(guān)計劃，包括：氫能、長時儲能、負碳技術(shù)、增強型地?zé)嵯到y(tǒng)、浮動式海上風(fēng)能、工業(yè)供熱。此次資助的2億美元將針對上述領(lǐng)域開展基礎(chǔ)科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新，各領(lǐng)域重點關(guān)注的技術(shù)主題如下：
一、氫能
“氫能攻關(guān)計劃”于2021年6月7日宣布，目標是在未來十年實現(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。目標是深化對反應(yīng)和/或降解機制的理解、缺陷化學(xué)和界面形成的認知，獲得材料識別和開發(fā)的方法，以及系統(tǒng)在運行條件下的演變，提出實驗表征技術(shù)和計算及數(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)主題將推進來自地質(zhì)氫等氫源的氫排放量化或建模研究，以評估地質(zhì)氫作為氫源的可行性。另外，還關(guān)注制氫的環(huán)境和安全評估研究，涉及小型加氫站、氫氣輸送和存儲設(shè)施、輸氫管道等的氫氣泄漏。
二、長時儲能
“長時儲能攻關(guān)計劃”于2021年7月14日宣布，在未來十年實現(xiàn)超過10小時時長的電網(wǎng)規(guī)模儲能系統(tǒng)儲能成本降低90%，此次資助的技術(shù)主題包括：
1、電化學(xué)儲能
該技術(shù)主題將開發(fā)贗電容器、液流電池等電化學(xué)儲能裝置，但不會資助已經(jīng)得到DOE廣泛支持的鋰離子電池技術(shù)改進以及鋰金屬負極電池。
2、電熱儲能
該技術(shù)主題將開發(fā)利用電力加熱或制冷并加以存儲，隨后使用熱機等設(shè)備再轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，關(guān)注的儲熱方式包括顯熱儲熱、潛熱(相變)儲熱和/或熱化學(xué)儲熱技術(shù)。
3、基于載體的化學(xué)儲能
該技術(shù)主題將開發(fā)基于能量載體的通過電化學(xué)、電催化等過程將電能和化學(xué)勢能相互轉(zhuǎn)換的技術(shù)，其能量載體將與轉(zhuǎn)換裝置分開存儲和運輸，該主題下對于以氫為載體的儲能技術(shù)研究側(cè)重于氫的利用和/或存儲。
4、機械儲能
該技術(shù)主題關(guān)注使用機械方法轉(zhuǎn)換和存儲電能，包括但不限于抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能和重力儲能等。
三、負碳技術(shù)
“負碳攻關(guān)計劃”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微生物生成和利用胞外有機物的遺傳機制，以及土壤物理和化學(xué)條件對其的影響，并了解通過生物體代謝實現(xiàn)環(huán)境中的生物礦化的機理;②在細胞和微生物群落層面識別和表征影響CO2溶解度、過飽和度、碳酸鹽成核和晶體生長的潛在分子和基因特征;③認識植物-微生物的種間相互作用，及其對非生物土壤成分的形成和相互作用的影響機理;④確定可利用的植物代謝和遺傳學(xué)原理，以增強與微生物的相互作用，從而增強土壤固碳能力;⑤了解礦物風(fēng)化作用和/或礦物增強的作用及其與影響土壤碳封存的生物過程的相互作用。
2、CO2非生物封存
該技術(shù)主題關(guān)注將CO2封存在無機物土壤和地質(zhì)儲層的技術(shù)，重點關(guān)注的基礎(chǔ)研究包括：①優(yōu)化儲層表征和模擬地下儲層內(nèi)的反應(yīng)性多孔流動，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)字孿生開發(fā)不同情景下的預(yù)測模型;②將人工智能/機器學(xué)習(xí)用于實時決策，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;③了解在土壤和地下環(huán)境中增強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層巖石中不同礦物種類之間的化學(xué)反應(yīng)，進行改善地下儲層碳吸收率的基礎(chǔ)研究，表征新的和目前尚未使用的儲層巖石類型，包括地下鹽水層。
3、耦合實驗和計算的CO2碳化及反應(yīng)性基礎(chǔ)動力學(xué)研究
該技術(shù)主題關(guān)注可推動從稀薄源直接捕集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)計和控制能量和質(zhì)量傳輸機制，以驅(qū)動分離過程，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)-材料過程;②電化學(xué)、磁性、光誘導(dǎo)或反應(yīng)性步驟的機理研究，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)機制;④將機理研究與設(shè)計和合成新型高性能捕集材料和化學(xué)過程相結(jié)合，實現(xiàn)選擇性捕集CO2，或高速捕集和轉(zhuǎn)化CO2，并通過非熱、低能量過程實現(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;⑤二氧化碳輸運機制表征。
4、測量、監(jiān)測和驗證
該技術(shù)主題關(guān)注通過基礎(chǔ)研究推進開發(fā)CO2量化工具、數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型以及碳去除技術(shù)評估方法，包括：①測量點源碳封存和轉(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確性的動態(tài)方法;②通過地球物理系統(tǒng)將點源測量與更大規(guī)模的測量相關(guān)聯(lián)，特別是在環(huán)境或地質(zhì)系統(tǒng)中;③通過模擬方法整合測量技術(shù)和評估更大規(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、增強型地?zé)嵯到y(tǒng)
“增強型地?zé)嵯到y(tǒng)攻關(guān)計劃”旨在實現(xiàn)到2035年將增強型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)的成本降低90%至45美元/兆瓦時，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)的實驗和計算研究
該技術(shù)主題關(guān)注可加深對壓裂-流體系統(tǒng)的特性、結(jié)構(gòu)和動力學(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;③應(yīng)力巖石中的化學(xué)-機械耦合作用;④非均質(zhì)時變地質(zhì)系統(tǒng)的超大規(guī)模計算方法(包括基于物理學(xué)的模型和人工智能/機器學(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))以改進地下流動路徑監(jiān)測和表征的方法，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)，不確定性量化和驗證技術(shù)，以及使用新型人工智能/機器學(xué)習(xí)工具集成海量和異構(gòu)數(shù)據(jù);②創(chuàng)新的現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集方法，包括地面或現(xiàn)場方法，用于高精度評估和監(jiān)測井筒、井間、儲層等的應(yīng)力狀態(tài)，使用新型計算工具分析結(jié)果(可能是實時的)，以推斷裂隙網(wǎng)絡(luò)的演化;③在水力壓裂過程中對不同參數(shù)進行高分辨率跟蹤的新方法，包括但不限于現(xiàn)場溫度和應(yīng)力測量、裂縫測繪等。
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)過程研究
該技術(shù)主題涉及了解和預(yù)測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可以通過減少和/或消除對井筒材料(如水泥)的需求來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、浮動式海上風(fēng)電
“浮動式海上風(fēng)電攻關(guān)計劃”旨在實現(xiàn)到2035年將深海區(qū)浮動式海上風(fēng)電成本降低70%達到45美元/兆瓦時，此次資助的技術(shù)主題包括：
1、浮動式風(fēng)力發(fā)電機材料、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)力渦輪機整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括：①預(yù)測和了解結(jié)構(gòu)部件、渦輪機葉片、磁鐵、電力電子、電纜和導(dǎo)體的先進功能材料，提高性能，如增加彈性和壽命，更輕的機械強度，更低成本，更少維護，更高安全性等;②浮動式海上風(fēng)電組件材料開發(fā)，其具有更強的可持續(xù)性，原材料來源豐富，且能夠支持大規(guī)模生產(chǎn)和/或循環(huán)利用的先進制造工藝;③了解、預(yù)測和預(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/或其他部件長期使用壽命的因素，并預(yù)測耐風(fēng)速和湍流、溫度(結(jié)冰)和降水的材料;⑤極端條件對風(fēng)力渦輪機影響的模擬，包括對錨固部件、渦輪機葉片和渦輪運行的影響;⑥開發(fā)自動修復(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的計算方法;⑦了解基本現(xiàn)象，以建立具有增強型傳感器的控制系統(tǒng)，用于環(huán)境測量和組件監(jiān)測，以適應(yīng)運行和維護。
2、風(fēng)電場及周邊環(huán)境的建模和測量
該技術(shù)主題關(guān)注研究環(huán)境與風(fēng)力渦輪機的相互作用，為浮動式海上風(fēng)電場的選址和設(shè)計提供信息，包括：①改進多尺度大氣-海洋耦合模型性能，用于從季節(jié)到數(shù)十年時間尺度描述與浮動式海上風(fēng)電部署相關(guān)的大氣、海洋和海岸過程;②模擬風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)的相互作用，包括海洋環(huán)境下大型渦輪機的尾跡和空氣動力學(xué)模型;③浮動式海上風(fēng)電場及周邊環(huán)境的建模和測量耦合新技術(shù)。
3、風(fēng)電輸電、熱電聯(lián)產(chǎn)和儲能
該技術(shù)主題關(guān)注與浮動式海上風(fēng)電電力傳輸和儲能相關(guān)的挑戰(zhàn)，包括：①開發(fā)新材料和組件、先進計算模型和算法和/或新型系統(tǒng)設(shè)計，包括海上儲能，以實現(xiàn)海上風(fēng)電的低成本輸電，最大限度地減少輸電過程中的能量損失，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)測材料和/或開發(fā)適用于偏遠海洋環(huán)境的電力電子技術(shù)，實現(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;③開發(fā)或改進技術(shù)，以對不斷變化的能源系統(tǒng)、需求以及連接基礎(chǔ)設(shè)施進行集成建模，改進氣候等復(fù)雜因素影響下的系統(tǒng)彈性，實現(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推進將聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)部署在浮動式海上風(fēng)電場的基礎(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、儲能等。
六、工業(yè)供熱
“工業(yè)供熱攻關(guān)計劃”旨在通過開發(fā)具有成本競爭力的工業(yè)供熱脫碳技術(shù)來減少能源密集型工業(yè)的供熱過程排放，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、交換及存儲的基礎(chǔ)科學(xué)問題，以促進向低排放供熱轉(zhuǎn)型。
2、開發(fā)熱工藝過程的替代技術(shù)，或減少熱量需求
該技術(shù)主題關(guān)注對新的化學(xué)過程、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)重于深化對材料和工藝的基本知識，更有效利用熱量，降低熱損失，以及從系統(tǒng)中回收、存儲和使用熱量，實現(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)計劃”下的一種創(chuàng)新研究模式，針對該計劃推出的6項技術(shù)領(lǐng)域攻關(guān)計劃分別啟動相應(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)科團隊開展各領(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)開發(fā)活動之間的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，以彌補研發(fā)差距，實現(xiàn)“能源攻關(guān)計劃”目標。
