美国能源部投入2亿美元推进能源攻关计划

近日，美国能源部（DOE）科学办公室宣布未来4年向能源攻关研究中心（EERC）投入2亿美元，旨在强化清洁能源技术基础研究以加速“能源攻关计划”（Energy Earthshots）的突破。迄今为止，DOE已经启动了6个技术领域的能源攻关计划，包括：氢能、长时储能、负碳技术、增强型地热系统、浮动式海上风能、工业供热。此次资助的2亿美元将针对上述领域开展基础科学研究和技术创新，各领域重点关注的技术主题如下：

一、氢能

“氢能攻关计划”于2021年6月7日宣布，目标是在未来十年实现清洁制氢成本1美元/千克，此次资助的技术主题包括：

1、制氢基础科学

该技术主题将推进制氢相关基础科学研究，包括：①低温或高温电解制氢；②与碳捕集和封存相结合的热化学制氢；③太阳能热化学或光电化学水分解制氢；④辐射辅助水、甲烷或其他化学品分解制氢。目标是深化对反应和/或降解机制的理解、缺陷化学和界面形成的认知，获得材料识别和开发的方法，以及系统在运行条件下的演变，提出实验表征技术和计算及数据科学方法。

2、氢源及氢排放量化相关基础科学

该技术主题将推进来自地质氢等氢源的氢排放量化或建模研究，以评估地质氢作为氢源的可行性。另外，还关注制氢的环境和安全评估研究，涉及小型加氢站、氢气输送和存储设施、输氢管道等的氢气泄漏。

二、长时储能

“长时储能攻关计划”于2021年7月14日宣布，在未来十年实现超过10小时时长的电网规模储能系统储能成本降低90%，此次资助的技术主题包括：

1、电化学储能

该技术主题将开发赝电容器、液流电池等电化学储能装置，但不会资助已经得到DOE广泛支持的锂离子电池技术改进以及锂金属负极电池。

2、电热储能

该技术主题将开发利用电力加热或制冷并加以存储，随后使用热机等设备再转化为电能的技术，关注的储热方式包括显热储热、潜热（相变）储热和/或热化学储热技术。

3、基于载体的化学储能

该技术主题将开发基于能量载体的通过电化学、电催化等过程将电能和化学势能相互转换的技术，其能量载体将与转换装置分开存储和运输，该主题下对于以氢为载体的储能技术研究侧重于氢的利用和/或存储。

4、机械储能

该技术主题关注使用机械方法转换和存储电能，包括但不限于抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能和重力储能等。

三、负碳技术

“负碳攻关计划”旨在解决碳去除、分离和封存等技术大规模应用的基础科学挑战，此次资助的技术主题包括：

1、CO2生物封存

该技术主题关注CO2生物矿化和土壤封存技术相关基础科学研究，包括：①更好地理解控制通过微生物生成和利用胞外有机物的遗传机制，以及土壤物理和化学条件对其的影响，并了解通过生物体代谢实现环境中的生物矿化的机理；②在细胞和微生物群落层面识别和表征影响CO2溶解度、过饱和度、碳酸盐成核和晶体生长的潜在分子和基因特征；③认识植物-微生物的种间相互作用，及其对非生物土壤成分的形成和相互作用的影响机理；④确定可利用的植物代谢和遗传学原理，以增强与微生物的相互作用，从而增强土壤固碳能力；⑤了解矿物风化作用和/或矿物增强的作用及其与影响土壤碳封存的生物过程的相互作用。

2、CO2非生物封存

该技术主题关注将CO2封存在无机物土壤和地质储层的技术，重点关注的基础研究包括：①优化储层表征和模拟地下储层内的反应性多孔流动，利用现有模型和新的多尺度、多物理模型获得固体碳酸盐沉淀速率，或利用数字孪生开发不同情景下的预测模型；②将人工智能/机器学习用于实时决策，以提高安全性，提高地下井作业速度，更好地优化储层的注入速率和封存效率，管理应力速率和井筒破坏，减轻与二氧化碳泄漏有关的风险；③了解在土壤和地下环境中增强碳酸盐矿物矿化和风化作用的因素；④更好地表征碳酸盐流体与储层岩石中不同矿物种类之间的化学反应，进行改善地下储层碳吸收率的基础研究，表征新的和目前尚未使用的储层岩石类型，包括地下盐水层。

3、耦合实验和计算的CO2碳化及反应性基础动力学研究

该技术主题关注可推动从稀薄源直接捕集CO2并永久封存的技术应用的基础科学研究，包括：①发现、理解、设计和控制能量和质量传输机制，以驱动分离过程，如在广泛的环境条件下，捕集介质的再生或可影响碳捕集率和碳捕集/吸收速率的化学-材料过程；②电化学、磁性、光诱导或反应性步骤的机理研究，以及这些步骤的协同作用；③了解导致分离介质的化学、物理和/或结构变化以及性能和耐久性下降的基本材料和化学机制；④将机理研究与设计和合成新型高性能捕集材料和化学过程相结合，实现选择性捕集CO2，或高速捕集和转化CO2，并通过非热、低能量过程实现以最小能量释放或转化为有用的材料、燃料或化学品；⑤二氧化碳输运机制表征。

4、测量、监测和验证

该技术主题关注通过基础研究推进开发CO2量化工具、数据驱动的模型以及碳去除技术评估方法，包括：①测量点源碳封存和转化的新型CO2量化工具，用于直接空气捕集、土壤和地质封存，以及用于提高量化准确性的动态方法；②通过地球物理系统将点源测量与更大规模的测量相关联，特别是在环境或地质系统中；③通过模拟方法整合测量技术和评估更大规模碳封存的潜力和影响，特别是在土壤和地质系统中。

四、增强型地热系统

“增强型地热系统攻关计划”旨在实现到2035年将增强型地热系统（EGS）的成本降低90%至45美元/兆瓦时，此次资助的技术主题包括：

1、EGS环境中地下本构力学和流体注入响应的实验和计算研究

该技术主题关注可加深对压裂-流体系统的特性、结构和动力学行为理解的基础科学研究，包括：①地下应力成像；②压裂系统中的反应性流动；③应力岩石中的化学-机械耦合作用；④非均质时变地质系统的超大规模计算方法（包括基于物理学的模型和人工智能/机器学习方法）。

2、EGS数据收集和分析的创新方法

该技术主题侧重于开发和使用能够整合多种数据集（地球物理、地球化学、地质）以改进地下流动路径监测和表征的方法，包括：①创新数据分析方法（包括处理、还原、整理和智能分析），不确定性量化和验证技术，以及使用新型人工智能/机器学习工具集成海量和异构数据；②创新的现场数据收集方法，包括地面或现场方法，用于高精度评估和监测井筒、井间、储层等的应力状态，使用新型计算工具分析结果（可能是实时的），以推断裂隙网络的演化；③在水力压裂过程中对不同参数进行高分辨率跟踪的新方法，包括但不限于现场温度和应力测量、裂缝测绘等。

3、EGS井筒环境中的材料行为和地球化学/地质力学过程研究

该技术主题涉及了解和预测材料在高压和高温下的（生物）腐蚀热液环境中行为的基础科学，包括：①高温电子元件；②高温弹性体或可替代弹性体功能的材料；③可长期耐受高温环境的井下组件（如电缆、套管等）涂层；④可以通过减少和/或消除对井筒材料（如水泥）的需求来降低成本的材料或工艺；⑤能够降低地热井生命周期成本的工艺或材料。

五、浮动式海上风电

“浮动式海上风电攻关计划”旨在实现到2035年将深海区浮动式海上风电成本降低70%达到45美元/兆瓦时，此次资助的技术主题包括：

1、浮动式风力发电机材料、建模和控制

该技术主题关注适应海洋环境的材料以及风力涡轮机整体结构设计，包括：①预测和了解结构部件、涡轮机叶片、磁铁、电力电子、电缆和导体的先进功能材料，提高性能，如增加弹性和寿命，更轻的机械强度，更低成本，更少维护，更高安全性等；②浮动式海上风电组件材料开发，其具有更强的可持续性，原材料来源丰富，且能够支持大规模生产和/或循环利用的先进制造工艺；③了解、预测和预防海水环境腐蚀和其他化学影响；④了解限制叶片和/或其他部件长期使用寿命的因素，并预测耐风速和湍流、温度（结冰）和降水的材料；⑤极端条件对风力涡轮机影响的模拟，包括对锚固部件、涡轮机叶片和涡轮运行的影响；⑥开发自动修复和/或控制的新方法，以提高寿命和/或效率，包括使用人工智能和先进的计算方法；⑦了解基本现象，以建立具有增强型传感器的控制系统，用于环境测量和组件监测，以适应运行和维护。

2、风电场及周边环境的建模和测量

该技术主题关注研究环境与风力涡轮机的相互作用，为浮动式海上风电场的选址和设计提供信息，包括：①改进多尺度大气-海洋耦合模型性能，用于从季节到数十年时间尺度描述与浮动式海上风电部署相关的大气、海洋和海岸过程；②模拟风力涡轮机系统的相互作用，包括海洋环境下大型涡轮机的尾迹和空气动力学模型；③浮动式海上风电场及周边环境的建模和测量耦合新技术。

3、风电输电、热电联产和储能

该技术主题关注与浮动式海上风电电力传输和储能相关的挑战，包括：①开发新材料和组件、先进计算模型和算法和/或新型系统设计，包括海上储能，以实现海上风电的低成本输电，最大限度地减少输电过程中的能量损失，为陆上电网提供可靠的电力以满足需求，并解决与升级陆上联网和输电基础设施相关的挑战；②了解和预测材料和/或开发适用于偏远海洋环境的电力电子技术，实现具有成本效益的输电，包括高压直流输电和海上输电设计；③开发或改进技术，以对不断变化的能源系统、需求以及连接基础设施进行集成建模，改进气候等复杂因素影响下的系统弹性，实现在更广泛的能源系统转型背景下整合海上风力资源的能力；④推进将联产系统部署在浮动式海上风电场的基础科学研究，如集成制氢/氨、碳捕集和燃料生产、海水淡化、储能等。

六、工业供热

“工业供热攻关计划”旨在通过开发具有成本竞争力的工业供热脱碳技术来减少能源密集型工业的供热过程排放，到2035年至少降低85%的温室气体排放，此次资助的技术主题包括：

1、降低工业供热碳足迹

该技术主题侧重于研究不燃烧化石燃料的供热技术的热量产生、交换及存储的基础科学问题，以促进向低排放供热转型。

2、开发热工艺过程的替代技术，或减少热量需求

该技术主题关注对新的化学过程、物理相互作用、材料和/或生物技术方法的基础科学研究，为产品制造提供新策略，避免或大幅减少热量使用。

3、热回收和利用

该技术主题侧重于深化对材料和工艺的基本知识，更有效利用热量，降低热损失，以及从系统中回收、存储和使用热量，实现更循环和可持续的工业生产。