世界需要的清潔能源：

八個案例研究

Desiree Solomon

解決氣候變化問題刻不容緩。然而，氣候變暖是全球性的，因此，解決方案必須能夠在全球范圍內(nèi)推廣——不僅在有能力為清潔能源支付更多費(fèi)用的發(fā)達(dá)國家，也在不能且不愿支付更多費(fèi)用的發(fā)展中國家。因此，經(jīng)濟(jì)現(xiàn)實(shí)決定了只有清潔能源技術(shù)達(dá)到與污染能源技術(shù)同等的價格和性能，市場力量才能成為推動全球快速脫碳的杠桿。

當(dāng)下，人類仍有很長的路要走。好消息是，通過政府提供資金支持基礎(chǔ)研究，新的清潔能源技術(shù)是可以實(shí)現(xiàn)突破的。以下是近期大學(xué)主導(dǎo)的高風(fēng)險、高回報清潔能源技術(shù)項(xiàng)目案例。

01擴(kuò)大鋰電池功率的硅

圖1  保時捷股份公司的全資子公司Cellforce Group將開發(fā)和生產(chǎn)用于汽車的硅陽極高性能鋰離子電池

鋰電池是當(dāng)今許多電動汽車和電氣設(shè)備的主要電源。由于石墨具有低成本、易獲得和高能量密度等優(yōu)點(diǎn)，通常作為鋰電池中使用的電極或?qū)w。但是，如果電動汽車要在全球范圍內(nèi)取代內(nèi)燃機(jī)，我們將需要具有更長電池壽命和更高能源效率的電池。在最近的電化學(xué)研究中，硅成為一種潛在的解決方案。萊斯大學(xué)最近的研究表明，硅可以比石墨容納更多的鋰離子，能提高陽極能量密度，從而提升能源效率。

萊斯大學(xué)的研究人員嘗試用穩(wěn)定的鋰金屬顆粒涂覆硅陽極來擴(kuò)大電池功率，并開創(chuàng)了潛在的變革性發(fā)現(xiàn)。這項(xiàng)技術(shù)可將電池電量增加22％至44％，這將改善車輛的可靠性，實(shí)現(xiàn)更快充電，并延長電池壽命。

但這項(xiàng)創(chuàng)新仍處于概念開發(fā)階段，研究人員還須解決后續(xù)充電后電池?fù)p耗的挑戰(zhàn)，以達(dá)到傳統(tǒng)電力存儲單元的水平。

02可控核聚變能源

核聚變是實(shí)現(xiàn)清潔能源目標(biāo)的潛在能源解決方案，且是一種零碳能源。根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)的研究，核聚變?nèi)缒芤怨I(yè)規(guī)模在地球上復(fù)制，則可提供幾乎無限的清潔、安全和廉價的能源。據(jù)美國能源部估計，一輛裝滿聚變?nèi)剂掀たㄜ嚨哪芰浚喈?dāng)于200萬公噸煤炭或1000萬桶石油。

科學(xué)家正通過托卡馬克（又稱環(huán)磁機(jī)）復(fù)制天體能源。托卡馬克是一種核聚變反應(yīng)堆，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)全球聚變能源愿景和清潔能源多樣化的主要候選者。據(jù)美國能源部稱，托卡馬克是未來核聚變發(fā)電廠的等離子體精煉概念。國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER，國際科技合作計劃）已在法國南部合作開發(fā)全球第一個也是最大的國際托卡馬克裝置。本次合作伙伴包括：中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯、瑞士、美國和英國。

圖2  2024年2月29日，全球最大“人造太陽”國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）與中核集團(tuán)中核工程牽頭的中法聯(lián)合體，簽署真空室模塊組裝合同。這是中國在成功安裝其心臟設(shè)備后，再次承擔(dān)其核心設(shè)備的安裝任務(wù)

根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)的報告，潛在的核能整合包括電力生產(chǎn)和能源儲存。報告指出，“到2050年，我們將為清潔能源花費(fèi)17萬億美元，而不是為石油花費(fèi)25萬億美元。”

03木質(zhì)素

生物燃料是從植物或藻類等可再生生物來源中提取的，并以液體形式使用。其中，木質(zhì)素（Lignin）是地球上最豐富的可再生碳源之一。然而，由于要在保持結(jié)構(gòu)完整性的前提，將該物質(zhì)從植物中分離出來難度很高，它一直不是工業(yè)用途有吸引力的選擇。華盛頓州立大學(xué)Linda Voiland化學(xué)工程和生物工程學(xué)院的研究人員，開發(fā)了新的提取方法，可以從植物中化學(xué)分離木質(zhì)素，而不損害其關(guān)鍵特性和自然結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)研究首次建立了全面提取木質(zhì)素的方法，標(biāo)志著生物燃料研究的突破。

圖3  木質(zhì)素 “植物骨架”

該大學(xué)的商業(yè)化辦公室已申請臨時專利，并將支持這種生物燃料開發(fā)的規(guī)模化和商業(yè)化。根據(jù)阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的研究：“生物燃料與先進(jìn)的發(fā)動機(jī)設(shè)計相結(jié)合，可以減少大約60%的溫室氣體排放，同時提高燃油效率，減少尾氣排放。”研究還發(fā)現(xiàn)，生物燃料與當(dāng)前的石油燃料相比具有成本競爭力。

04防氫內(nèi)燃發(fā)動機(jī)

清潔氫動力可實(shí)現(xiàn)能源安全和清潔能源目標(biāo)，但清潔氫的生產(chǎn)成本昂貴且難以分配，因此氫燃料電池汽車的普及程度不及純電動汽車。

圖4  國產(chǎn)氫內(nèi)燃機(jī)

盡管廣泛采用存在實(shí)際障礙，但由于氫的零排放性質(zhì)，它是一種有吸引力的燃料替代品。據(jù)估計，“1千克氫氣的能量與2.8千克汽油的能量大致相同。”因此，氫適合應(yīng)用于重型運(yùn)輸行業(yè)，如長途卡車、機(jī)車、船舶等。氫可以長期儲存能量，且質(zhì)量極輕，因此需要壓縮或液化，這使得運(yùn)輸、儲存和使用具有挑戰(zhàn)性且昂貴。

在可供消費(fèi)者選擇的眾多電動汽車中，有多種氫燃料電池汽車，與2021年相比，2022年氫燃料電池汽車的購買量增長了40%。氫燃燒汽車與氫燃料電池汽車的不同之處在于，燃燒利用熱量產(chǎn)生機(jī)械能，而氫燃料電池則通過電化學(xué)過程產(chǎn)生能量。

然而，氫燃燒面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因?yàn)槿紵^程會降低發(fā)動機(jī)的內(nèi)部機(jī)械性能。防氫發(fā)動機(jī)對于氫燃燒發(fā)動機(jī)的商業(yè)化至關(guān)重要。南加州大學(xué)正在開發(fā)耐氫發(fā)動機(jī)的工藝。該過程需要在發(fā)動機(jī)內(nèi)噴涂熱障涂層，以防止發(fā)動機(jī)內(nèi)部受到氫氣燃燒時的腐蝕。

防氫發(fā)動機(jī)研究仍在進(jìn)行中，并且仍處于開發(fā)的初級階段，該技術(shù)的商業(yè)化仍有待觀察。隨著氫氣制造工藝的完善，以及使用清潔能源生產(chǎn)氫氣，成本預(yù)計會下降，并且與傳統(tǒng)能源相比更具競爭力。此外，氫燃燒和氫燃料電池被描述為互補(bǔ)技術(shù)，進(jìn)一步鞏固了氫在能源多樣化中的作用。

05植物生產(chǎn)的可持續(xù)航空燃料

圖5  正在為飛機(jī)加注可持續(xù)航空燃料的工程車

麻省理工學(xué)院能源計劃的南西 斯托弗（Nancy Stauffer）表示：“雖然電動汽車的普及有助于地面清潔交通，但就單位能量的提供而言，當(dāng)今的電池?zé)o法與化石燃料衍生的液態(tài)碳?xì)浠衔锔偁帯！?/p>

國際能源署數(shù)據(jù)顯示，2022年，航空業(yè)排放的二氧化碳占全球能源相關(guān)二氧化碳的2%。到2050年，航空燃油消耗量預(yù)計將增加一倍。將清潔能源技術(shù)融入航空領(lǐng)域遇到了許多挑戰(zhàn)。航空燃料受到嚴(yán)格監(jiān)管，噴氣燃料的標(biāo)準(zhǔn)化需要認(rèn)證資格。電化學(xué)家面臨著一系列獨(dú)特的挑戰(zhàn)，包括精心設(shè)計適當(dāng)?shù)幕衔锝M合，以生產(chǎn)出不會因海拔、溫度或壓力變化而凍結(jié)的燃料。此外，優(yōu)質(zhì)燃料也能夠保障飛機(jī)燃料系統(tǒng)部件具備良好的密封性。

麻省理工學(xué)院能源辦公室和能源部生物能源技術(shù)辦公室的研究人員，發(fā)明了從植物中生產(chǎn)生物航空燃料的新方法。在木質(zhì)素的工藝基礎(chǔ)上，利用催化劑來產(chǎn)生新的化學(xué)反應(yīng)，從而生產(chǎn)木質(zhì)素油。

該團(tuán)隊(duì)已將樣本發(fā)送到華盛頓州立大學(xué)進(jìn)行進(jìn)一步測試。由于航空燃油測試的嚴(yán)格控制要求，全面認(rèn)證所需的額外測試包括實(shí)驗(yàn)室發(fā)動機(jī)模擬在內(nèi)的幾個階段。

06太陽能到氫氣的轉(zhuǎn)換

萊斯大學(xué)的研究人員稱：“到目前為止，利用光電化學(xué)技術(shù)生產(chǎn)綠氫，一直受到半導(dǎo)體效率低和成本高的阻礙。”研究人員利用鹵化物鈣鈦礦（一種低成本半導(dǎo)體）設(shè)計了導(dǎo)電粘合劑屏障。該裝置具有破紀(jì)錄的效率，能夠以20.8%的效率將太陽能轉(zhuǎn)化為氫氣。且光電效應(yīng)產(chǎn)生的電勢直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，而無需電池存儲。

該研究由萊斯大學(xué)和美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。然而，氫價格昂貴、運(yùn)輸困難，后續(xù)還需要更有針對性的研究和開發(fā)來加速氫的長期儲存。

07太陽能到氫氣的轉(zhuǎn)換

水力發(fā)電已成為全球推動可持續(xù)能源解決方案的主要戰(zhàn)略。根據(jù)國際能源署的分析，水力發(fā)電仍是最大的可再生電力來源，發(fā)電量超過所有其他可再生能源技術(shù)的總和。雨滴發(fā)電是一種值得探索的能源解決方案。雨能通過基于液滴的摩擦納米發(fā)電機(jī)（D-TENG）收集，將雨滴的運(yùn)動轉(zhuǎn)化為能量。雖然單個雨滴的動能很小，但通過電池板收集的多個雨滴的復(fù)合能量，有可能成為具有成本效益且可持續(xù)的能源。然而，提高這一過程的能源效率遇到了挑戰(zhàn)。

圖6  雨能發(fā)電示意圖

組合雨電池是仿照太陽能電池建模的。當(dāng)雨滴集電單元組合時，會出現(xiàn)耦合電容，其中功率會損失。中國清華大學(xué)深圳國際研究生院的研究人員聲稱，已找到了耦合電容問題的解決方案，這將使能量收集雨板成為更加實(shí)用的現(xiàn)實(shí)。

中國對雨能的投資，使其能制定更大的能源培育戰(zhàn)略。然而，由于與其他領(lǐng)先的清潔能源（太陽能、風(fēng)能或其他水力發(fā)電）相比性能稍顯缺乏，雨板的大規(guī)模商業(yè)化仍是一個緩慢的過程。

08透明太陽能電池板

全球公用事業(yè)和住宅用途中，太陽能的使用正在不斷增加。根據(jù)能源信息署的報告，到2022年，21%的發(fā)電量來自可再生能源，其中3.4%是太陽能。太陽能電池板或太陽能光伏板是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的成功案例。

根據(jù)預(yù)測，美國太陽能發(fā)電容量將從2022年的45%增加到2024年的62%。美國太陽能產(chǎn)業(yè)協(xié)會報告顯示，目前美國太陽能裝機(jī)容量為162.8吉瓦（GW），近27.5萬名美國人在太陽能行業(yè)工作，共安裝了超過460萬個太陽能系統(tǒng)。據(jù)預(yù)測，2022年全球太陽能光伏產(chǎn)能較2021年增長70%以上，多晶硅產(chǎn)能達(dá)到450吉瓦，組件產(chǎn)能達(dá)到640吉瓦，其中，中國占整個供應(yīng)鏈新增產(chǎn)能的95%以上。中國在太陽能電池板制造和供應(yīng)鏈控制方面，仍處于全球領(lǐng)先地位。

對太陽能的一個批評是其視覺障礙和缺乏美觀品質(zhì)。而透明太陽能電池解決了這些問題。日本仙臺東北大學(xué)工程研究生院的研究人員提出了這樣的概念：一塊透明的太陽能電池板，可應(yīng)用于建筑物和汽車窗戶，以及無數(shù)的電氣設(shè)備。

圖7  戶外運(yùn)動品牌Patagonia在其位于加利福尼亞州文圖拉的公司總部采用了光伏窗戶

通過制造透明太陽能電池板，該技術(shù)將不再局限于屋頂和太陽能發(fā)電場。這項(xiàng)創(chuàng)新并非同類首創(chuàng)。2021年，密歇根州立大學(xué)與Ubiquitous Energy合作設(shè)計了太陽能電池板窗戶。相關(guān)研究報告稱，“透明太陽能玻璃極大地擴(kuò)展了太陽能發(fā)電的選擇，并改變了我們對發(fā)電的看法。美學(xué)和可再生能源之間不再需要權(quán)衡。”

考慮到價格和性能等，這項(xiàng)技術(shù)可對全球能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有意義的影響。研究人員承認(rèn)，在透明太陽能電池被廣泛采用之前，仍存在需要解決的挑戰(zhàn)，并需要進(jìn)行額外的設(shè)計調(diào)整才能擴(kuò)大該項(xiàng)目的規(guī)模。

太陽能與傳統(tǒng)能源相比已具有價格競爭力，然而安裝成本依然相當(dāng)大。盡管如此，許多人估計這些投資從長遠(yuǎn)來看會收回成本。稅收優(yōu)惠和長期的成本節(jié)約，使太陽能成為傳統(tǒng)能源的商業(yè)可行替代品。

注：本文由前灘綜研根據(jù)原文整理編譯，本公眾號推送時略有修改，文中觀點(diǎn)不代表本院看法

來源：美國信息技術(shù)和創(chuàng)新基金會

圖片來源：互聯(lián)網(wǎng)