一、氫能

 

“氫能攻關計劃”于2021年6月7日宣布，目標是在未來十年實現清潔制氫成本1美元/千克，此次資助的技術主題包括：

 

1、制氫基礎科學

 

該技術主題將推進制氫相關基礎科學研究，包括：①低溫或高溫電解制氫;②與碳捕集和封存相結合的熱化學制氫;③太陽能熱化學或光電化學水分解制氫;④輻射輔助水、甲烷或其他化學品分解制氫。目標是深化對反應和/或降解機制的理解、缺陷化學和界面形成的認知，獲得材料識別和開發的方法，以及系統在運行條件下的演變，提出實驗表征技術和計算及數據科學方法。

 

2、氫源及氫排放量化相關基礎科學

 

該技術主題將推進來自地質氫等氫源的氫排放量化或建模研究，以評估地質氫作為氫源的可行性。另外，還關注制氫的環境和安全評估研究，涉及小型加氫站、氫氣輸送和存儲設施、輸氫管道等的氫氣泄漏。

 

二、長時儲能

 

“長時儲能攻關計劃”于2021年7月14日宣布，在未來十年實現超過10小時時長的電網規模儲能系統儲能成本降低90%，此次資助的技術主題包括：

 

1、電化學儲能

 

該技術主題將開發贗電容器、液流電池等電化學儲能裝置，但不會資助已經得到DOE廣泛支持的鋰離子電池技術改進以及鋰金屬負極電池。

 

2、電熱儲能

 

該技術主題將開發利用電力加熱或制冷并加以存儲，隨后使用熱機等設備再轉化為電能的技術，關注的儲熱方式包括顯熱儲熱、潛熱(相變)儲熱和/或熱化學儲熱技術。

 

3、基于載體的化學儲能

 

該技術主題將開發基于能量載體的通過電化學、電催化等過程將電能和化學勢能相互轉換的技術，其能量載體將與轉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研究側重于氫的利用和/或存儲。

 

4、機械儲能

 

該技術主題關注使用機械方法轉換和存儲電能，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

 

“負碳攻關計劃”旨在解決碳去除、分離和封存等技術大規模應用的基礎科學挑戰，此次資助的技術主題包括：

 

1、CO2生物封存

 

該技術主題關注CO2生物礦化和土壤封存技術相關基礎科學研究，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條件對其的影響，并了解通過生物體代謝實現環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

 

該技術主題關注將CO2封存在無機物土壤和地質儲層的技術，重點關注的基礎研究包括：①優化儲層表征和模擬地下儲層內的反應性多孔流動，利用現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，或利用數字孿生開發不同情景下的預測模型;②將人工智能/機器學習用于實時決策，以提高安全性，提高地下井作業速度，更好地優化儲層的注入速率和封存效率，管理應力速率和井筒破壞，減輕與二氧化碳泄漏有關的風險;③了解在土壤和地下環境中增強碳酸鹽礦物礦化和風化作用的因素;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反應，進行改善地下儲層碳吸收率的基礎研究，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碳化及反應性基礎動力學研究

 

該技術主題關注可推動從稀薄源直接捕集CO2并永久封存的技術應用的基礎科學研究，包括：①發現、理解、設計和控制能量和質量傳輸機制，以驅動分離過程，如在廣泛的環境條件下，捕集介質的再生或可影響碳捕集率和碳捕集/吸收速率的化學-材料過程;②電化學、磁性、光誘導或反應性步驟的機理研究，以及這些步驟的協同作用;③了解導致分離介質的化學、物理和/或結構變化以及性能和耐久性下降的基本材料和化學機制;④將機理研究與設計和合成新型高性能捕集材料和化學過程相結合，實現選擇性捕集CO2，或高速捕集和轉化CO2，并通過非熱、低能量過程實現以最小能量釋放或轉化為有用的材料、燃料或化學品;⑤二氧化碳輸運機制表征。

 

4、測量、監測和驗證

 

該技術主題關注通過基礎研究推進開發CO2量化工具、數據驅動的模型以及碳去除技術評估方法，包括：①測量點源碳封存和轉化的新型CO2量化工具，用于直接空氣捕集、土壤和地質封存，以及用于提高量化準確性的動態方法;②通過地球物理系統將點源測量與更大規模的測量相關聯，特別是在環境或地質系統中;③通過模擬方法整合測量技術和評估更大規模碳封存的潛力和影響，特別是在土壤和地質系統中。

 

四、增強型地熱系統

 

“增強型地熱系統攻關計劃”旨在實現到2035年將增強型地熱系統(EGS)的成本降低90%至45美元/兆瓦時，此次資助的技術主題包括：

 

1、EGS環境中地下本構力學和流體注入響應的實驗和計算研究

 

該技術主題關注可加深對壓裂-流體系統的特性、結構和動力學行為理解的基礎科學研究，包括：①地下應力成像;②壓裂系統中的反應性流動;③應力巖石中的化學-機械耦合作用;④非均質時變地質系統的超大規模計算方法(包括基于物理學的模型和人工智能/機器學習方法)。

 

2、EGS數據收集和分析的創新方法

 

該技術主題側重于開發和使用能夠整合多種數據集(地球物理、地球化學、地質)以改進地下流動路徑監測和表征的方法，包括：①創新數據分析方法(包括處理、還原、整理和智能分析)，不確定性量化和驗證技術，以及使用新型人工智能/機器學習工具集成海量和異構數據;②創新的現場數據收集方法，包括地面或現場方法，用于高精度評估和監測井筒、井間、儲層等的應力狀態，使用新型計算工具分析結果(可能是實時的)，以推斷裂隙網絡的演化;③在水力壓裂過程中對不同參數進行高分辨率跟蹤的新方法，包括但不限于現場溫度和應力測量、裂縫測繪等。

 

3、EGS井筒環境中的材料行為和地球化學/地質力學過程研究

 

該技術主題涉及了解和預測材料在高壓和高溫下的(生物)腐蝕熱液環境中行為的基礎科學，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能夠降低地熱井生命周期成本的工藝或材料。

 

五、浮動式海上風電

 

“浮動式海上風電攻關計劃”旨在實現到2035年將深海區浮動式海上風電成本降低70%達到45美元/兆瓦時，此次資助的技術主題包括：

 

1、浮動式風力發電機材料、建模和控制

 

該技術主題關注適應海洋環境的材料以及風力渦輪機整體結構設計，包括：①預測和了解結構部件、渦輪機葉片、磁鐵、電力電子、電纜和導體的先進功能材料，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浮動式海上風電組件材料開發，其具有更強的可持續性，原材料來源豐富，且能夠支持大規模生產和/或循環利用的先進制造工藝;③了解、預測和預防海水環境腐蝕和其他化學影響;④了解限制葉片和/或其他部件長期使用壽命的因素，并預測耐風速和湍流、溫度(結冰)和降水的材料;⑤極端條件對風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開發自動修復和/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了解基本現象，以建立具有增強型傳感器的控制系統，用于環境測量和組件監測，以適應運行和維護。

 

2、風電場及周邊環境的建模和測量

 

該技術主題關注研究環境與風力渦輪機的相互作用，為浮動式海上風電場的選址和設計提供信息，包括：①改進多尺度大氣-海洋耦合模型性能，用于從季節到數十年時間尺度描述與浮動式海上風電部署相關的大氣、海洋和海岸過程;②模擬風力渦輪機系統的相互作用，包括海洋環境下大型渦輪機的尾跡和空氣動力學模型;③浮動式海上風電場及周邊環境的建模和測量耦合新技術。

 

3、風電輸電、熱電聯產和儲能

 

該技術主題關注與浮動式海上風電電力傳輸和儲能相關的挑戰，包括：①開發新材料和組件、先進計算模型和算法和/或新型系統設計，包括海上儲能，以實現海上風電的低成本輸電，最大限度地減少輸電過程中的能量損失，為陸上電網提供可靠的電力以滿足需求，并解決與升級陸上聯網和輸電基礎設施相關的挑戰;②了解和預測材料和/或開發適用于偏遠海洋環境的電力電子技術，實現具有成本效益的輸電，包括高壓直流輸電和海上輸電設計;③開發或改進技術，以對不斷變化的能源系統、需求以及連接基礎設施進行集成建模，改進氣候等復雜因素影響下的系統彈性，實現在更廣泛的能源系統轉型背景下整合海上風力資源的能力;④推進將聯產系統部署在浮動式海上風電場的基礎科學研究，如集成制氫/氨、碳捕集和燃料生產、海水淡化、儲能等。

 

六、工業供熱

 

“工業供熱攻關計劃”旨在通過開發具有成本競爭力的工業供熱脫碳技術來減少能源密集型工業的供熱過程排放，到2035年至少降低85%的溫室氣體排放，此次資助的技術主題包括：

 

1、降低工業供熱碳足跡

 

該技術主題側重于研究不燃燒化石燃料的供熱技術的熱量產生、交換及存儲的基礎科學問題，以促進向低排放供熱轉型。

 

2、開發熱工藝過程的替代技術，或減少熱量需求

 

該技術主題關注對新的化學過程、物理相互作用、材料和/或生物技術方法的基礎科學研究，為產品制造提供新策略，避免或大幅減少熱量使用。

 

3、熱回收和利用

 

該技術主題側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，以及從系統中回收、存儲和使用熱量，實現更循環和可持續的工業生產。

 

注：能源攻關研究中心(EERC)是DOE“能源攻關計劃”下的一種創新研究模式，針對該計劃推出的6項技術領域攻關計劃分別啟動相應的能源攻關研究中心，由科學辦公室領導，匯集多學科團隊開展各領域基礎研究。EERC將與能源技術辦公室合作，解決基礎研究與應用研究和技術開發活動之間的關鍵挑戰，以彌補研發差距，實現“能源攻關計劃”目標。