[新聞] 清潔能源技術會有這5大突破

今天的能源技術能以一己之力將我們送往零碳排放的未來嗎?對於某些人來說,答案是肯定的——他們認為目前的太陽能和風能技術已經為我們提供了從化石燃料轉變到清潔能源所需要的一切。但越來越多人認為,全球需要一個重大的能源“突破”,才能快速扭轉現有平衡,為人類提供更清潔、更高效的能源。

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這些人之中最著名的要數比爾·蓋茨。近日,蓋茨在比爾及梅林達·蓋茨基金會發表的一封公開信中說,全球人口即將達到80億,要想在不破壞地球的情況下,滿足這些人的能源需求,需要巨大的投資。

蓋茨是這麼說的,也是這麼做的。據國外媒體報導,2015年12月初,蓋茨和阿里巴巴聯合創始人馬雲等數十位企業領袖共同宣布成立“突破能源聯盟(BEC)”,他們希望藉由投資的力量,解決整個地球所面臨的最大的環境難題——全球變暖。蓋茨對此表示:“該規模為數十億美元的清潔能源研發項目將幫助企業將實驗室中的清潔能源創新推向市場。”

據悉,該聯盟的主要任務就是幫助研發可靠、經濟、不排放碳的清潔能源。除了蓋茨和馬雲,支持該項目的其他企業家還包括臉書聯合創始人馬克·扎克伯格、亞馬遜創始人傑夫·貝索斯等。

無獨有偶,在此之前,中國、美國、澳大利亞等20個國家聯合發起了“創新使命(Mission Innovation)”倡議,其主要內容包括:參與國尋求5年內清潔能源研發的政府投資翻倍;發揮私營部門在清潔能源投資上的引領作用;採取透明、高效的方式實施“創新使命”;共享各國的清潔能源研發活動的信息等。

與此同時,私人科學家、工程師和技術專家們正在穩步推進新技術的研發工作。這些新技術將促進經濟發展,為家庭供電供能,為全球的交通工具提供動力,而且不會釋放出導致全球變暖的溫室氣體。

那麼,這些重大的清潔能源突破究竟是什麼呢?美國《基督教科學箴言報》網站在最近的報導中,為我們列舉了或將改變清潔能源前景的5大技術突破。報導指出,這些技術將改變人類的能源使用方式。

電網規模的電池儲能:降低成本是關鍵
當電網在20世紀初被設計和建造時,每個國家的能源需求迥然不同。近幾年,智能電網的使用以及可再生能源的融合產生了使傳統基礎設施快速現代化的需求。業內專家一直主張,工業規模的大容量儲能電池將提高電網的安全性和可靠性,並且促進風能或太陽能等可再生能源的融合。實際上,許多人表示,如果不採用大規模儲能技術,將無法向可再生能源過渡。但大容量電池的價格一直居高不下,讓人望而卻步。

而現在,新型廉價電池材料正在將電網規模的大容量電池帶到市場。穆迪投資服務公司的數據顯示,大容量電池的價格在過去5年間下降了50%。專家估計,至少有3家私人公司正在給公用事業設備提供大容量電池。

美國政府的能源研究機構——美國能源部先進能源研究計劃署(ARPA-E)負責人艾倫·威廉姆斯說:“當ARPA-E開始關注電網儲能問題時,我們意識到,價格需要下降到目前的十分之一才能讓這種電池商業化。從那時開始,我們一直在投資各種創新性的電池存儲方式,而且,我們真的找到了可以降低成本的方式。”
燃料電池汽車:楊家有女初長成
燃料電池汽車可以將氫的化學能轉變成電能,電池可驅動汽車行駛300英里(約合480公里)。不過,燃料電池汽車面對和電網規模電池一樣的“攔路虎”——高昂的價格,這使它們猶如那在水一方的佳人,儘管有心之人想溯洄從之,但道阻且長。

不過,隨著技術的不斷發展,這些“攔路虎”也在慢慢變得軟弱。今年1月份,發表在《自然·通訊》雜誌上的一篇文章稱,美國特拉華大學和哥倫比亞大學的研究人員製備出了一種廉價的雙金屬催化劑,該催化劑由銅鈦金屬模擬貴金屬鉑的結構製備而成,可以取代成本昂貴的鉑催化劑,大大提高電解水製氫的效率,應用前景廣闊。

該研究首席研究員嚴玉山(音譯)說:“我們真正希望把氫氧化物交換膜燃料電池用於汽車,使它們真正物美價廉。豐田公司2014年12月15日於日本正式上市的氫燃料電池車Mirai(譯為未來)的燃料電池是2.3萬美元。”

據悉,經過美國環保署測試,在行駛中完全不會產生污染物的Mirai,續航里程達到502公里,換算成高速及市區油耗當量為28.3公里/升。因此,豐田宣稱Mirai是美國市場能買到的零排放汽車產品中,續航最長的車型,超過了同類型動力的現代Tuscon氫燃料電池車(續航里程為426公里)。

德國的科學家則另闢蹊徑,採用其他方法來獲得氫。德國先進可持續性研究院與卡爾斯魯厄理工學院的研究人員於2015年11月19日宣布,可從甲烷直接提取氫氣,而且不產生副產物二氧化碳。
在甲烷的裂解過程中,研究人員使用了基於液態金屬技術的新型1.2米高反應器,其由石英和不銹鋼製成。測試顯示,在1200℃,反應器產生的氫轉化率為78%,可以持續兩週。研究人員表示,最終反應器有希望達到工業規模,將通過所產生的氫氣來供電。
研究表明,甲烷裂化相當於水的電解,生產每單位氫氣的二氧化碳排放量,比蒸汽甲烷重整技術降低50%以上。初步計算表明,該技術每千克氫氣的成本是2美元至3.5美元。科學家們的下一步研究將集中於優化反應器設計,然後逐步擴展到增加氫氣流量方面。如果成功,這一技術可能製造出低成本、零碳排放的氫燃料,為交通工具提供動力。

高空風能發電:早有蜻蜓立上頭
在公開信中,比爾·蓋茨表示,他相信世界將在未來15年中實現某項能源突破,而潛在的突破之一可能是利用在我們頭頂幾公里上空呼嘯的風能。美國環境和氣候科學家克里斯蒂安·阿切爾和肯·考德伊拉在研究報告指出:來自高空急流的風所生成的能量是全球所需能量的100多倍。
理論上講,高空風能項目因為密度高、設備輕量化、年利用小時數高,效益要顯著高於低空風電項目。 2013年全球風能理事會已經做出預測,認為高空風能很有可能是改變世界的能源技術。高空風能可在不同程度上消除現有新能源技術的缺點,且具新的優點,將部分代替傳統風能,是新能源領域的投資熱點和發展方向。

近年來,高空風力發電技術引無數資本競折腰,致力於研發此項技術的初創公司獲得了谷歌和三菱等大公司以及瑞士和德國政府等的投資。早在2013年,谷歌就以Google X的名義收購了空中風力渦輪發電設備公司Makani Power,當時在高空風能發電領域引發了小小的騷動。僅僅過去3年時間,在美國、歐洲就湧現了一批研發高空風電技術的公司。經粗略統計,目前全球已經有50多家高空風能發電公司。這50多家公司投入巨資研發高空風電,技術路線不一。

總的來說,高空風能技術分為兩大類:一類是利用氦氣球等升力作用,將發電機升到半空中,在高空中將豐富的風能轉化為機械能,機械能轉化為電能,之後通過電纜傳到地面電網。這一技術路線的典型代表為Altaeros energies 的高空風電系統“空中浮動渦輪(BAT)”。這一系統中,發電機被裝在一個巨大的充氦飛艇裡,上升高度約為300米左右,BAT利用高空的高速風流,發電量比地面風力發電裝置高一倍。 2014年,美國有線電視新聞網推出了2014年可能改變世界的10大發明,“空中浮動渦輪”名列榜首。

另一類技術路徑是將發電機組固定在地面,通過巨型“風箏”在空中利用風能拉動地面發電機組,從而將風能轉化為機械能,帶動地面的發電機轉化為電能。這一技術路徑可解決電纜和發電機的自重問題。意大利KiteGen公司的MARS系統是該類技術路線的典型代表。 MARS系統主要由高空的拖曳風箏和地面的發電設備兩部分組成。拖曳風箏和地面的風力渦輪機相連,並通過安裝在發電設備上的航空感應器來控制風箏旋轉的方向和路徑,以最大限度帶動地面渦輪機旋轉並發電。

不過,兩種技術路徑都存在缺陷。 “空中浮動渦輪”系統的缺陷主要是發電功率受限制,發電機功率增加,重量一般也會增加,升空難度加大;此外,由於系統整體較重,發電機組很難升到千米以上的高度。而MARS的最大難點在於控制發電系統的穩定性。

儘管全球企業增長諮詢公司弗若斯特沙利文的最新報告認為,高空風能有望在2017年初進入主流商業市場,但大多數專家認為,高空風電的發展仍有諸多掣肘,其產業化前景光明但道路依舊漫長。

可持續生物燃料:節能環保保應用
生物燃料一直被視作可替代傳統化石燃料用於汽車和飛機的潛在燃料,但這種能源的可持續性究竟如何仍然存在疑問。有研究人員指出,生物燃料的生產會導致森林濫砍亂伐,進而助長全球變暖,而且許多植物在轉變成燃料時需要大量水和能源。

不過, ARPA-E目前正在研發一些新技術,使生物燃料的生產過程實現碳中和以及環境可持續性。威廉姆斯說:“我們正在研究如何通過機器人、大數據分析以及遺傳學領域的最新知識來指導我們種植更好的植物。”在這些實驗中,機器人會收集一些作物數據,隨後,科學家們可以通過這些數據獲悉如何用更少的肥料和水種植出生物燃料作物。

另據報導,挪威造紙纖維研究所與英國阿斯丹頓大學正在聯合進行一項“ReShip”項目,旨在從木材廢料中提取可持續性生物原油,再與傳統柴油和表面活性劑相混合以形成一種多成分燃料,這一燃料有望顯著減少溫室氣體排放。

專家表示,隨著科學家們進行這方面更多的研究,可持續生物燃料有望應用於生活的多個方面。
核聚變:我的未來不是夢
核聚變通常被認為是人類清潔能源領域的“聖杯”,是解決未來能源問題的主要選擇之一。核聚變反應產生的能量遠高於裂變反應產生的能量,所需的氚和氘在自然界中廣泛存在。另外,核聚變反應堆比目前的核裂變反應堆產生的核廢料更少,放射性污染也會在短期內消失。數十年來,科學家們在實驗室中苦心孤詣地研究原子的聚合,以模擬太陽產生能量的方式。雖然取得了一些進展,但利用核聚變產生的能量被證明要比許多人所期望的困難得多。如果科學家最終取得成功,那麼人類將掌握幾乎無限清潔能源的鑰匙。

過去數月,科學家們在核聚變領域取得了一些重大進展。德國總理默克爾於2月初開啟了迄今最大的仿星器核聚變反應設備“螺旋石7-X”。該設備首次製造出氫等離子體,並持續放電1/4秒,向實現受控核聚變邁出重要一步。

另據媒體報導,中國中科院合肥物質科學研究院的全超導託卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)成功實現了電子溫度超過5千萬度、持續時間達102秒的超高溫長脈衝等離子體放電。 EAST的既定科學目標是實現1億度1000秒的等離子體運行,但實現該目標面臨著眾多科學和技術(物理和工程)的挑戰。

另外,在法國南部馬賽附近的卡達哈什,“國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃”也在有條不紊地進行。 ITER的最終目標是建造、運行一個可持續燃燒的託卡馬克型聚變實驗堆,以驗證聚變反應堆的工程技術可行性,從而為建造聚變能示範電站奠定堅實的科學基礎和必要的技術基礎。目前國際上對ITER計劃的主流看法是:建造和運行ITER的科學和工程技術基礎已具備,成功的把握較大,經過示範堆、原型堆核電站階段,如不出意外的話,可在本世紀中葉實現聚變能商業化。

專家們普遍認為,隨著越來越多的資金和人才湧入發現“能源奇蹟”的浪潮中,重大能源突破指日可待。

本文來源 網路

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2021.09.13 ver