美ARPA-E资助1.75亿美元资助变革性清洁能源技术研发
近日，美国能源部先进能源研究计划署（ARPA-E）宣布最新一期的OPEN2021开放招标计划，资助1.75亿美元支持国家实验室、高校和企业协同开展具有潜在颠覆性影响的变革性清洁能源技术研发，确保美国在未来绿色能源技术的全球领导地位，同时助力美国2050年实现净零排放目标。本次资助主要聚焦十三大主题领域，具体内容如下：
1、建筑能效
研究新型基于氮化镓（GaN）半导体的直接发射绿光的发光二极管（LED），以加速固态照明（SSL）光源的使用和普及。与非固态照明相比，可以减少约25%与照明相关的温室气体排放。到2035年，向SSL过渡可以使美国能源相关温室气体排放比非SSL减少55%。
2、分布式能源
设计和建造一个能够利用可再生能源直接将烟道气中的CO2电催化还原为高价值化学品（如乙醇、丙醇等）的高性能反应装置，以实现绿色高效减排。
3、提高电力电子器件和设备效率
包括：①开发一种突破性的无线充电系统，用于电动汽车的静态和动态充电，以大幅减少对昂贵和笨重的车载电池需求，提高续航里程，并加速电动汽车的普及。②开发基于GaN的二极管和晶体管的新一代电力电子产品，其性能将大大超过目前的电力电子器件。③研究通过增材制造技术制造具有网络状结构的非晶金属氧化物软磁复合材料（SMC），从而降低成本，减少材料浪费。④为电力电子模块开发3D打印陶瓷封装，以改善其热管理、功率密度、性能和寿命。⑤为数据中心开发一种节能的两相冷却系统，以减少冷却能耗并减少用水。⑥开发一种高性能冷却板，其带有一个螺旋扰流器，可以将换热速率提高3倍，从而提高数据中心未来服务器的能源效率。⑦开发一种高效、资源节约的热能设备，它将同时提高服务器冷却能源效率，并提供可直接用于建筑供暖与制冷的高质量热能。⑧开发能量高达数十兆电子伏特的氮化硼快中子探测器（FND），用于反应堆高温高辐照的极端环境中直接监测反应堆和燃料状态，该技术也有潜力取代目前在地热和测井工具中使用的氦-3气体管中子探测器。
4、发电
（1）核能利用的相关技术改进和材料研究。包括：①利用先进的增材制造技术开发一种新型钨基高熵合金面向等离子体组件（PFC）。②研究利用一种简单的熔盐（一种氟化锂和氟化铍的混合物）方法在聚变电厂中增殖氚（T）的可行性。③开展新型的氢硼（硼-11元素）核聚变研究。④利用高能非中子粒子（如光子和质子）开发一种高效经济处理高放长寿命裂变产物（LLFP）嬗变技术。⑤激光等离子体不稳定饱和机制及其抑制方法研究。⑥开发关键技术以高效回收核废料中高价值的元素可以提高核资源的利用率，减少核废料的产生，降低燃料成本。
（2）先进燃气轮机燃烧技术改进。研究一种新的无焰燃烧法，用于使用氢气和天然气混合燃料的先进燃气轮机。新技术可以打破目前燃气轮机因为材料受限而导致的效率上限，使得燃气轮机联合循环（GTCC）效率有望达到 67%或更高，同时满足严格的排放标准。
（3）海上可再生能源利用的相关研究。研究如何使海上漂浮式风力涡轮机和海洋流体动力系统能够部署在现有系泊和锚定技术无法到达或成本过于昂贵的地区，以降低海上可再生能源的成本。
（4）地热能利用的相关研究。包括：①提出了“电-水力压裂”（E-HF）技术用以提高增强型地热系统（EGS）的发电效率。该技术利用高压电力和少量注水进入更大的裂缝网络进行热回收。与传统的水力压裂相比，该技术通过限制水的使用，可节约2700亿加仑的水，并将提供未开发的地热能。②开发下一代长时储热技术，实现地热能多天的长时存储。此外将开发一种基于光纤诊断平台，以优化监测地下动态过程。
（5）熔盐反应堆和太阳能热发电系统研究。包括：①开发一种具有抗蠕变、辐照和耐腐蚀性强的沉淀强化合金，该合金将能够应用于熔盐反应堆（MSR）、氟盐冷却高温反应堆（FHR）和聚光太阳能热发电（CSP）系统中。②开发一种耐高温、耐化学腐蚀的基于金刚石的微流控阿尔法谱仪，该谱仪能够在线精确测量液体燃料熔盐反应堆（LF-MSR）燃料中的阿尔法同位素。
5、电网
（1）开发高比例可再生能源并网下的电网高效稳定运营技术。包括：①开发一种100千伏的GaN光导半导体开关取代传统硅技术制造的半导体开关，极大地提高效率并降低成本。②把电力电子的功能优势与高压电缆的功率密度优势结合起来，创建一个紧密、一体化的结构，以取代当今电网中笨重、不灵活的变电站。③为逆变器主导的电力系统开发创新的保护方案，提高可再生能源并网比例。
（2）围绕电网开发相关的算法、模型、软件和控制技术，优化电网运行效能。包括：①利用超导架空和地下输电线路，在单电压（10千伏）的情况下，以具有成本效益的方式将大量电力（高达400兆瓦）从发电站向外输送。②开发演示一个结构化的微电网协调/控制协同设计流程，从而选择合适的设备、综合控制和通信软件及硬件架构。研究结果将在模拟环境中进行验证。还将开发和演示一个模块化弹性微电网控制集成平台。
6、针对制造业开发先进的节能技术，提高生产制造过程的能源效率
包括：①开发一种有潜力的氢等离子体-回转窑零碳炼钢工艺来替代传统工业，该工艺无需使用焦炭或天然气，所消耗能源比目前的工艺更少，并可能使钢铁行业每年减少超过10亿吨碳排放。②开发一种无表面活性剂多相（MP）成形生产纤维复合材料产品的技术，减少生产纤维复合材料（如纸、纸巾、纸板、非织造布和新型纤维产品）的能耗和碳排放。③开发一种熔模铸造技术，该技术可能从根本上改变工业燃气轮机高价值金属部件的生产工艺流程，可比现有的铸造方法节省90%的能源，同时将生产周期从一年多缩短到三个月以下。④利用电化学将废旧产品和低价值矿物转化为有价值的碳中性材料。⑤创建可扩展的用于氨氧化的高熵合金（HEA）催化剂制造工艺，以提高催化活性、选择性和稳定性。⑥利用低成本的可再生电力、垃圾废弃物原料生产可循环利用的建筑材料。
7、提高资源利用效率以及碳捕集技术的研发以减少碳排放
（1）碳捕集技术研发。包括：①使用无碳电力驱动直接空气捕集（DAC）或海洋直接捕集（DOC）环境中的CO2，可减少DAC和DOC的前期投资和运营成本。②设计、建造并演示一种改造平台，有效封堵泄漏的废弃油气井，显著减少和防止甲烷排放。③开发一种利用海水矿化CO2的新型电化学过程。④开发一种新型固体吸附剂材料，称为CO2捕集利用和封存气凝胶（CACTUS），用于CO2的直接空气捕集（DAC）。⑤开发碳封存工艺，使CO2矿化成为碳酸盐稳定地存储在地质地层中。
（2）针对电源系统和新能源研发能源技术。包括：①开发基于GaN的小型脉冲电源系统架构，以提高脉冲电源功率密度（电容器尺寸减小10倍）和功率转换器寿命（在175℃以上运行1000小时）。②研发成本更低且能够以超快的方式去除移动和固定电气系统上的冰/雪/霜堆积新技术，计划应用于光伏电站、热泵热交换器、风力涡轮机和电动飞机等特别受冰/雪/霜聚集现象影响的领域。
8、储能技术研发
包括：①研究将非活跃的油气井转换为名为重力井的能源存储设备（即以“重力”的形式储存能量，当重物被强大的缆绳和绞车吊在空中时，它们就能储存大量的势能。当需要这些能量时，它们可以被放下井筒、转动绞车，然后将电能输送到电网中），以创造一种新的能源存储解决方案。②开发一种能够使用可再生能源的混合电化学/光催化方法直接产生高压氢气（H2）技术，其在700 bar的压缩条件下生产氢气的成本有望低于2美元/千克。③开发新型的筒管式架构锂电池，该设计将增加电极材料的厚度，从而存储超过目前研究的同等尺寸下储存的能量，以降低每千瓦时能源存储的总成本。
9、交通运输中的能量转换相关技术研究
包括：①研发一种全新的固体氧化物燃料电池（SOFC）架构，该架构可以实现更小体积、更高功率密度，适用于交通运输应用，可以实现快速启动和长期耐用，解决传统SOFC的缺点，包括质量、体积大、启动时间长、成本高等问题。②研发新型磁性和绝缘材料：一种新型复合磁粉（CMP）材料与陶瓷电泳沉积（EPD）绝缘材料，来改变电动汽车电机的设计和制造过程。③开发新型无离子聚合物电极，以实现铂合金催化剂的超高氧还原反应活性，获得高功率密度聚合物电解质膜（PEM）燃料电池。
10、能源生产和脱碳技术研究
（1）生产生物能源以及生物固碳研究。包括：①开发新的光合系统，利用太阳能光谱中以前未充分利用光谱（如近红外波段）来生产太阳能燃料。②开发首个负碳生物精炼厂，将多种有机废物原料转化为挥发性脂肪酸（VFA）。③开发一种可扩展的技术，实现直接从环境空气中捕获CO2并将其转化为丁醇，可以用于航空喷气燃料。④研究大型藻类快速高产的培育技术，以实现利用藻类减少碳排放。⑤开发一种新的生物碳固定途径，以实现利用更有效的羧化酶来更好地利用CO2。⑥利用植物或相关细菌对当前和未来的合成氮源进行生物固定，每种方法的每种成分都在不同的时间向作物提供氮，并影响能源、产量和排放。⑦开发一种新技术，由低成本的无线传感器阵列组成，用于测量一氧化二氮（N2O）浓度和排放驱动因素（铵态氮、硝酸盐、氧气、水分、温度、pH值和反硝化酶）。⑧利用工业级无人机，演示适用于大型农业用地的高时空分辨率远程N2O监测技术。
（2）通过其他的可再生方式生产低碳能源或者降低生产工艺中的碳排放。包括：①开发一种使用质子传导氧化膜（POM）的低温电解槽，与目前的商用聚合物电解质膜（PEM）电解槽相比，具有实现电流密度和效率阶梯变化的潜力。可以在电流密度高于传统PEM电解槽的情况下实现高效的低温水电解。②开发变革性的自热式氧化还原脱氢（RDH）技术，在模块化包装床中灵活地生产各种烯烃，验证RDH技术的可行性和经济性。③使用增材制造技术为化学反应器打印3D陶瓷组件，该反应器能够将CO2转化为一种航空燃料。
11、交通运输网络
把人工智能与多尺度模拟和实时控制结合起来，创建一个名为AutonomIA交通管理系统，该系统可以减少交通拥堵，提高能源效率，并减少区域交通系统的CO2。
12、交通运输储能技术研究
包括：①研发镁负极代替锂负极，用有机材料代替过渡金属正极，这种替代方式可以增强国家能源供应链的安全。②开发一种新型电池隔膜，可以有效防止枝晶的形成。③开发由纤维素离子导体组成新型电解质，在此基础上设计开发快速充电电池。
13、交通工具研究
（1）高性能电动交通工具相关研究。包括：①开发新型磁体，以提高磁体的运行能量密度，提高电机效率。②开发一种高功率密度的电机，以开发出功率高达10兆瓦及以上的电动飞机推进系统。③开发一个自动、电池驱动的轨道车辆运输系统，并带有一个先进的测试程序。该新型运输系统将使终端变得更小、更清洁，为新型、清洁的货物运输开辟道路。④为电动飞机开发超轻、高效的直流-直流（DC-DC）电源转换器，以减少温室气体排放量，同时减少全国机场的噪音污染。
（2）利用轻量化材料开发设计更加先进的车辆架构。开发一种新的复合材料成形路线，即复合架构材料加工（CAMP），以提供一种快速经济的复合材料轻量化车辆架构制造过程，从而实现大批量成本效益、轻量化和节能的汽车结构组件生产制造。
（3）高效的氢动力涡轮发动机开发。为商用航空设计一种新颖、高效的氢动力涡轮机，减少CO2以及氮氧化物（NOx）排放。
（4）改进催化剂设计，减少化学工业中的温室气体排放。设计新的化学催化剂，以减少能源的使用和大量化学反应产生的碳足迹。
编者按：ARPA-E除了设立特定领域主题研究计划外，还每三年开展一次开放式项目招标计划。OPEN招标计划于2009年推出，旨在支持非共识探索研究和机会型探索研究，避免遗漏在主题研究领域之外的创新思想。2009年第一轮开放式招标（OPEN 2009）资助了1.67亿美元，2012年第二轮（OPEN 2012）资助了1.3亿美元，2015年第三轮（OPEN 2015）资助了1.25亿美元，2018年第四轮（OPEN 2018）资助了1.99亿美元。
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