基础研究的联邦资金如何刺激清洁能源发现世界需求 ： 八个案例研究

基础研究的联邦资金如何刺激清洁能源发现世界需求 ：八个案例研究 desireSOLOMON|2024年3月 我们需要清洁能源技术的新突破来应对气候变化。核聚变和生物燃料等领域的最新发现表明，政府对早期研究的投资是该过程的关键部分。 KEYTKEAWAYS 在全球范围内应对气候变化将需要广泛的清洁能源技术，这些技术与肮脏的能源一样便宜有效。但是，世界距离开发我们需要的所有清洁技术还有很长的路要走。 政策制定者在很大程度上忽视了大学早期气候技术研究的资金，因为倡导者呼吁采取政策迫使市场采用现在可用的清洁能源解决方案。这需要改变。 尽管基于大学的清洁能源研究取得了突破，但成本和其他障碍继续阻碍着实现市场准备创新的途径。 优先为基础研究项目提供资金的政策正在增强国家的创新能力，因此正在促进长期经济增长。 itif.org CONTENTS Introduction2 挑战3 方法4 案例研究4 案例1：硅是扩大锂电池电源的关键吗？4 案例2：受控核聚变能5 案例3：用于生物燃料提取的小麦秸秆6 案例4：防氢燃烧发动机7 案例5：可持续航空燃料的工厂问题8 案例6：太阳能到氢气的转化10 案例7：每降更多功率，雨板技术的发展11 案例8:收获未利用的能源:透明太阳能电池板12 分析13 政策建议13 结论14 尾注15 INTRODUCTION 应对气候变化迫在眉睫，这就是为什么这么多活动家，专家和民选官员主张现在采取行动，禁止化石燃料，补贴或强制生产或消费更昂贵的清洁能源替代品，并改变个人行为。他们还认为，如果我们只是鼓起使用它的政治意愿，我们将拥有解决气候变化所需的所有技术。 然而，全球变暖是全球性的，因此解决方案必须能够在全球范围内扩展-不仅在有能力为清洁能源支付更多费用的富裕国家，而且在不能也不会的发展中国家。因此，经济现实要求清洁能源技术必须与肮脏能源达到价格和性能平价（P3）。在这一点上，市场力量可以作为推动全球范围内快速脱碳的杠杆。但我们距离实现全球经济每个部门脱碳所必需的广泛技术的P3还有很长的路要走。1与此同时，强制向更昂贵或更低效的清洁能源技术过渡根本行不通。 相反，要达到P3将需要科学和工程研究的艰苦工作，其中大部分仍然是非常基础的或处于早期阶段。然而，政策制定者在很大程度上忽视了大学早期气候技术研究的资金，因为倡导者呼吁制定政策，迫使市场采用目前可用的清洁能源解决方案。这需要改变。现实情况是，如果我们想有效地应对气候变化，我们别无选择，只能开发新的清洁能源突破。我们不能希望存在聚变能源，廉价的电网规模存储或负担得起的绿色氢。 但好消息是，当政府提供资金支持基础研究时，新的清洁能源突破是可以实现的。这份报告提供了最近政府对大学领导的高风险、高回报的清洁能源技术项目的支持样本。 THECHALLENGE 不幸的是，由于“立即采取行动”的压力，美国联邦政府的能源预算很少用于研究，更不用说用于早期的大学研究了。相反，大部分用于税收支出-随着税收支出沉重的通货膨胀减少法案（IRA）计划，这一份额将进一步下降。见图1。 图1：2016-2022财年按类型划分的联邦可再生能源支出2 $20B $18B $16B $14B $12B $10B $8B 研究与开发直接支出税收支出 $6B $4B $2B $0 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 尽管ARPA-E（高级研究计划局-能源）等组织在资助研究方面发挥着关键作用，但他们资助的大部分资金都是在技术准备水平（TRL）3至6。这很重要，但我们不能忽视TRL1和TRL2（观察到的基本原理；技术概念，制定的应用或两者兼有；以及分析和实验功能）。大学在这些阶段发挥着关键作用。 方法 这一系列案例研究包括8项清洁能源创新；6项在美国大学进行，2项在国外完成，全部由其国家政府资助 。 这些案例研究是在调查了一系列潜在的清洁能源突破并优先考虑那些接受政府投资并由大学研究项目进行的研究之后选择的。一旦满足这些标准，我们就确保对各种能源解决方案进行抽样，以涵盖电力存储和能源等广泛类别 。在这些类别中，选择了案例研究来涵盖生物燃料，太阳能，核能，氢气，水力发电和电力存储设备。 通过观察性研究对个别案例研究进行了调查。我们调查了有关创新研究结果的技术报告，并对每项创新的挑战进行了补充背景研究，以实现可扩展性。除了分析这些项目的技术发展之外，还对这些创新项目的主要研究人员进行了补充访谈，以确定在研究阶段之外实现可扩展的商业化创新方面是否存在差距。我们评估了联邦清洁能源政策和投资，以确定拨款规则和里程碑要求。 案例研究 案例1：硅是扩大锂电池电源的关键吗？ 锂电池是当今许多电动汽车和电气设备的主要电源。由于其成本效率、可接近性和高能量密度,石墨通常是这些 电池中使用的电极或导体。但是，如果电动汽车（EV）要在全球范围内取代内燃机，我们将需要具有更长的电池寿命和更高的能源效率的电池，这些电池可以与内燃机的行驶里程竞争。根据美国能源部（DOE）最近的估计，2021年车型的电动汽车的平均行驶里程约为汽油动力汽车的60％。在最近的电化学研究中，硅已经成为一种潜在的解决方案。莱斯大学最近的研究表明，硅可以比石墨包装更多的锂离子，并提高阳极能量密度 ，从而提高能源效率。 莱斯大学的研究人员尝试用稳定的锂金属粒子（SLMP）涂覆硅阳极，以扩大电池功率，并开创了一个潜在的变革性发现。研究人员发现，涂覆硅阳极和提高电池效率之间存在正相关关系。此外，他们确定使用更多的SLMP涂层，电池的效率越来越高。根据美国能源部的估计，电动汽车每充电周期从110英里持续到300英里以 上。莱斯大学的这项技术允许电池功率增加22％至44％，这可以提高电气设备和车辆的使用和可靠性，实现更快的充电时间和提高电池寿命，以及其他好处。 研究人员在评估这一过程时发现的一个挑战是，虽然应用SLMP创造了更快速充电的化学环境，但当充电到100%时，电池在以后的循环中往往会更快地褪色。随着时间的推移，预计电池将失去保持完全充电的能力，但是以这种方式涂覆阳极会导致电池具有输送能力的能量质量更快地下降。虽然硅是领先的。 解决石墨无法填补的空白，它有其独特的挑战。硅形成固体-电解质中间相并且随着时间消耗电池单元内的锂。硅-锂电池的配对和SLMP涂层的改进工艺，确保锂的保留和电池效率随着时间的推移，可能是朝着能源效率和提高电动汽车容量的道路上的一个变革性步骤。 由于锂离子电池的广泛使用，能源效率的成功进步将相对容易商业化。这项创新仍处于概念开发阶段。研究人员必须解决后续充电后电池退化的额外挑战，以获得传统电力存储单元的P3。 这是由福特研究公司和国家科学基金会（NSF）资助的，NSF的资助金额超过980万美元。 案例2：受控核聚变能 核聚变是实现清洁能源目标的潜在能源解决方案。它是一种零碳能源，通过加热等离子体和原子核融合在一起 的自然相互作用，在太阳和恒星内自然发生，从而产生能量。根据国际原子能机构（IAEA）的研究，“如果核聚变能够以工业规模在地球上复制，它可以提供几乎无限的清洁，安全和负担得起的能源，以满足世界需求 。“6此外，根据美国能源部的估计，一辆装满聚变燃料的皮卡车的能量相当于200万吨煤炭或1000万桶石油 。 科学家通过托卡马克复制天体动力源。托卡马克是一个核聚变反应堆，被认为是实现全球聚变能源科学抱负和清洁能源多样化的主要候选者。托卡马克装置的目的是通过托卡马克装置的开发来推进核聚变科学，并研究未来聚变发电厂商业化的能源培养结果。根据DOE的说法，托卡马克是未来聚变发电厂的领先等离子体精炼概念 。一个国家联盟已经合作开发了法国南部第一个也是最大的国际托卡马克，称为国际热核实验反应堆（ITER ）。发展伙伴包括中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、瑞士、美国和英国。 根据DOE的估计，“ITER中央[磁铁]将是有史以来建造的最大的超导磁体。它将产生13特斯拉的磁场，相当于地球磁场的28万倍。”8ITER将打破几项聚变能研究记录，因为磁场越大，能量输出越大。 聚变能源科学需要核工程师，物理学家和计算机科学家的共同努力。在托卡马克设备开发和融合电源测试中，机器学习技术用于训练托卡马克发电机，以识别潜在的中断并进行调整以防止其发生。然而，根据华中科技大学的核聚变研究，“[这些反应堆]无法以高性能提供足够的未缓解的破坏数据，以在损坏自身之前训练预测因子。“9这些破坏在聚变过程中导致温度急剧下降，导致一种称为“失控电子”的现象。“这些失控的电子破坏了等离子体约束，导致能量损失和托卡马克机器的损坏。仅进行了有限的核聚变研究来应对这一挑战。 普林斯顿大学等离子体物理实验室(PPL)的研究人员已经确定了一种突破性的方法来减轻能量损失和随后对托卡马克机器的损坏。研究人员研究了Alfvé波，已知这种波可以放松高能粒子的限制。通过研究这些波，PPL核物理学家发现，通过Alfvé波松开电子键可以防止大量电子损失。根据PPL的报告，“科学家们发现，这种松动可以扩散或散射高能电子，然后再生长成雪崩，破坏托卡马克组件。“这些循环相互作用控制失控的电子，防止能量损失的雪崩。随着研究中心复制PPL缓解过程，这些发现和影响将改变托卡马克的发展和研究。这一核聚变能源科学突破可以进一步推进ITER在法国的目标，法国正在建造一座国际托卡马克-有史以来最大的核聚变发电厂。 从历史上看，核能一直是美国公众中最具争议的能源之一；然而，公众舆论似乎正在转危为安。根据BiscotiResearch进行的全国核能民意调查，超过75％的美国人支持核能。11白宫科学和技术政策办公室发表声明，指出国家科学院，工程和医学以及聚变能源科学咨询委员会建议政府继续严格支持核聚变能源的研究，开发和示范（RD＆D）计划。解决劳动力，供应链以及监管和市场发展中的关键挑战将是将核聚变能源推向P3的核心 。由于需要进行大规模的系统性调整以实现该技术的商业化，拜登政府倾向于采用双重处理框架，其中，在创新发展的同时，利益相关者召集起来制定必要的劳动力培训，监管措施和供应链，以确保能源一体化将促进美国经济。 核电在美国能源战略中发挥着独特的作用，强烈的支持者敦促该能源可以与可再生能源整合一起充当风险降低剂 。根据原子能机构的一份报告，潜在的核能一体化包括电力生产和能源储存。报告指出，“而不是美国S.在2050年之前维持石油流动所需的25万亿美元，清洁能源替代燃料将花费美国S.17万亿美元。这些估计与美国进一步形成对比S.70万亿美元用于仅可再生能源战略。“通过必要的监管、劳动力和市场准备，裂变能源将成为一项成功的研究突破，推进美国S.商业化的能源目标。该项目由美国能源部位于普林斯顿PPL的科学技术办公室资助。S.美国能源部国家实验室由普林斯顿大学管理。 案例3：用于生物燃料提取的小麦秸秆 研究人员正在寻找生物燃料作为化石燃料的替代品。生物燃料从可再生的生物来源如植物或藻类中提取,并以液 体形式使用。木质素存在于大多数植物中，是一种由大分子或聚合物簇组成的物质，这些分子或聚合物容纳植物从环境中捕获的二氧化碳。木质素是地球上最丰富的可再生碳源之一,作为通过光合作用定期再生二氧化碳的生物碳,并且是地球上第二丰富的可再生碳源。它是一种特别有吸引力的生物燃料，因为在电池中使用木质素可以降低成本并提高效率。 木质素先前已被探索作为生物燃料的潜在来源;然而,由于在保持其结构完整性的同时将物质与植物物质分离的挑战,它并不是工业用途的有吸引力的燃料资源。华盛顿州立大学LidaVoilad化学工程与生物工程学院的研究人员开发了一种新颖的提取方法，该方法可以从植物物质中化学分离木质素，而不会破坏其关键特性或自然结构。华盛顿大学的报告指出，“直到。 在90摄氏度至145摄氏度的不同条件下，从小麦秸秆生物质中提取了93.7％的木质素。“13这项研究建立了一种首次从整体上