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推廣——不僅在有能力為清潔能源支付更多費用的發達國家，也在不能且不愿支付更多費用的發展中國家。因此，經濟現實決定了只有清潔能源技術達到與污染能源技術同等的價格和性能，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研究，新的清潔能源技術是可以實現突破的。以下是近期大學主導的高風險、高回報清潔能源技術項目案例。

01擴大鋰電池功率的硅

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

鋰電池是當今許多電動汽車和電氣設備的主要電源。由于石墨具有低成本、易獲得和高能量密度等優點，通常作為鋰電池中使用的電極或導體。但是，如果電動汽車要在全球范圍內取代內燃機，我們將需要具有更長電池壽命和更高能源效率的電池。在最近的電化學研究中，硅成為一種潛在的解決方案。萊斯大學最近的研究表明，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。

萊斯大學的研究人員嘗試用穩定的鋰金屬顆粒涂覆硅陽極來擴大電池功率，并開創了潛在的變革性發現。這項技術可將電池電量增加22％至44％，這將改善車輛的可靠性，實現更快充電，并延長電池壽命。

但這項創新仍處于概念開發階段，研究人員還須解決后續充電后電池損耗的挑戰，以達到傳統電力存儲單元的水平。

02可控核聚變能源

核聚變是實現清潔能源目標的潛在能源解決方案，且是一種零碳能源。根據國際原子能機構的研究，核聚變如能以工業規模在地球上復制，則可提供幾乎無限的清潔、安全和廉價的能源。據美國能源部估計，一輛裝滿聚變燃料皮卡車的能量，相當于200萬公噸煤炭或1000萬桶石油。

科學家正通過托卡馬克（又稱環磁機）復制天體能源。托卡馬克是一種核聚變反應堆，被認為是實現全球聚變能源愿景和清潔能源多樣化的主要候選者。據美國能源部稱，托卡馬克是未來核聚變發電廠的等離子體精煉概念。國際熱核實驗反應堆（ITER，國際科技合作計劃）已在法國南部合作開發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”國際熱核聚變實驗堆（ITER）與中核集團中核工程牽頭的中法聯合體，簽署真空室模塊組裝合同。這是中國在成功安裝其心臟設備后，再次承擔其核心設備的安裝任務

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

03木質素

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，由于要在保持結構完整性的前提，將該物質從植物中分離出來難度很高，它一直不是工業用途有吸引力的選擇。華盛頓州立大學Linda Voiland化學工程和生物工程學院的研究人員，開發了新的提取方法，可以從植物中化學分離木質素，而不損害其關鍵特性和自然結構。這項研究首次建立了全面提取木質素的方法，標志著生物燃料研究的突破。

圖3  木質素 “植物骨架”

該大學的商業化辦公室已申請臨時專利，并將支持這種生物燃料開發的規模化和商業化。根據阿貢國家實驗室的研究：“生物燃料與先進的發動機設計相結合，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。”研究還發現，生物燃料與當前的石油燃料相比具有成本競爭力。

04防氫內燃發動機

清潔氫動力可實現能源安全和清潔能源目標，但清潔氫的生產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  國產氫內燃機

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

在可供消費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，燃燒利用熱量產生機械能，而氫燃料電池則通過電化學過程產生能量。

然而，氫燃燒面臨著嚴峻的挑戰，因為燃燒過程會降低發動機的內部機械性能。防氫發動機對于氫燃燒發動機的商業化至關重要。南加州大學正在開發耐氫發動機的工藝。該過程需要在發動機內噴涂熱障涂層，以防止發動機內部受到氫氣燃燒時的腐蝕。

防氫發動機研究仍在進行中，并且仍處于開發的初級階段，該技術的商業化仍有待觀察。隨著氫氣制造工藝的完善，以及使用清潔能源生產氫氣，成本預計會下降，并且與傳統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技術，進一步鞏固了氫在能源多樣化中的作用。

05植物生產的可持續航空燃料

圖5  正在為飛機加注可持續航空燃料的工程車

麻省理工學院能源計劃的南西 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，當今的電池無法與化石燃料衍生的液態碳氫化合物競爭。”

國際能源署數據顯示，2022年，航空業排放的二氧化碳占全球能源相關二氧化碳的2%。到2050年，航空燃油消耗量預計將增加一倍。將清潔能源技術融入航空領域遇到了許多挑戰。航空燃料受到嚴格監管，噴氣燃料的標準化需要認證資格。電化學家面臨著一系列獨特的挑戰，包括精心設計適當的化合物組合，以生產出不會因海拔、溫度或壓力變化而凍結的燃料。此外，優質燃料也能夠保障飛機燃料系統部件具備良好的密封性。

麻省理工學院能源辦公室和能源部生物能源技術辦公室的研究人員，發明了從植物中生產生物航空燃料的新方法。在木質素的工藝基礎上，利用催化劑來產生新的化學反應，從而生產木質素油。

該團隊已將樣本發送到華盛頓州立大學進行進一步測試。由于航空燃油測試的嚴格控制要求，全面認證所需的額外測試包括實驗室發動機模擬在內的幾個階段。

06太陽能到氫氣的轉換

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

該研究由萊斯大學和美國國家可再生能源實驗室進行。然而，氫價格昂貴、運輸困難，后續還需要更有針對性的研究和開發來加速氫的長期儲存。

07太陽能到氫氣的轉換

水力發電已成為全球推動可持續能源解決方案的主要戰略。根據國際能源署的分析，水力發電仍是最大的可再生電力來源，發電量超過所有其他可再生能源技術的總和。雨滴發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電機（D-TENG）收集，將雨滴的運動轉化為能量。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合能量，有可能成為具有成本效益且可持續的能源。然而，提高這一過程的能源效率遇到了挑戰。

圖6  雨能發電示意圖

組合雨電池是仿照太陽能電池建模的。當雨滴集電單元組合時，會出現耦合電容，其中功率會損失。中國清華大學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用的現實。

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

08透明太陽能電池板

全球公用事業和住宅用途中，太陽能的使用正在不斷增加。根據能源信息署的報告，到2022年，21%的發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化為電能的成功案例。

根據預測，美國太陽能發電容量將從2022年的45%增加到2024年的62%。美國太陽能產業協會報告顯示，目前美國太陽能裝機容量為162.8吉瓦（GW），近27.5萬名美國人在太陽能行業工作，共安裝了超過460萬個太陽能系統。據預測，2022年全球太陽能光伏產能較2021年增長70%以上，多晶硅產能達到450吉瓦，組件產能達到640吉瓦，其中，中國占整個供應鏈新增產能的95%以上。中國在太陽能電池板制造和供應鏈控制方面，仍處于全球領先地位。

對太陽能的一個批評是其視覺障礙和缺乏美觀品質。而透明太陽能電池解決了這些問題。日本仙臺東北大學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，可應用于建筑物和汽車窗戶，以及無數的電氣設備。

圖7  戶外運動品牌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，該技術將不再局限于屋頂和太陽能發電場。這項創新并非同類首創。2021年，密歇根州立大學與Ubiquitous Energy合作設計了太陽能電池板窗戶。相關研究報告稱，“透明太陽能玻璃極大地擴展了太陽能發電的選擇，并改變了我們對發電的看法。美學和可再生能源之間不再需要權衡。”

考慮到價格和性能等，這項技術可對全球能源結構產生有意義的影響。研究人員承認，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，并需要進行額外的設計調整才能擴大該項目的規模。

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

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

來源：美國信息技術和創新基金會

圖片來源：互聯網