未來的能源將會是綠色的

作者：Alix Paultre，特約編輯

能源開發(fā)是一項棘手的業(yè)務，從生產(chǎn)物流到政治等因素都使其復雜化。由于巨大的基礎(chǔ)設(shè)施投資和現(xiàn)代電力需求的關(guān)鍵、生死攸關(guān)的性質(zhì)，能源行業(yè)不易受到變化的影響，更有能力與之抗爭。但是，隨著社會從基于化石的能源向“綠色”、低足跡能源生產(chǎn)系統(tǒng)遷移，目前正在發(fā)生動態(tài)和顛覆性的變化。

即使是巨大的國際、數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)通過顛覆性變革解體也不是什么新鮮事。除了馬車和馬車鞭子的古老比喻之外，一個很好的例子就是電影的消失。

曾幾何時，從牙科 X 光片到出版再到 IC 制造，所有事情都是由鍍銀塑料片完成的。1999 年，僅柯達（不要不尊重富士和愛克發(fā)）就以近 200 億美元的收入實現(xiàn)了 25 億美元的利潤，并在全球雇用了 145,000 多名工人。今天，電影市場——以及數(shù)百家參與其中的公司和數(shù)百家支持它的公司——已經(jīng)消失了。

今天的能源生產(chǎn)也可能發(fā)生同樣的情況。不僅我們產(chǎn)生能量的方式，而且我們使用它的方式，都在發(fā)生根本性的變化。在一個典型的現(xiàn)代家庭中，十幾個基于 LED 的燈總共比幾個舊的白熾燈消耗的能源更少，冰箱和其他家用電器中的智能運動系統(tǒng)同樣可以顯著降低電力消耗。

智能嵌入式系統(tǒng)和先進的替代能源技術(shù)相輔相成，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，平衡各自的弱點。從更好的風力渦輪機和太陽能電池到智能電網(wǎng)管理和墻上的智能恒溫器，我們制造和獲取能源的方式正在走向綠色。

核能首先，讓我們弄清楚我們的定義。出于本文的目的，我們將認為遺留的基于裂變的核電由于產(chǎn)生的廢物而不是綠色的。即使廢物沒有毒性，基于裂變的能量產(chǎn)生的廢物會帶來昂貴的處置和儲存問題，這一事實也將其排除在考慮范圍之外。

融合并非如此。40 多年來，人們一直在吹捧融合僅 20 年，但更新的技術(shù)和改進的技術(shù)正在取得重要進展。最顯著的例子是馬克斯普朗克等離子體物理研究所（IPP；德國格賴夫斯瓦爾德）的 Wendelstein 7-X 聚變項目取得的進展。

去年，Wendelstein 7-X 仿星器型聚變反應堆實施了幾項重大升級，該反應堆自 2015 年開始運行。這些改進包括新的加熱和測量系統(tǒng)以及安裝 8,000 多塊石墨墻磚在較高溫度下保護容器壁，使結(jié)構(gòu)能夠承受長達 10 秒的等離子體放電。這很重要，因為它表明聚變研究已經(jīng)超越了僅僅幾分之一秒的事件。

德國突破的一個方面是仿星器管理其磁場的方式。該裝置通過使用轉(zhuǎn)向器或連接到等離子體容器壁上的傾斜面板來對齊和管理安全殼的滾動邊界，從而避免了傳統(tǒng)托卡馬克反應堆的傳統(tǒng)缺點。分流器通過提高等離子體的純度和密度來幫助保護容器壁。

該項目計劃實現(xiàn)長達 30 分鐘的排放，并最終實現(xiàn)連續(xù)運行，可能通過另一種先進的容器設(shè)計。

電動汽車雖然所有的嗡嗡聲都圍繞著電動汽車的電池壽命，但真正的進步——以及大多數(shù)進步將實現(xiàn)的地方——是在車輛內(nèi)部和外部的電力電子領(lǐng)域。在內(nèi)部，開發(fā)人員正在努力通過更好的傳動系統(tǒng)電子設(shè)備來改善電源管理。改進的電機控制；和先進的材料，從引擎蓋下的寬帶隙半導體到車身中的下一代輕質(zhì)復合材料（當然是硬殼式）。

在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，對于電動汽車市場的滲透，沒有什么比快速充電更重要（為什么不再有人說“充電”了？），因為它不僅使人們能夠以“正常”站點的合理預期出行- 打破時間，但也減輕了電池尺寸問題。如果您可以在 15 分鐘內(nèi)在舒適地位于您的 EV 行駛范圍內(nèi)的站點“填充”您的 EV，那么任何關(guān)于化石燃料汽車的爭論都歸結(jié)為對所產(chǎn)生噪音的音量和質(zhì)量的發(fā)自內(nèi)心的滿足。

在歐洲，由能源公司、汽車制造商、汽車供應商和公共機構(gòu)組成的 Ultra-E 項目正在通過歐盟國家開發(fā)快速充電走廊，以鼓勵電動汽車的開發(fā)和采用，作為歐盟連接歐洲倡議的一部分。 2 )。這些設(shè)施將彼此相隔120公里至不超過150公里。

第一個站點于 2017 年 12 月啟用。四個 Ultra-E 快速充電器安裝在德國美因河畔法蘭克福附近的小鎮(zhèn) Kleinostheim，靠近 A3 高速公路的阿沙芬堡-西出口。今年春天，四個容量為 175 千瓦的充電站中的兩個將升級到 350 千瓦，以實現(xiàn)更快的充電速度，并將為小型電動汽車和電動自行車增加一個額外的、多標準兼容的 50 千瓦充電器。最終，該網(wǎng)絡將擁有 25 個多層快速充電站：德國 12 個，荷蘭 5 個，奧地利 4 個，比利時 4 個。

更智能的電網(wǎng) 能源電網(wǎng)不斷發(fā)展，變得更加智能、靈活和可靠?，F(xiàn)代能源系統(tǒng)必須考慮多種來源、無數(shù)負載和法規(guī)網(wǎng)絡。智能電網(wǎng)技術(shù)任何方面的改進都會非常積極地推動球向前發(fā)展，因為這個行業(yè)高度受價格驅(qū)動，而綠色在具有成本效益時最為成功。

電網(wǎng)存儲是一個熱門問題，因為它是管理太陽能和風能等替代能源所需的核心基礎(chǔ)設(shè)施（地熱足夠一致，此處不予考慮）。如果多余的能源不能在需要的時候轉(zhuǎn)移到需要的地方，那么綠色能源的論點就弱得多。

除了特斯拉在波多黎各和澳大利亞的微電網(wǎng)存儲工作取得了非常公開的成功之外，值得注意的解決方案包括普渡大學研究人員開發(fā)的一項技術(shù)，該技術(shù)旨在改進回流電池，同時使其更具成本效益和環(huán)保。這一發(fā)展承諾將產(chǎn)生超越電網(wǎng)存儲的影響，因為它將為電動和混合動力汽車的充電提供一種替代方案，該過程與今天的汽油管理非常相似。

該團隊由普渡大學地球、大氣和行星科學杰出教授兼數(shù)學教授 John Cushman 領(lǐng)導，他與人共同創(chuàng)立了一家名為 Ifbattery（IF-battery）的公司，以將該技術(shù)商業(yè)化。Ifbattery將通過用新鮮液體替換用過的液體電解質(zhì)來為電動或混合動力汽車充電，這種方式不僅對用戶來說很熟悉，而且在容量和放置方面對車輛設(shè)計者來說也是靈活的。然后，用過的電解液將被回收、充電和重復使用，進一步減少電池對生態(tài)的影響。

另一個優(yōu)勢是能夠使用現(xiàn)有的地下管道、泵送和零售系統(tǒng)，簡化采用并減少服務方面的行業(yè)阻力，因為現(xiàn)有供應商將在新技術(shù)中發(fā)揮不可或缺的作用。

Ifbattery 的無膜結(jié)構(gòu)是其成本效益的核心，并消除了與膜污染相關(guān)的問題。此外，無毒電解質(zhì)擴大了溶液的應用范圍，從家庭到車輛再到工廠。

電動汽車雖然所有的目光都集中在消費汽車上，但采用電動汽車的真正市場（和最初的戰(zhàn)場）將是車隊車輛，其中卡車在最近的新聞中最為突出。與長途越野司機的流行形象相反，許多卡車交通是在站點之間相對較短的固定路線上進行的。長期以來在設(shè)施和校園內(nèi)用于貨物或人員流動的電動卡車和公共汽車終于到來了。

這不僅僅是圍繞特斯拉的半成品的嗡嗡聲，去年大張旗鼓地宣布并有大量的預購訂單。盡管該公告確實具有歷史意義，標志著電動卡車首次進入主流（請原諒雙關(guān)語），但特斯拉的客戶將等待長達兩年的時間才能交付承諾的車輛。

其他懸而未決的部署包括初創(chuàng)公司 Proterra 向洛杉磯交通部提供 25 輛電池公交車的合同，以及洛杉磯縣大都會交通管理局最近從 New Flyer 訂購的電動公交車。與此同時，來自中國比亞迪的電動卡車正在加利福尼亞港口部署。

但大規(guī)模電動卡車商業(yè)化的典型代表無疑是梅賽德斯，其車輛于去年 2 月開始發(fā)貨，現(xiàn)在已經(jīng)上街。梅賽德斯-奔馳電動卡車在各個方面都與類似的內(nèi)燃機驅(qū)動卡車相媲美，甚至在重量上也是如此。三軸車輛的允許總重量為 26 噸，并有一個電動后軸，電機靠近輪轂，最大輸出功率為 125 千瓦，每側(cè)扭矩為 500 牛頓米。

鋰離子電池組的容量為 212 kWh，續(xù)航里程可達 200 公里，具有預測充電管理、主動預測動力總成控制和其他能源管理系統(tǒng)，可確保最高效率?？ㄜ囘€使用了一種名為 FleetBoard for Urban Distribution 的新型解決方案，該解決方案將遠程信息處理系統(tǒng)與驅(qū)動控制連接起來，以實現(xiàn)靈活調(diào)度，確保最佳車隊利用率。

合成燃料無論電動汽車有多好，都會有客戶和應用需要某種類型的基于燃料的車輛解決方案來服務于電動汽車不是解決問題的最佳方式或物流嚴重限制外部支持的情況。雖然回流電池和燃料電池可能能夠解決這些問題，但合成燃料可以做到這一點，同時還幾乎 100% 與現(xiàn)有的燃料、儲存、運輸和零售基礎(chǔ)設(shè)施兼容。

?？松梨诤?Synthetic Genomics 最近宣布通過將一種藻類菌株Nannochloropsis gaditana修飾為超過兩倍的油表達量而沒有重大副作用，實現(xiàn)了先進生物燃料的突破。使用基因開關(guān)來調(diào)節(jié)碳到油的轉(zhuǎn)化，將藻類的油含量從 20% 提高到 40% 以上，同時維持藻類的生長。

該開發(fā)解決了長期存在的批量生物燃料生產(chǎn)的成本效益問題。限制氮等營養(yǎng)物質(zhì)可以增加藻類的產(chǎn)油量，但會以光合作用為代價，對藻類生長產(chǎn)生負面影響。在增加油含量的同時保持生長將使基于藻類的燃料優(yōu)于傳統(tǒng)的生物燃料，因為該原料在鹽水和惡劣的環(huán)境條件下茁壯成長。除了能夠使用現(xiàn)有的運輸和儲存基礎(chǔ)設(shè)施之外，來自藻類的燃料可以在現(xiàn)有的煉油廠中進行加工，幾乎不需要修改，產(chǎn)生的氣體對用戶來說與現(xiàn)有的基于化石的產(chǎn)品沒有什么不同。

展望今年無疑將帶來有趣的發(fā)展、不可預見的事件、酷炫的技術(shù)和顛覆性的公告。尋找來自常見嫌疑人（電動汽車、智能電網(wǎng)和消費產(chǎn)品）的消息，但也要對擾亂蘋果車并使每個人（甚至我的）預測毫無意義的發(fā)展持開放態(tài)度。

審核編輯 黃昊宇