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近日，美國能源部先進能源研究計劃署（ARPA-E）宣布最新一期的OPEN2021開放招標(biāo)計劃，資助1.75億美元支持國家實驗室、高校和企業(yè)協(xié)同開展具有潛在顛覆性影響的變革性清潔能源技術(shù)研發(fā)，確保美國在未來綠色能源技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)地位，同時助力美國2050年實現(xiàn)凈零排放目標(biāo)。本次資助主要聚焦十三大主題領(lǐng)域，具體內(nèi)容如下：

1、建筑能效

研究新型基于氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體的直接發(fā)射綠光的發(fā)光二極管（LED），以加速固態(tài)照明（SSL）光源的使用和普及。與非固態(tài)照明相比，可以減少約25%與照明相關(guān)的溫室氣體排放。到2035年，向SSL過渡可以使美國能源相關(guān)溫室氣體排放比非SSL減少55%。

2、分布式能源

設(shè)計和建造一個能夠利用可再生能源直接將煙道氣中的CO2電催化還原為高價值化學(xué)品（如乙醇、丙醇等）的高性能反應(yīng)裝置，以實現(xiàn)綠色高效減排。

3、提高電力電子器件和設(shè)備效率

包括：①開發(fā)一種突破性的無線充電系統(tǒng)，用于電動汽車的靜態(tài)和動態(tài)充電，以大幅減少對昂貴和笨重的車載電池需求，提高續(xù)航里程，并加速電動汽車的普及。②開發(fā)基于GaN的二極管和晶體管的新一代電力電子產(chǎn)品，其性能將大大超過目前的電力電子器件。③研究通過增材制造技術(shù)制造具有網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的非晶金屬氧化物軟磁復(fù)合材料（SMC），從而降低成本，減少材料浪費。④為電力電子模塊開發(fā)3D打印陶瓷封裝，以改善其熱管理、功率密度、性能和壽命。⑤為數(shù)據(jù)中心開發(fā)一種節(jié)能的兩相冷卻系統(tǒng)，以減少冷卻能耗并減少用水。⑥開發(fā)一種高性能冷卻板，其帶有一個螺旋擾流器，可以將換熱速率提高3倍，從而提高數(shù)據(jù)中心未來服務(wù)器的能源效率。⑦開發(fā)一種高效、資源節(jié)約的熱能設(shè)備，它將同時提高服務(wù)器冷卻能源效率，并提供可直接用于建筑供暖與制冷的高質(zhì)量熱能。⑧開發(fā)能量高達數(shù)十兆電子伏特的氮化硼快中子探測器（FND），用于反應(yīng)堆高溫高輻照的極端環(huán)境中直接監(jiān)測反應(yīng)堆和燃料狀態(tài)，該技術(shù)也有潛力取代目前在地?zé)岷蜏y井工具中使用的氦-3氣體管中子探測器。

4、發(fā)電

（1）核能利用的相關(guān)技術(shù)改進和材料研究。包括：①利用先進的增材制造技術(shù)開發(fā)一種新型鎢基高熵合金面向等離子體組件（PFC）。②研究利用一種簡單的熔鹽（一種氟化鋰和氟化鈹?shù)幕旌衔铮┓椒ㄔ诰圩冸姀S中增殖氚（T）的可行性。③開展新型的氫硼（硼-11元素）核聚變研究。④利用高能非中子粒子（如光子和質(zhì)子）開發(fā)一種高效經(jīng)濟處理高放長壽命裂變產(chǎn)物（LLFP）嬗變技術(shù)。⑤激光等離子體不穩(wěn)定飽和機制及其抑制方法研究。⑥開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)以高效回收核廢料中高價值的元素可以提高核資源的利用率，減少核廢料的產(chǎn)生，降低燃料成本。

（2）先進燃氣輪機燃燒技術(shù)改進。研究一種新的無焰燃燒法，用于使用氫氣和天然氣混合燃料的先進燃氣輪機。新技術(shù)可以打破目前燃氣輪機因為材料受限而導(dǎo)致的效率上限，使得燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)（GTCC）效率有望達到 67%或更高，同時滿足嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。

（3）海上可再生能源利用的相關(guān)研究。研究如何使海上漂浮式風(fēng)力渦輪機和海洋流體動力系統(tǒng)能夠部署在現(xiàn)有系泊和錨定技術(shù)無法到達或成本過于昂貴的地區(qū)，以降低海上可再生能源的成本。

（4）地?zé)崮芾玫南嚓P(guān)研究。包括：①提出了“電-水力壓裂”（E-HF）技術(shù)用以提高增強型地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS）的發(fā)電效率。該技術(shù)利用高壓電力和少量注水進入更大的裂縫網(wǎng)絡(luò)進行熱回收。與傳統(tǒng)的水力壓裂相比，該技術(shù)通過限制水的使用，可節(jié)約2700億加侖的水，并將提供未開發(fā)的地?zé)崮?。②開發(fā)下一代長時儲熱技術(shù)，實現(xiàn)地?zé)崮芏嗵斓拈L時存儲。此外將開發(fā)一種基于光纖診斷平臺，以優(yōu)化監(jiān)測地下動態(tài)過程。

（5）熔鹽反應(yīng)堆和太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)研究。包括：①開發(fā)一種具有抗蠕變、輻照和耐腐蝕性強的沉淀強化合金，該合金將能夠應(yīng)用于熔鹽反應(yīng)堆（MSR）、氟鹽冷卻高溫反應(yīng)堆（FHR）和聚光太陽能熱發(fā)電（CSP）系統(tǒng)中。②開發(fā)一種耐高溫、耐化學(xué)腐蝕的基于金剛石的微流控阿爾法譜儀，該譜儀能夠在線精確測量液體燃料熔鹽反應(yīng)堆（LF-MSR）燃料中的阿爾法同位素。

5、電網(wǎng)

（1）開發(fā)高比例可再生能源并網(wǎng)下的電網(wǎng)高效穩(wěn)定運營技術(shù)。包括：①開發(fā)一種100千伏的GaN光導(dǎo)半導(dǎo)體開關(guān)取代傳統(tǒng)硅技術(shù)制造的半導(dǎo)體開關(guān)，極大地提高效率并降低成本。②把電力電子的功能優(yōu)勢與高壓電纜的功率密度優(yōu)勢結(jié)合起來，創(chuàng)建一個緊密、一體化的結(jié)構(gòu)，以取代當(dāng)今電網(wǎng)中笨重、不靈活的變電站。③為逆變器主導(dǎo)的電力系統(tǒng)開發(fā)創(chuàng)新的保護方案，提高可再生能源并網(wǎng)比例。

（2）圍繞電網(wǎng)開發(fā)相關(guān)的算法、模型、軟件和控制技術(shù)，優(yōu)化電網(wǎng)運行效能。包括：①利用超導(dǎo)架空和地下輸電線路，在單電壓（10千伏）的情況下，以具有成本效益的方式將大量電力（高達400兆瓦）從發(fā)電站向外輸送。②開發(fā)演示一個結(jié)構(gòu)化的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)/控制協(xié)同設(shè)計流程，從而選擇合適的設(shè)備、綜合控制和通信軟件及硬件架構(gòu)。研究結(jié)果將在模擬環(huán)境中進行驗證。還將開發(fā)和演示一個模塊化彈性微電網(wǎng)控制集成平臺。

6、針對制造業(yè)開發(fā)先進的節(jié)能技術(shù)，提高生產(chǎn)制造過程的能源效率

包括：①開發(fā)一種有潛力的氫等離子體-回轉(zhuǎn)窯零碳煉鋼工藝來替代傳統(tǒng)工業(yè)，該工藝無需使用焦炭或天然氣，所消耗能源比目前的工藝更少，并可能使鋼鐵行業(yè)每年減少超過10億噸碳排放。②開發(fā)一種無表面活性劑多相（MP）成形生產(chǎn)纖維復(fù)合材料產(chǎn)品的技術(shù)，減少生產(chǎn)纖維復(fù)合材料（如紙、紙巾、紙板、非織造布和新型纖維產(chǎn)品）的能耗和碳排放。③開發(fā)一種熔模鑄造技術(shù)，該技術(shù)可能從根本上改變工業(yè)燃氣輪機高價值金屬部件的生產(chǎn)工藝流程，可比現(xiàn)有的鑄造方法節(jié)省90%的能源，同時將生產(chǎn)周期從一年多縮短到三個月以下。④利用電化學(xué)將廢舊產(chǎn)品和低價值礦物轉(zhuǎn)化為有價值的碳中性材料。⑤創(chuàng)建可擴展的用于氨氧化的高熵合金（HEA）催化劑制造工藝，以提高催化活性、選擇性和穩(wěn)定性。⑥利用低成本的可再生電力、垃圾廢棄物原料生產(chǎn)可循環(huán)利用的建筑材料。

7、提高資源利用效率以及碳捕集技術(shù)的研發(fā)以減少碳排放

（1）碳捕集技術(shù)研發(fā)。包括：①使用無碳電力驅(qū)動直接空氣捕集（DAC）或海洋直接捕集（DOC）環(huán)境中的CO2，可減少DAC和DOC的前期投資和運營成本。②設(shè)計、建造并演示一種改造平臺，有效封堵泄漏的廢棄油氣井，顯著減少和防止甲烷排放。③開發(fā)一種利用海水礦化CO2的新型電化學(xué)過程。④開發(fā)一種新型固體吸附劑材料，稱為CO2捕集利用和封存氣凝膠（CACTUS），用于CO2的直接空氣捕集（DAC）。⑤開發(fā)碳封存工藝，使CO2礦化成為碳酸鹽穩(wěn)定地存儲在地質(zhì)地層中。

（2）針對電源系統(tǒng)和新能源研發(fā)能源技術(shù)。包括：①開發(fā)基于GaN的小型脈沖電源系統(tǒng)架構(gòu)，以提高脈沖電源功率密度（電容器尺寸減小10倍）和功率轉(zhuǎn)換器壽命（在175℃以上運行1000小時）。②研發(fā)成本更低且能夠以超快的方式去除移動和固定電氣系統(tǒng)上的冰/雪/霜堆積新技術(shù)，計劃應(yīng)用于光伏電站、熱泵熱交換器、風(fēng)力渦輪機和電動飛機等特別受冰/雪/霜聚集現(xiàn)象影響的領(lǐng)域。

8、儲能技術(shù)研發(fā)

包括：①研究將非活躍的油氣井轉(zhuǎn)換為名為重力井的能源存儲設(shè)備（即以“重力”的形式儲存能量，當(dāng)重物被強大的纜繩和絞車吊在空中時，它們就能儲存大量的勢能。當(dāng)需要這些能量時，它們可以被放下井筒、轉(zhuǎn)動絞車，然后將電能輸送到電網(wǎng)中），以創(chuàng)造一種新的能源存儲解決方案。②開發(fā)一種能夠使用可再生能源的混合電化學(xué)/光催化方法直接產(chǎn)生高壓氫氣（H2）技術(shù)，其在700 bar的壓縮條件下生產(chǎn)氫氣的成本有望低于2美元/千克。③開發(fā)新型的筒管式架構(gòu)鋰電池，該設(shè)計將增加電極材料的厚度，從而存儲超過目前研究的同等尺寸下儲存的能量，以降低每千瓦時能源存儲的總成本。

9、交通運輸中的能量轉(zhuǎn)換相關(guān)技術(shù)研究

包括：①研發(fā)一種全新的固體氧化物燃料電池（SOFC）架構(gòu)，該架構(gòu)可以實現(xiàn)更小體積、更高功率密度，適用于交通運輸應(yīng)用，可以實現(xiàn)快速啟動和長期耐用，解決傳統(tǒng)SOFC的缺點，包括質(zhì)量、體積大、啟動時間長、成本高等問題。②研發(fā)新型磁性和絕緣材料：一種新型復(fù)合磁粉（CMP）材料與陶瓷電泳沉積（EPD）絕緣材料，來改變電動汽車電機的設(shè)計和制造過程。③開發(fā)新型無離子聚合物電極，以實現(xiàn)鉑合金催化劑的超高氧還原反應(yīng)活性，獲得高功率密度聚合物電解質(zhì)膜（PEM）燃料電池。

10、能源生產(chǎn)和脫碳技術(shù)研究

（1）生產(chǎn)生物能源以及生物固碳研究。包括：①開發(fā)新的光合系統(tǒng)，利用太陽能光譜中以前未充分利用光譜（如近紅外波段）來生產(chǎn)太陽能燃料。②開發(fā)首個負碳生物精煉廠，將多種有機廢物原料轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸（VFA）。③開發(fā)一種可擴展的技術(shù)，實現(xiàn)直接從環(huán)境空氣中捕獲CO2并將其轉(zhuǎn)化為丁醇，可以用于航空噴氣燃料。④研究大型藻類快速高產(chǎn)的培育技術(shù)，以實現(xiàn)利用藻類減少碳排放。⑤開發(fā)一種新的生物碳固定途徑，以實現(xiàn)利用更有效的羧化酶來更好地利用CO2。⑥利用植物或相關(guān)細菌對當(dāng)前和未來的合成氮源進行生物固定，每種方法的每種成分都在不同的時間向作物提供氮，并影響能源、產(chǎn)量和排放。⑦開發(fā)一種新技術(shù)，由低成本的無線傳感器陣列組成，用于測量一氧化二氮（N2O）濃度和排放驅(qū)動因素（銨態(tài)氮、硝酸鹽、氧氣、水分、溫度、pH值和反硝化酶）。⑧利用工業(yè)級無人機，演示適用于大型農(nóng)業(yè)用地的高時空分辨率遠程N2O監(jiān)測技術(shù)。

（2）通過其他的可再生方式生產(chǎn)低碳能源或者降低生產(chǎn)工藝中的碳排放。包括：①開發(fā)一種使用質(zhì)子傳導(dǎo)氧化膜（POM）的低溫電解槽，與目前的商用聚合物電解質(zhì)膜（PEM）電解槽相比，具有實現(xiàn)電流密度和效率階梯變化的潛力?？梢栽陔娏髅芏雀哂趥鹘y(tǒng)PEM電解槽的情況下實現(xiàn)高效的低溫水電解。②開發(fā)變革性的自熱式氧化還原脫氫（RDH）技術(shù)，在模塊化包裝床中靈活地生產(chǎn)各種烯烴，驗證RDH技術(shù)的可行性和經(jīng)濟性。③使用增材制造技術(shù)為化學(xué)反應(yīng)器打印3D陶瓷組件，該反應(yīng)器能夠?qū)O2轉(zhuǎn)化為一種航空燃料。

11、交通運輸網(wǎng)絡(luò)

把人工智能與多尺度模擬和實時控制結(jié)合起來，創(chuàng)建一個名為AutonomIA交通管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以減少交通擁堵，提高能源效率，并減少區(qū)域交通系統(tǒng)的CO2。

12、交通運輸儲能技術(shù)研究

包括：①研發(fā)鎂負極代替鋰負極，用有機材料代替過渡金屬正極，這種替代方式可以增強國家能源供應(yīng)鏈的安全。②開發(fā)一種新型電池隔膜，可以有效防止枝晶的形成。③開發(fā)由纖維素離子導(dǎo)體組成新型電解質(zhì)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)快速充電電池。

13、交通工具研究

（1）高性能電動交通工具相關(guān)研究。包括：①開發(fā)新型磁體，以提高磁體的運行能量密度，提高電機效率。②開發(fā)一種高功率密度的電機，以開發(fā)出功率高達10兆瓦及以上的電動飛機推進系統(tǒng)。③開發(fā)一個自動、電池驅(qū)動的軌道車輛運輸系統(tǒng)，并帶有一個先進的測試程序。該新型運輸系統(tǒng)將使終端變得更小、更清潔，為新型、清潔的貨物運輸開辟道路。④為電動飛機開發(fā)超輕、高效的直流-直流（DC-DC）電源轉(zhuǎn)換器，以減少溫室氣體排放量，同時減少全國機場的噪音污染。

（2）利用輕量化材料開發(fā)設(shè)計更加先進的車輛架構(gòu)。開發(fā)一種新的復(fù)合材料成形路線，即復(fù)合架構(gòu)材料加工（CAMP），以提供一種快速經(jīng)濟的復(fù)合材料輕量化車輛架構(gòu)制造過程，從而實現(xiàn)大批量成本效益、輕量化和節(jié)能的汽車結(jié)構(gòu)組件生產(chǎn)制造。

（3）高效的氫動力渦輪發(fā)動機開發(fā)。為商用航空設(shè)計一種新穎、高效的氫動力渦輪機，減少CO2以及氮氧化物（NOx）排放。

（4）改進催化劑設(shè)計，減少化學(xué)工業(yè)中的溫室氣體排放。設(shè)計新的化學(xué)催化劑，以減少能源的使用和大量化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的碳足跡。

編者按：ARPA-E除了設(shè)立特定領(lǐng)域主題研究計劃外，還每三年開展一次開放式項目招標(biāo)計劃。OPEN招標(biāo)計劃于2009年推出，旨在支持非共識探索研究和機會型探索研究，避免遺漏在主題研究領(lǐng)域之外的創(chuàng)新思想。2009年第一輪開放式招標(biāo)（OPEN 2009）資助了1.67億美元，2012年第二輪（OPEN 2012）資助了1.3億美元，2015年第三輪（OPEN 2015）資助了1.25億美元，2018年第四輪（OPEN 2018）資助了1.99億美元。

原標(biāo)題： 美ARPA-E資助1.75億美元資助變革性清潔能源技術(shù)研發(fā)