美國阿貢國家實驗室創(chuàng)新成果打通未來清潔能源之路
2022年3月7日
風(fēng)力渦輪機等清潔能源也是阿貢實驗室?guī)资陙頌閷崿F(xiàn)無碳經(jīng)濟所做出的努力（圖片來源：Shutterstock/engel.ac.）
減少二氧化碳排放并將其從大氣中清除對于全球應(yīng)對氣候變化的斗爭至關(guān)重要。這一過程稱為脫碳，它是國家戰(zhàn)略的重點之一，可確保我們的星球和所有生活在地球上的人有一個光明的未來。
幾十年來，美國能源部阿貢國家實驗室一直處于尋求美國經(jīng)濟脫碳的最前沿。
阿貢科學(xué)家們正在開發(fā)新的電池材料，并研究節(jié)能運輸和可持續(xù)燃料。他們正在擴大無碳能源的范圍，例如核能和可再生能源等。另外，阿貢研究人員還在探索從空氣中和工業(yè)源頭捕獲二氧化碳，將其用于生產(chǎn)化學(xué)品或儲存在地下的方法。
最終目標(biāo)？減少溫室氣體排放。溫室氣體阻止熱量從大氣中釋放出去，從而使地球變暖。
一項使命：減少排放
“創(chuàng)建無碳的全球經(jīng)濟將需要對一切照舊的做法進行重大改變，”阿貢國家系統(tǒng)評估中心燃料和產(chǎn)品小組負責(zé)人、高級科學(xué)家Troy Hawkins說。
“我們的目標(biāo)是告知人們實現(xiàn)國家到2050年實現(xiàn)溫室氣體凈零排放目標(biāo)所需的變化，”他解釋說。“從交通運輸?shù)睫r(nóng)業(yè)，整個經(jīng)濟都需要改變。阿貢實驗室在所有這些領(lǐng)域都取得了長足的進步。”
由于燃燒化石燃料的車輛是溫室氣體排放的最大來源，阿貢科學(xué)家們正在努力實現(xiàn)電動汽車大規(guī)模上路。
作為為當(dāng)今電動汽車提供動力的電池技術(shù)的先驅(qū)，阿貢正在引領(lǐng)一場電池競賽，為清潔能源的未來鋪平道路。阿貢科學(xué)家們正在使用人工智能等先進技術(shù)來更好地了解未來的需求，并設(shè)計出更廉價、更高效、更靈活的電池。
另一種減少大氣中二氧化碳含量的方法是對其進行回收利用。阿貢長期以來一直致力于開發(fā)將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用化學(xué)品的方法，這將大幅降低溫室氣體排放量。但這個過程充滿挑戰(zhàn)。
2021年，阿貢的科學(xué)家們開發(fā)出一種由銅和碳制成的催化劑，可將二氧化碳直接轉(zhuǎn)化為乙醇。這種新的合成乙醇可作為可持續(xù)運輸燃料的成分或廣泛的工業(yè)應(yīng)用中的普通化學(xué)品進行應(yīng)用。
阿貢的科學(xué)家們正在努力改善節(jié)能運輸，例如電動汽車和為其供電的電池。（圖片來源：Shutterstock/Nick Starichenko）
轉(zhuǎn)換過程發(fā)生在一個特殊的電解槽內(nèi)，這是一個利用電力分解二氧化碳以形成化學(xué)物質(zhì)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)由阿貢高級化學(xué)家Di-Jia Liu開發(fā)，可在低溫低壓下運行，啟動時間短。這意味著它可以由來自風(fēng)能和太陽能等可再生能源的低成本間歇電力供電。
美國能源部授予阿貢和三個合作伙伴的200萬美元撥款將資助他們開展下一步工作，即在三年內(nèi)開發(fā)出該系統(tǒng)的原型。該團隊還在研究將二氧化碳轉(zhuǎn)化為不同化學(xué)物質(zhì)的其他方法，包括乙烯，這是世界上最常用塑料的重要組成部分。
土壤儲碳新進展
儲存在土壤中的碳——相當(dāng)于大氣中碳含量的兩到三倍——是阿貢科學(xué)家關(guān)注的另一個重點。他們正在研究土壤的成分和動態(tài)變化，以幫助預(yù)測土壤中有機碳含量的變化如何加速或減緩全球變暖的速度。
2021年，阿貢科學(xué)家和合作伙伴繪制了關(guān)于北半球永久凍土區(qū)土壤有機碳儲存情況的第一張高分辨率地圖。這些地圖表明，不同于人們之前的認知，有機碳更接近地表，且含量更大，因此更容易受到變暖的影響。這些地區(qū)的凍土融化可能會釋放出大量的溫室氣體，進而可能會加速地球變暖。
“將凍土中的碳保持在地下對于減緩全球變暖的速度至關(guān)重要，”阿貢生態(tài)學(xué)家和土壤科學(xué)家Julie Jastrow說。“但要做到這一點，我們必須在全球范圍內(nèi)減少溫室氣體排放。”
核能將發(fā)揮重大作用
阿貢科學(xué)家們在核能方面也取得進展，與任何其他清潔能源相比，核能能利用更少的土地上產(chǎn)生更多的電力。商業(yè)核反應(yīng)堆，其中許多是從阿貢實驗室的設(shè)計和實驗演變而來的，它們?yōu)槊绹峁┝私?0%的電力。
核電不受天氣影響，93%以上的時間都在運行，因此是美國最可靠的能源。核能在美國電網(wǎng)脫碳方面具有巨大潛力，其他國家已經(jīng)證明了這一點。
阿貢首席核工程師Nicolas Stauff建議稱，先進的小型反應(yīng)堆與傳統(tǒng)反應(yīng)堆相比具有眾多優(yōu)勢，是核能未來的關(guān)鍵。“傳統(tǒng)反應(yīng)堆的功率為1000兆瓦，而工業(yè)界正在開發(fā)300兆瓦范圍以內(nèi)的小型反應(yīng)堆和20兆瓦范圍以內(nèi)的微型反應(yīng)堆，”他說。
阿貢正與美國能源部核能辦公室和工業(yè)合作伙伴合作，對小型和微型反應(yīng)堆進行設(shè)計、分析和建模，這些反應(yīng)堆在民用和軍事應(yīng)用中具有成為清潔能源的潛力。
例如，阿貢正在與反應(yīng)堆設(shè)計公司TerraPower和X-energy合作建造兩座可在七年內(nèi)運行的先進核反應(yīng)堆。美國能源部的先進反應(yīng)堆示范計劃將為Natrium和Xe-100反應(yīng)堆的建設(shè)提供資金，與工業(yè)界分攤成本。
Natrium是鈉冷快堆，與傳統(tǒng)反應(yīng)堆相比，每單位燃料可提供超過100倍的能量，并且產(chǎn)生的廢物量更少。
“阿貢開創(chuàng)了快堆技術(shù)，”斯塔夫說。“計劃在懷俄明州的一座廢棄燃煤電廠建造Natrium反應(yīng)堆，用清潔能源裝機取代碳密集型裝機。”
未來的電網(wǎng)
為了避免風(fēng)能和太陽能的中斷，需要擁有大量的儲能。（圖片來源：Shutterstock/petrmalinak）
“將更多的可再生能源并入電網(wǎng)是脫碳的關(guān)鍵，”阿貢固定儲能項目負責(zé)人Sue Babinec說。
具有成本效益的長期儲能將是減少太陽能和風(fēng)能中斷的關(guān)鍵。長期儲能可容納大量能量以供將來使用：提供10多個小時的電力，而不是今天的電池可以容納的4到5小時。
通過美國能源部的能源地球計劃啟動，長期儲能計劃于今年啟動，該計劃設(shè)定了降低電網(wǎng)儲能成本的目標(biāo)。在十年內(nèi)，他們希望看到儲能技術(shù)可提供10多個小時的電力，同時節(jié)省90%的成本。
阿貢還在研究氫在長期儲存中的作用。
Babinec與首席系統(tǒng)工程師Todd Levin和Audun Botterud以及氣候科學(xué)家Rao Kotamarthi合作，正在探索氣候變化研究如何準(zhǔn)確預(yù)測長期儲能在未來電網(wǎng)中發(fā)揮的作用。
“能源儲存對于減少事故的危險和影響至關(guān)重要，例如加利福尼亞州的山火和德克薩斯州的凍災(zāi)，這可能會導(dǎo)致能源供應(yīng)鏈中斷，”巴比內(nèi)克說。
為了實現(xiàn)凈零排放，國家需要一種全面的方法，不浪費任何時間，朝著關(guān)鍵目標(biāo)邁進。通過越來越多的雄心勃勃的研究，阿貢正在為創(chuàng)新者、研究人員和行業(yè)制定路線，以朝著更清潔、可持續(xù)、更環(huán)保的能源未來邁進。
（編譯：國核自儀 陳瀟莉，轉(zhuǎn)載請注明出處）
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