美国阿贡国家实验室创新成果打通未来清洁能源之路

2022年3月7日

 

风力涡轮机等清洁能源也是阿贡实验室几十年来为实现无碳经济所做出的努力（图片来源：Shutterstock/engel.ac.）

        减少二氧化碳排放并将其从大气中清除对于全球应对气候变化的斗争至关重要。这一过程称为脱碳，它是国家战略的重点之一，可确保我们的星球和所有生活在地球上的人有一个光明的未来。

        几十年来，美国能源部阿贡国家实验室一直处于寻求美国经济脱碳的最前沿。

        阿贡科学家们正在开发新的电池材料，并研究节能运输和可持续燃料。他们正在扩大无碳能源的范围，例如核能和可再生能源等。另外，阿贡研究人员还在探索从空气中和工业源头捕获二氧化碳，将其用于生产化学品或储存在地下的方法。

        最终目标？减少温室气体排放。温室气体阻止热量从大气中释放出去，从而使地球变暖。

一项使命：减少排放

        “创建无碳的全球经济将需要对一切照旧的做法进行重大改变，”阿贡国家系统评估中心燃料和产品小组负责人、高级科学家Troy Hawkins说。

        “我们的目标是告知人们实现国家到2050年实现温室气体净零排放目标所需的变化，”他解释说。“从交通运输到农业，整个经济都需要改变。阿贡实验室在所有这些领域都取得了长足的进步。”

        由于燃烧化石燃料的车辆是温室气体排放的最大来源，阿贡科学家们正在努力实现电动汽车大规模上路。

        作为为当今电动汽车提供动力的电池技术的先驱，阿贡正在引领一场电池竞赛，为清洁能源的未来铺平道路。阿贡科学家们正在使用人工智能等先进技术来更好地了解未来的需求，并设计出更廉价、更高效、更灵活的电池。

        另一种减少大气中二氧化碳含量的方法是对其进行回收利用。阿贡长期以来一直致力于开发将二氧化碳转化为有用化学品的方法，这将大幅降低温室气体排放量。但这个过程充满挑战。

        2021年，阿贡的科学家们开发出一种由铜和碳制成的催化剂，可将二氧化碳直接转化为乙醇。这种新的合成乙醇可作为可持续运输燃料的成分或广泛的工业应用中的普通化学品进行应用。

阿贡的科学家们正在努力改善节能运输，例如电动汽车和为其供电的电池。（图片来源：Shutterstock/Nick Starichenko）

        转换过程发生在一个特殊的电解槽内，这是一个利用电力分解二氧化碳以形成化学物质的系统。该系统由阿贡高级化学家Di-Jia Liu开发，可在低温低压下运行，启动时间短。这意味着它可以由来自风能和太阳能等可再生能源的低成本间歇电力供电。

        美国能源部授予阿贡和三个合作伙伴的200万美元拨款将资助他们开展下一步工作，即在三年内开发出该系统的原型。该团队还在研究将二氧化碳转化为不同化学物质的其他方法，包括乙烯，这是世界上最常用塑料的重要组成部分。

土壤储碳新进展

        储存在土壤中的碳——相当于大气中碳含量的两到三倍——是阿贡科学家关注的另一个重点。他们正在研究土壤的成分和动态变化，以帮助预测土壤中有机碳含量的变化如何加速或减缓全球变暖的速度。

        2021年，阿贡科学家和合作伙伴绘制了关于北半球永久冻土区土壤有机碳储存情况的第一张高分辨率地图。这些地图表明，不同于人们之前的认知，有机碳更接近地表，且含量更大，因此更容易受到变暖的影响。这些地区的冻土融化可能会释放出大量的温室气体，进而可能会加速地球变暖。

        “将冻土中的碳保持在地下对于减缓全球变暖的速度至关重要，”阿贡生态学家和土壤科学家Julie Jastrow说。“但要做到这一点，我们必须在全球范围内减少温室气体排放。”

核能将发挥重大作用

        阿贡科学家们在核能方面也取得进展，与任何其他清洁能源相比，核能能利用更少的土地上产生更多的电力。商业核反应堆，其中许多是从阿贡实验室的设计和实验演变而来的，它们为美国提供了近20%的电力。

        核电不受天气影响，93%以上的时间都在运行，因此是美国最可靠的能源。核能在美国电网脱碳方面具有巨大潜力，其他国家已经证明了这一点。

        阿贡首席核工程师Nicolas Stauff建议称，先进的小型反应堆与传统反应堆相比具有众多优势，是核能未来的关键。“传统反应堆的功率为1000兆瓦，而工业界正在开发300兆瓦范围以内的小型反应堆和20兆瓦范围以内的微型反应堆，”他说。

        阿贡正与美国能源部核能办公室和工业合作伙伴合作，对小型和微型反应堆进行设计、分析和建模，这些反应堆在民用和军事应用中具有成为清洁能源的潜力。

        例如，阿贡正在与反应堆设计公司TerraPower和X-energy合作建造两座可在七年内运行的先进核反应堆。美国能源部的先进反应堆示范计划将为Natrium和Xe-100反应堆的建设提供资金，与工业界分摊成本。

        Natrium是钠冷快堆，与传统反应堆相比，每单位燃料可提供超过100倍的能量，并且产生的废物量更少。

        “阿贡开创了快堆技术，”斯塔夫说。“计划在怀俄明州的一座废弃燃煤电厂建造Natrium反应堆，用清洁能源装机取代碳密集型装机。”

未来的电网

为了避免风能和太阳能的中断，需要拥有大量的储能。（图片来源：Shutterstock/petrmalinak）

         “将更多的可再生能源并入电网是脱碳的关键，”阿贡固定储能项目负责人Sue Babinec说。

        具有成本效益的长期储能将是减少太阳能和风能中断的关键。长期储能可容纳大量能量以供将来使用：提供10多个小时的电力，而不是今天的电池可以容纳的4到5小时。

        通过美国能源部的能源地球计划启动，长期储能计划于今年启动，该计划设定了降低电网储能成本的目标。在十年内，他们希望看到储能技术可提供10多个小时的电力，同时节省90%的成本。

        阿贡还在研究氢在长期储存中的作用。

        Babinec与首席系统工程师Todd Levin和Audun Botterud以及气候科学家Rao Kotamarthi合作，正在探索气候变化研究如何准确预测长期储能在未来电网中发挥的作用。

        “能源储存对于减少事故的危险和影响至关重要，例如加利福尼亚州的山火和德克萨斯州的冻灾，这可能会导致能源供应链中断，”巴比内克说。

        为了实现净零排放，国家需要一种全面的方法，不浪费任何时间，朝着关键目标迈进。通过越来越多的雄心勃勃的研究，阿贡正在为创新者、研究人员和行业制定路线，以朝着更清洁、可持续、更环保的能源未来迈进。

        （编译：国核自仪 陈潇莉，转载请注明出处）