未來(lái)的能源將會(huì)是綠色的

作者：Alix Paultre，特約編輯

能源開發(fā)是一項(xiàng)棘手的業(yè)務(wù)，從生產(chǎn)物流到政治等因素都使其復(fù)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?fàn)?。但是，隨著社會(huì)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(dòng)態(tài)和顛覆性的變化。

即使是巨大的國(guó)際、數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)通過(guò)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(gè)很好的例子就是電影的消失。

曾幾何時(shí)，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(dá)（不要不尊重富士和愛(ài)克發(fā)）就以近 200 億美元的收入實(shí)現(xiàn)了 25 億美元的利潤(rùn)，并在全球雇用了 145,000 多名工人。今天，電影市場(chǎng)——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(gè)典型的現(xiàn)代家庭中，十幾個(gè)基于 LED 的燈總共比幾個(gè)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(yùn)動(dòng)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(jìn)的替代能源技術(shù)相輔相成，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，平衡各自的弱點(diǎn)。從更好的風(fēng)力渦輪機(jī)和太陽(yáng)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(rèn)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(méi)有毒性，基于裂變的能量產(chǎn)生的廢物會(huì)帶來(lái)昂貴的處置和儲(chǔ)存問(wèn)題，這一事實(shí)也將其排除在考慮范圍之外。

融合并非如此。40 多年來(lái)，人們一直在吹捧融合僅 20 年，但更新的技術(shù)和改進(jìn)的技術(shù)正在取得重要進(jìn)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(guó)格賴夫斯瓦爾德）的 Wendelstein 7-X 聚變項(xiàng)目取得的進(jìn)展。

去年，Wendelstein 7-X 仿星器型聚變反應(yīng)堆實(shí)施了幾項(xiàng)重大升級(jí)，該反應(yīng)堆自 2015 年開始運(yùn)行。這些改進(jìn)包括新的加熱和測(cè)量系統(tǒng)以及安裝 8,000 多塊石墨墻磚在較高溫度下保護(hù)容器壁，使結(jié)構(gòu)能夠承受長(zhǎng)達(dá) 10 秒的等離子體放電。這很重要，因?yàn)樗砻骶圩冄芯恳呀?jīng)超越了僅僅幾分之一秒的事件。

德國(guó)突破的一個(gè)方面是仿星器管理其磁場(chǎng)的方式。該裝置通過(guò)使用轉(zhuǎn)向器或連接到等離子體容器壁上的傾斜面板來(lái)對(duì)齊和管理安全殼的滾動(dòng)邊界，從而避免了傳統(tǒng)托卡馬克反應(yīng)堆的傳統(tǒng)缺點(diǎn)。分流器通過(guò)提高等離子體的純度和密度來(lái)幫助保護(hù)容器壁。

該項(xiàng)目計(jì)劃實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá) 30 分鐘的排放，并最終實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行，可能通過(guò)另一種先進(jìn)的容器設(shè)計(jì)。

電動(dòng)汽車雖然所有的嗡嗡聲都圍繞著電動(dòng)汽車的電池壽命，但真正的進(jìn)步——以及大多數(shù)進(jìn)步將實(shí)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(guò)更好的傳動(dòng)系統(tǒng)電子設(shè)備來(lái)改善電源管理。改進(jìn)的電機(jī)控制；和先進(jìn)的材料，從引擎蓋下的寬帶隙半導(dǎo)體到車身中的下一代輕質(zhì)復(fù)合材料（當(dāng)然是硬殼式）。

在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，對(duì)于電動(dòng)汽車市場(chǎng)的滲透，沒(méi)有什么比快速充電更重要（為什么不再有人說(shuō)“充電”了？），因?yàn)樗粌H使人們能夠以“正常”站點(diǎn)的合理預(yù)期出行- 打破時(shí)間，但也減輕了電池尺寸問(wèn)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(diǎn)“填充”您的 EV，那么任何關(guān)于化石燃料汽車的爭(zhēng)論都?xì)w結(jié)為對(duì)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(yīng)商和公共機(jī)構(gòu)組成的 Ultra-E 項(xiàng)目正在通過(guò)歐盟國(guó)家開發(fā)快速充電走廊，以鼓勵(lì)電動(dòng)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(guò)150公里。

第一個(gè)站點(diǎn)于 2017 年 12 月啟用。四個(gè) Ultra-E 快速充電器安裝在德國(guó)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(gè)容量為 175 千瓦的充電站中的兩個(gè)將升級(jí)到 350 千瓦，以實(shí)現(xiàn)更快的充電速度，并將為小型電動(dòng)汽車和電動(dòng)自行車增加一個(gè)額外的、多標(biāo)準(zhǔn)兼容的 50 千瓦充電器。最終，該網(wǎng)絡(luò)將擁有 25 個(gè)多層快速充電站：德國(guó) 12 個(gè)，荷蘭 5 個(gè)，奧地利 4 個(gè)，比利時(shí) 4 個(gè)。

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。現(xiàn)代能源系統(tǒng)必須考慮多種來(lái)源、無(wú)數(shù)負(fù)載和法規(guī)網(wǎng)絡(luò)。智能電網(wǎng)技術(shù)任何方面的改進(jìn)都會(huì)非常積極地推動(dòng)球向前發(fā)展，因?yàn)檫@個(gè)行業(yè)高度受價(jià)格驅(qū)動(dòng)，而綠色在具有成本效益時(shí)最為成功。

電網(wǎng)存儲(chǔ)是一個(gè)熱門問(wèn)題，因?yàn)樗枪芾硖?yáng)能和風(fēng)能等替代能源所需的核心基礎(chǔ)設(shè)施（地?zé)嶙銐蛞恢?，此處不予考慮）。如果多余的能源不能在需要的時(shí)候轉(zhuǎn)移到需要的地方，那么綠色能源的論點(diǎn)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(chǔ)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(xué)研究人員開發(fā)的一項(xiàng)技術(shù)，該技術(shù)旨在改進(jìn)回流電池，同時(shí)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(chǔ)的影響，因?yàn)樗鼘殡妱?dòng)和混合動(dòng)力汽車的充電提供一種替代方案，該過(guò)程與今天的汽油管理非常相似。

該團(tuán)隊(duì)由普渡大學(xué)地球、大氣和行星科學(xué)杰出教授兼數(shù)學(xué)教授 John Cushman 領(lǐng)導(dǎo)，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(guò)用新鮮液體替換用過(guò)的液體電解質(zhì)來(lái)為電動(dòng)或混合動(dòng)力汽車充電，這種方式不僅對(duì)用戶來(lái)說(shuō)很熟悉，而且在容量和放置方面對(duì)車輛設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)也是靈活的。然后，用過(guò)的電解液將被回收、充電和重復(fù)使用，進(jìn)一步減少電池對(duì)生態(tài)的影響。

另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是能夠使用現(xiàn)有的地下管道、泵送和零售系統(tǒng)，簡(jiǎn)化采用并減少服務(wù)方面的行業(yè)阻力，因?yàn)楝F(xiàn)有供應(yīng)商將在新技術(shù)中發(fā)揮不可或缺的作用。

Ifbattery 的無(wú)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(wèn)題。此外，無(wú)毒電解質(zhì)擴(kuò)大了溶液的應(yīng)用范圍，從家庭到車輛再到工廠。

電動(dòng)汽車雖然所有的目光都集中在消費(fèi)汽車上，但采用電動(dòng)汽車的真正市場(chǎng)（和最初的戰(zhàn)場(chǎng)）將是車隊(duì)車輛，其中卡車在最近的新聞中最為突出。與長(zhǎng)途越野司機(jī)的流行形象相反，許多卡車交通是在站點(diǎn)之間相對(duì)較短的固定路線上進(jìn)行的。長(zhǎng)期以來(lái)在設(shè)施和校園內(nèi)用于貨物或人員流動(dòng)的電動(dòng)卡車和公共汽車終于到來(lái)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(yù)購(gòu)訂單。盡管該公告確實(shí)具有歷史意義，標(biāo)志著電動(dòng)卡車首次進(jìn)入主流（請(qǐng)?jiān)忞p關(guān)語(yǔ)），但特斯拉的客戶將等待長(zhǎng)達(dá)兩年的時(shí)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(huì)交通管理局最近從 New Flyer 訂購(gòu)的電動(dòng)公交車。與此同時(shí)，來(lái)自中國(guó)比亞迪的電動(dòng)卡車正在加利福尼亞港口部署。

但大規(guī)模電動(dòng)卡車商業(yè)化的典型代表無(wú)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(dòng)卡車在各個(gè)方面都與類似的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)電動(dòng)后軸，電機(jī)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(dá) 200 公里，具有預(yù)測(cè)充電管理、主動(dòng)預(yù)測(cè)動(dòng)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(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)控制連接起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)度，確保最佳車隊(duì)利用率。

合成燃料無(wú)論電動(dòng)汽車有多好，都會(huì)有客戶和應(yīng)用需要某種類型的基于燃料的車輛解決方案來(lái)服務(wù)于電動(dòng)汽車不是解決問(wèn)題的最佳方式或物流嚴(yán)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(wèn)題，但合成燃料可以做到這一點(diǎn)，同時(shí)還幾乎 100% 與現(xiàn)有的燃料、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和零售基礎(chǔ)設(shè)施兼容。

埃克森美孚和 Synthetic Genomics 最近宣布通過(guò)將一種藻類菌株Nannochloropsis gaditana修飾為超過(guò)兩倍的油表達(dá)量而沒(méi)有重大副作用，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)生物燃料的突破。使用基因開關(guān)來(lái)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(shí)維持藻類的生長(zhǎng)。

該開發(fā)解決了長(zhǎng)期存在的批量生物燃料生產(chǎn)的成本效益問(wèn)題。限制氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以增加藻類的產(chǎn)油量，但會(huì)以光合作用為代價(jià)，對(duì)藻類生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響。在增加油含量的同時(shí)保持生長(zhǎng)將使基于藻類的燃料優(yōu)于傳統(tǒng)的生物燃料，因?yàn)樵撛显邴}水和惡劣的環(huán)境條件下茁壯成長(zhǎng)。除了能夠使用現(xiàn)有的運(yùn)輸和儲(chǔ)存基礎(chǔ)設(shè)施之外，來(lái)自藻類的燃料可以在現(xiàn)有的煉油廠中進(jìn)行加工，幾乎不需要修改，產(chǎn)生的氣體對(duì)用戶來(lái)說(shuō)與現(xiàn)有的基于化石的產(chǎn)品沒(méi)有什么不同。

展望今年無(wú)疑將帶來(lái)有趣的發(fā)展、不可預(yù)見(jiàn)的事件、酷炫的技術(shù)和顛覆性的公告。尋找來(lái)自常見(jiàn)嫌疑人（電動(dòng)汽車、智能電網(wǎng)和消費(fèi)產(chǎn)品）的消息，但也要對(duì)擾亂蘋果車并使每個(gè)人（甚至我的）預(yù)測(cè)毫無(wú)意義的發(fā)展持開放態(tài)度。

審核編輯 黃昊宇