未来技术 | 世界需要的清洁能源：八个案例研究

解决气候变化问题刻不容缓。然而，气候变暖是全球性的，因此，解决方案必须能够在全球范围内推广——不仅在有能力为清洁能源支付更多费用的发达国家，也在不能且不愿支付更多费用的发展中国家。因此，经济现实决定了只有清洁能源技术达到与污染能源技术同等的价格和性能，市场力量才能成为推动全球快速脱碳的杠杆。

当下，人类仍有很长的路要走。好消息是，通过政府提供资金支持基础研究，新的清洁能源技术是可以实现突破的。以下是近期大学主导的高风险、高回报清洁能源技术项目案例。

扩大锂电池功率的硅

可控核聚变能源

核聚变是实现清洁能源目标的潜在能源解决方案，且是一种零碳能源。根据国际原子能机构的研究，核聚变如能以工业规模在地球上复制，则可提供几乎无限的清洁、安全和廉价的能源。据美国能源部估计，一辆装满聚变燃料皮卡车的能量，相当于200万公吨煤炭或1000万桶石油。

科学家正通过托卡马克（又称环磁机）复制天体能源。托卡马克是一种核聚变反应堆，被认为是实现全球聚变能源愿景和清洁能源多样化的主要候选者。据美国能源部称，托卡马克是未来核聚变发电厂的等离子体精炼概念。国际热核实验反应堆（ITER，国际科技合作计划）已在法国南部合作开发全球第一个也是最大的国际托卡马克装置。本次合作伙伴包括：中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、瑞士、美国和英国。

图2  2024年2月29日，全球最大“人造太阳”国际热核聚变实验堆（ITER）与中核集团中核工程牵头的中法联合体，签署真空室模块组装合同。这是中国在成功安装其心脏设备后，再次承担其核心设备的安装任务

根据国际原子能机构的报告，潜在的核能整合包括电力生产和能源储存。报告指出，“到2050年，我们将为清洁能源花费17万亿美元，而不是为石油花费25万亿美元。”

木质素

生物燃料是从植物或藻类等可再生生物来源中提取的，并以液体形式使用。其中，木质素（Lignin）是地球上最丰富的可再生碳源之一。然而，由于要在保持结构完整性的前提，将该物质从植物中分离出来难度很高，它一直不是工业用途有吸引力的选择。华盛顿州立大学Linda Voiland化学工程和生物工程学院的研究人员，开发了新的提取方法，可以从植物中化学分离木质素，而不损害其关键特性和自然结构。这项研究首次建立了全面提取木质素的方法，标志着生物燃料研究的突破。

图3  木质素 “植物骨架”

该大学的商业化办公室已申请临时专利，并将支持这种生物燃料开发的规模化和商业化。根据阿贡国家实验室的研究：“生物燃料与先进的发动机设计相结合，可以减少大约60%的温室气体排放，同时提高燃油效率，减少尾气排放。”研究还发现，生物燃料与当前的石油燃料相比具有成本竞争力。

防氢内燃发动机

清洁氢动力可实现能源安全和清洁能源目标，但清洁氢的生产成本昂贵且难以分配，因此氢燃料电池汽车的普及程度不及纯电动汽车。

 图4  国产氢内燃机

尽管广泛采用存在实际障碍，但由于氢的零排放性质，它是一种有吸引力的燃料替代品。据估计，“1千克氢气的能量与2.8千克汽油的能量大致相同。”因此，氢适合应用于重型运输行业，如长途卡车、机车、船舶等。氢可以长期储存能量，且质量极轻，因此需要压缩或液化，这使得运输、储存和使用具有挑战性且昂贵。

在可供消费者选择的众多电动汽车中，有多种氢燃料电池汽车，与2021年相比，2022年氢燃料电池汽车的购买量增长了40%。氢燃烧汽车与氢燃料电池汽车的不同之处在于，燃烧利用热量产生机械能，而氢燃料电池则通过电化学过程产生能量。

然而，氢燃烧面临着严峻的挑战，因为燃烧过程会降低发动机的内部机械性能。防氢发动机对于氢燃烧发动机的商业化至关重要。南加州大学正在开发耐氢发动机的工艺。该过程需要在发动机内喷涂热障涂层，以防止发动机内部受到氢气燃烧时的腐蚀。

防氢发动机研究仍在进行中，并且仍处于开发的初级阶段，该技术的商业化仍有待观察。随着氢气制造工艺的完善，以及使用清洁能源生产氢气，成本预计会下降，并且与传统能源相比更具竞争力。此外，氢燃烧和氢燃料电池被描述为互补技术，进一步巩固了氢在能源多样化中的作用。

植物生产的可持续航空燃料

图5  正在为飞机加注可持续航空燃料的工程车

麻省理工学院能源计划的南西 斯托弗（Nancy Stauffer）表示：“虽然电动汽车的普及有助于地面清洁交通，但就单位能量的提供而言，当今的电池无法与化石燃料衍生的液态碳氢化合物竞争。”

国际能源署数据显示，2022年，航空业排放的二氧化碳占全球能源相关二氧化碳的2%。到2050年，航空燃油消耗量预计将增加一倍。将清洁能源技术融入航空领域遇到了许多挑战。航空燃料受到严格监管，喷气燃料的标准化需要认证资格。电化学家面临着一系列独特的挑战，包括精心设计适当的化合物组合，以生产出不会因海拔、温度或压力变化而冻结的燃料。此外，优质燃料也能够保障飞机燃料系统部件具备良好的密封性。

麻省理工学院能源办公室和能源部生物能源技术办公室的研究人员，发明了从植物中生产生物航空燃料的新方法。在木质素的工艺基础上，利用催化剂来产生新的化学反应，从而生产木质素油。

该团队已将样本发送到华盛顿州立大学进行进一步测试。由于航空燃油测试的严格控制要求，全面认证所需的额外测试包括实验室发动机模拟在内的几个阶段。

太阳能到氢气的转换

莱斯大学的研究人员称：“到目前为止，利用光电化学技术生产绿氢，一直受到半导体效率低和成本高的阻碍。”研究人员利用卤化物钙钛矿（一种低成本半导体）设计了导电粘合剂屏障。该装置具有破纪录的效率，能够以20.8%的效率将太阳能转化为氢气。且光电效应产生的电势直接转化为化学能，而无需电池存储。

该研究由莱斯大学和美国国家可再生能源实验室进行。然而，氢价格昂贵、运输困难，后续还需要更有针对性的研究和开发来加速氢的长期储存。

太阳能到氢气的转换

水力发电已成为全球推动可持续能源解决方案的主要战略。根据国际能源署的分析，水力发电仍是最大的可再生电力来源，发电量超过所有其他可再生能源技术的总和。雨滴发电是一种值得探索的能源解决方案。雨能通过基于液滴的摩擦纳米发电机（D-TENG）收集，将雨滴的运动转化为能量。虽然单个雨滴的动能很小，但通过电池板收集的多个雨滴的复合能量，有可能成为具有成本效益且可持续的能源。然而，提高这一过程的能源效率遇到了挑战。

图6  雨能发电示意图

组合雨电池是仿照太阳能电池建模的。当雨滴集电单元组合时，会出现耦合电容，其中功率会损失。中国清华大学深圳国际研究生院的研究人员声称，已找到了耦合电容问题的解决方案，这将使能量收集雨板成为更加实用的现实。

中国对雨能的投资，使其能制定更大的能源培育战略。然而，由于与其他领先的清洁能源（太阳能、风能或其他水力发电）相比性能稍显缺乏，雨板的大规模商业化仍是一个缓慢的过程。

透明太阳能电池板

全球公用事业和住宅用途中，太阳能的使用正在不断增加。根据能源信息署的报告，到2022年，21%的发电量来自可再生能源，其中3.4%是太阳能。太阳能电池板或太阳能光伏板是将太阳能转化为电能的成功案例。

根据预测，美国太阳能发电容量将从2022年的45%增加到2024年的62%。美国太阳能产业协会报告显示，目前美国太阳能装机容量为162.8吉瓦（GW），近27.5万名美国人在太阳能行业工作，共安装了超过460万个太阳能系统。据预测，2022年全球太阳能光伏产能较2021年增长70%以上，多晶硅产能达到450吉瓦，组件产能达到640吉瓦，其中，中国占整个供应链新增产能的95%以上。中国在太阳能电池板制造和供应链控制方面，仍处于全球领先地位。

对太阳能的一个批评是其视觉障碍和缺乏美观品质。而透明太阳能电池解决了这些问题。日本仙台东北大学工程研究生院的研究人员提出了这样的概念：一块透明的太阳能电池板，可应用于建筑物和汽车窗户，以及无数的电气设备。

图7  户外运动品牌Patagonia在其位于加利福尼亚州文图拉的公司总部采用了光伏窗户

通过制造透明太阳能电池板，该技术将不再局限于屋顶和太阳能发电场。这项创新并非同类首创。2021年，密歇根州立大学与Ubiquitous Energy合作设计了太阳能电池板窗户。相关研究报告称，“透明太阳能玻璃极大地扩展了太阳能发电的选择，并改变了我们对发电的看法。美学和可再生能源之间不再需要权衡。”

考虑到价格和性能等，这项技术可对全球能源结构产生有意义的影响。研究人员承认，在透明太阳能电池被广泛采用之前，仍存在需要解决的挑战，并需要进行额外的设计调整才能扩大该项目的规模。

太阳能与传统能源相比已具有价格竞争力，然而安装成本依然相当大。尽管如此，许多人估计这些投资从长远来看会收回成本。税收优惠和长期的成本节约，使太阳能成为传统能源的商业可行替代品。