技经调查丨美国要害的动力立异安排——ARPA-E的在研项目

发布日期：2023-08-12223    已浏览 作者: 行业动态

 

	  拜登政府将全球气候变化视为最严峻的应战之一，签署了多项与动力和气候有关的行政命令和总统备忘录，希望经过大力展开革新性动力技能，展开安全、有用和经济的动力体系，削减碳排放，坚持美国在气候办理范畴的主导地位。美国动力高档研讨方案局（Advanced Research Projects Agency-Energy，ARPA-E）作为美国革新性动力技能的首要推动者，在革新性技能展开方面已获得了杰出的效果，被誉为“美国动力立异的万能催化剂”。本文依据APRA-E近一年发布的新方案，以及ARPA-E发布的年度效果陈述，介绍该安排正在展开的研讨。


	  ARPA-E的提出源于2005年美国国家科学院发布的《站立在风暴之上》（Rising abovethe Gathering Storm）陈述。该陈述主张在美动力部内树立相似美国防部高档研讨方案局（DARPA）的安排，该安排将赞助创造性、革新式和通用性的，且工业界无力展开的研讨。2007年美国国会经过《美国竞争力法案》，确认建立ARPA-E，法规规则了ARPA-E的两个首要方针：一是经过展开动力技能加强美国的经济和动力安全；二是坚持美国在先进动力技能的抢先地位。ARPA-E于2009年正式发动，然后10多年，ARPA-E一共投入超越26亿美元，赞助超越180个方案、1000个项目，招引超越49亿美元私营部门后续资金，发生了超越90家新公司。ARPA-E的架构以DARPA为原型而规划，由上层安排——安排主任和副主任，基层安排——担任具体工作的研讨团队组成。其间ARPA-E的安排主任由总统直接录用，并直接向美国动力部部长陈述。ARPA-E的方案办理非常严厉，包含有潜力的前沿技能确认、技能研讨会、发布融资时机公告（FOA）、职业专家评定、项目施行等。ARPA-E的方案首要分为特定范畴的主题研讨和敞开式项目方案（OPEN方案），其间OPEN方案于2009年初次推出，每3个财年都会发布新一轮OPEN方案。OPEN方案每次赞助40～60个项目，赞助金额超越1亿美元。（OPEN 2009—1.67亿美元；OPEN 2012—1.3亿美元；OPEN 2015—1.25亿美元；OPEN 2018—1.99亿美元）


	  2021年5月19日，ARPA-E发布ONWARDS（优化核废料和先进反应堆处置体系）方案，旨在确认先进核反应堆（AR）、泛燃料废物和乏燃料处置途径以约束先进核反应堆发生的核废物数量，维护土地和空气，并添加将核电作为牢靠的清洁动力的布置和运用。据悉，美国一半以上的零碳动力来自核能，但美国每年也发生了大约2000公吨的乏燃料。对此，ARPA-E将经过在燃料循环前端开发新的工艺和运用，避免核废料的构成，以处理因乏核燃料处置方案有限带来的应战，其间包含进步燃料收回工艺、改善传感器然后对核资料精确核算，以及开发高功能核废物方式。


	  2022年3月10日，ARPA-E宣告向ONWARDS方案下11个项目拨款3600万美元，支撑高校和企业联合展开先进、安全牢靠的核废料处置技能研制，处理核能运用进程中的放射性核废料安全问题，以进一步扩展美国的核电布置规划。这些项目包含：为美国深层阻隔公司供给360万美元，开发和布置通用功能标准和核废料存储罐体系；为通用电气全球研讨中心供给450万美元，开发能够在核燃料处理设备环境中安稳运转的核算体系；为美国Oklo公司供给400万美元，开发下一代先进的乏燃料收回设备并展开技能-经济性评价；为泰拉动力公司供给855万美元，开宣告从核废猜中高效收回铀元素的工艺道路.HESTIA方案


	  2021年11月8日，ARPA-E发布HESTIA（运用修建结构从大气中捕集二氧化碳）方案，宣告拨款4100万美元开发新的修建资料，下降修建进程中的排放，并将修建转变为净碳贮存结构。ARPA-E表明，修建相关碳排放占美国全年碳排放的10%左右，下降或消除修建进程碳排放、添加修建储碳才能有助于完成净零排放方针，修建资料和修建技能有巨大的碳汇潜能，但碳贮存修建资料稀缺且贵重。ARPA-E已挑选了一系列潜在质料，包含林业专用产品和农业废弃物等，运用这些质料制成修建资料。这些修建资料将具有可燃性、高强度、易于设备替换和可收回再运用等特性，然后满意修建职业的现有标准。一起，这些修建资料将其他碳贮存资料更易获得、本钱更低。此外，ARPA-E还将出资400万美元开发修建生命周期剖析东西和结构。


	  2022年6月13日，ARPA-E宣告向HESTIA方案供给3900万美元，用于支撑18个研制项目，以开发和演示运用修建资料及修建规划完成碳封存的前沿技能。这些项目是HESTIA方案的当选者，项目包含：运用生物燃料出产中的低价值副产品制作高功能负碳混凝土；运用光合途径出产负碳石灰石硅酸盐水泥；选用3D打印碳吸收缆索体系的高功能修建结构；用于负碳排放修建/结构的纤维素-菌丝体复合资料；用于负碳排放修建/结构的纤维素-菌丝体复合资料等。


	  2022年2月14日，ARPA-E宣告新一期的OPEN 2021敞开投标方案，赞助1.75亿美元支撑国家实验室、高校和企业协同展开具有潜在颠覆性影响的革新性清洁动力技能研制，保证美国在未来绿色动力技能的全球领导地位。该方案要点重视13个主题，包含：修建能效；分布式动力；进步电力电子器件和设备功率；发电；电网；针对制作业开发先进的节能技能；进步资源运用功率以及碳捕集技能的研制以削减碳排放；储能技能；交通运输中的能量转化相关技能；动力出产和脱碳技能；交通运输网络；交通运输储能技能；交通东西研讨。每个主题下又包含多个具体内容，如在进步电力电子器件和设备功率主题下的开发一种突破性的无线充电体系，用于电动汽车的静态和动态充电；在发电主题下的研讨一种新的无焰焚烧法，用于运用氢气和天然气混合燃料的先进燃气轮机。


	  2021年1月12日，ARPA-E宣告在SCALEUP（有运用潜力的抢先动力技能种子孵化）主题研制方案结构下赞助4700万美元，旨在支撑具有潜在颠覆性影响的革新性动力技能研制，并帮忙相关研制安排将其获得实验室发展、具有运用潜力的技能面向商业化。本次赞助研讨项目包含：用于电动飞机的下一代锂金属负极电池；适用于高能效数据中心和5G网络的8英寸3D氮化镓（GaN）场效应晶体管制备技能；在电动汽车中加快规划化选用高容量的硅负极技能；扩展具有本钱效益的电网现代化技能；盆地规划的继续油气排放减排网络；适用于大规划储能和电动汽车的高度可扩展虚拟电厂渠道；聚合物电解质制作工艺。


	  2021年4月8日，ARPA-E发布旨在削减石油、天然气和煤炭等职业的甲烷排放的REMEDY（削减每天的甲烷排放量）方案。该方案将针对石油、天然气和煤炭价值链中三个甲烷出产来历，开发削减甲烷排放的体系级技能处理方案。这三个来历分别是天然气淡薄焚烧发动机的废气、油气设备安全运转所需的火炬和煤矿井下作业排出的甲烷。REMEDY方案的方针是直接处理发生甲烷排放的5万多个发动机，30万处火炬和250个矿井,使这些设备完成99.5%的全体甲烷转化率、在设备生命周期内削减温室气体净排放量高于87%，以及碳的平准化本钱低于40美元/吨二氧化碳当量。针对上述三个甲烷来历，ARPA-E建立了三个主题，包含开发新式燃气发动机、开发新式焚烧焚烧设备，以及开发煤矿中挖掘进程中甲烷减排新技能。


	  2022年9月16日，拜登政府宣告发动一系列海优势电方案，推动海优势电布置。其间，ARPA-E为ATLANTIS方案第二阶段出资3100万美元，研讨新的海优势电技能，包含具有本钱效益的浮动式海优势电技能、扩展国内风电要害设备制作才能、开发超灵敏、智能的海优势力发电机（USFLOWT）等。


	  2022年9月23日，ARPA-E宣告为“对耗能激增、牢靠性高、超高碳排放的数据中心的冷却体系升级（Cooling Operations Optimized for Leaps in Energy, Reliable and Carbon Hyperefficiency for Information Processing Systems ，COOLERCHIPS）方案”供给4200万美元，开发高功能冷却体系。美动力部指出，数据中心耗费美国总电量的2%，其间数据中心冷却占有数据中心总耗能的40%。ARPA-E方案开发高效牢靠的冷却体系，完成新式高效的高功率密集型核算体系、数据中心和模块化体系，要点重视的立异范畴包含：适用于下一代高功率密度服务器的节能冷却处理方案；可在任何地方高效运转的高功率密度模块化数据中心；开发用于优化数据中心的动力运用、碳脚印、牢靠性和本钱的软件和建模东西；评价和演示该方案下开发的设备。


	  2022年10月21日，ARPA-E宣告为将乏燃料放射性同位素转化为能量（CURIE）方案供给3800万美元资金，支撑乏燃料收回技能研制项目，以削减核反应堆乏燃料（UNF）处置发生的影响，并收回和制作新的燃料及副产品。美动力部表明，核电为美国供给了五分之一的电力，运用过的核燃料能够制作新的燃料和产品，并促进核电继续展开。该方案合计赞助11个项目，包含：为阿贡国家实验室供给490万美元，开发安稳的下一代负极资料，将97%的乏燃料氧化物转化为金属；为Curio公司供给500万美元，开发并演示实验室规划的乏燃料收回工艺（NuCycle工艺）；为通用电气研讨院（GE Research）供给645万美元，开发革新性的湿法后处理设备安全保证处理方案；为Mainstream工程公司供给158万美元，开发一种真空摇摆别离技能，以别离和捕获挥发性放射性核素；为爱达荷州国家实验室供给266万美元，开发用于复原乏燃猜中锕系元素的阳极资料；为犹他大学供给145万美元，开发热化学工艺，将乏燃料高效转化为适用于钠冷快堆或熔盐堆的燃料质料等。


	  从上述方案来看，ARPA-E正加大对先进核能、乏燃料处理、低碳修建、先进节能技能、脱碳技能等研制力度，以支撑拜登政府设定的清洁动力方针，保证美国在未来绿色动力技能的全球领导地位。现在，我国正在动力等范畴加快推动革新性技能展开，ARPA-E在技能确认、鼓励立异、技能商业化等方面对我国有学习之处。我应重视ARPA-E新方案研制发展，在要害技能上提早布局，掌握未来绿色动力技能走向，为我国完成碳达峰碳中和方针供给有力支撑。


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