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近日，美國能源部先進能源研究計劃署（ARPA-E）宣布最新一期的OPEN2021開放招標計劃，資助1.75億美元支持國家實驗室、高校和企業(yè)協(xié)同開展具有潛在顛覆性影響的變革性清潔能源技術研發(fā)，確保美國在未來綠色能源技術的全球領導地位，同時助力美國2050年實現(xiàn)凈零排放目標。本次資助主要聚焦十三大主題領域，具體內(nèi)容如下：

1、建筑能效

研究新型基于氮化鎵（GaN）半導體的直接發(fā)射綠光的發(fā)光二極管（LED），以加速固態(tài)照明（SSL）光源的使用和普及。與非固態(tài)照明相比，可以減少約25%與照明相關的溫室氣體排放。到2035年，向SSL過渡可以使美國能源相關溫室氣體排放比非SSL減少55%。

2、分布式能源

設計和建造一個能夠利用可再生能源直接將煙道氣中的CO2電催化還原為高價值化學品（如乙醇、丙醇等）的高性能反應裝置，以實現(xiàn)綠色高效減排。

3、提高電力電子器件和設備效率

包括：①開發(fā)一種突破性的無線充電系統(tǒng)，用于電動汽車的靜態(tài)和動態(tài)充電，以大幅減少對昂貴和笨重的車載電池需求，提高續(xù)航里程，并加速電動汽車的普及。②開發(fā)基于GaN的二極管和晶體管的新一代電力電子產(chǎn)品，其性能將大大超過目前的電力電子器件。③研究通過增材制造技術制造具有網(wǎng)絡狀結(jié)構(gòu)的非晶金屬氧化物軟磁復合材料（SMC），從而降低成本，減少材料浪費。④為電力電子模塊開發(fā)3D打印陶瓷封裝，以改善其熱管理、功率密度、性能和壽命。⑤為數(shù)據(jù)中心開發(fā)一種節(jié)能的兩相冷卻系統(tǒng)，以減少冷卻能耗并減少用水。⑥開發(fā)一種高性能冷卻板，其帶有一個螺旋擾流器，可以將換熱速率提高3倍，從而提高數(shù)據(jù)中心未來服務器的能源效率。⑦開發(fā)一種高效、資源節(jié)約的熱能設備，它將同時提高服務器冷卻能源效率，并提供可直接用于建筑供暖與制冷的高質(zhì)量熱能。⑧開發(fā)能量高達數(shù)十兆電子伏特的氮化硼快中子探測器（FND），用于反應堆高溫高輻照的極端環(huán)境中直接監(jiān)測反應堆和燃料狀態(tài)，該技術也有潛力取代目前在地熱和測井工具中使用的氦-3氣體管中子探測器。

4、發(fā)電

（1）核能利用的相關技術改進和材料研究。包括：①利用先進的增材制造技術開發(fā)一種新型鎢基高熵合金面向等離子體組件（PFC）。②研究利用一種簡單的熔鹽（一種氟化鋰和氟化鈹?shù)幕旌衔铮┓椒ㄔ诰圩冸姀S中增殖氚（T）的可行性。③開展新型的氫硼（硼-11元素）核聚變研究。④利用高能非中子粒子（如光子和質(zhì)子）開發(fā)一種高效經(jīng)濟處理高放長壽命裂變產(chǎn)物（LLFP）嬗變技術。⑤激光等離子體不穩(wěn)定飽和機制及其抑制方法研究。⑥開發(fā)關鍵技術以高效回收核廢料中高價值的元素可以提高核資源的利用率，減少核廢料的產(chǎn)生，降低燃料成本。

（2）先進燃氣輪機燃燒技術改進。研究一種新的無焰燃燒法，用于使用氫氣和天然氣混合燃料的先進燃氣輪機。新技術可以打破目前燃氣輪機因為材料受限而導致的效率上限，使得燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)（GTCC）效率有望達到 67%或更高，同時滿足嚴格的排放標準。

（3）海上可再生能源利用的相關研究。研究如何使海上漂浮式風力渦輪機和海洋流體動力系統(tǒng)能夠部署在現(xiàn)有系泊和錨定技術無法到達或成本過于昂貴的地區(qū)，以降低海上可再生能源的成本。

（4）地熱能利用的相關研究。包括：①提出了“電-水力壓裂”（E-HF）技術用以提高增強型地熱系統(tǒng)（EGS）的發(fā)電效率。該技術利用高壓電力和少量注水進入更大的裂縫網(wǎng)絡進行熱回收。與傳統(tǒng)的水力壓裂相比，該技術通過限制水的使用，可節(jié)約2700億加侖的水，并將提供未開發(fā)的地熱能。②開發(fā)下一代長時儲熱技術，實現(xiàn)地熱能多天的長時存儲。此外將開發(fā)一種基于光纖診斷平臺，以優(yōu)化監(jiān)測地下動態(tài)過程。

（5）熔鹽反應堆和太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)研究。包括：①開發(fā)一種具有抗蠕變、輻照和耐腐蝕性強的沉淀強化合金，該合金將能夠應用于熔鹽反應堆（MSR）、氟鹽冷卻高溫反應堆（FHR）和聚光太陽能熱發(fā)電（CSP）系統(tǒng)中。②開發(fā)一種耐高溫、耐化學腐蝕的基于金剛石的微流控阿爾法譜儀，該譜儀能夠在線精確測量液體燃料熔鹽反應堆（LF-MSR）燃料中的阿爾法同位素。

5、電網(wǎng)

（1）開發(fā)高比例可再生能源并網(wǎng)下的電網(wǎng)高效穩(wěn)定運營技術。包括：①開發(fā)一種100千伏的GaN光導半導體開關取代傳統(tǒng)硅技術制造的半導體開關，極大地提高效率并降低成本。②把電力電子的功能優(yōu)勢與高壓電纜的功率密度優(yōu)勢結(jié)合起來，創(chuàng)建一個緊密、一體化的結(jié)構(gòu)，以取代當今電網(wǎng)中笨重、不靈活的變電站。③為逆變器主導的電力系統(tǒng)開發(fā)創(chuàng)新的保護方案，提高可再生能源并網(wǎng)比例。

（2）圍繞電網(wǎng)開發(fā)相關的算法、模型、軟件和控制技術，優(yōu)化電網(wǎng)運行效能。包括：①利用超導架空和地下輸電線路，在單電壓（10千伏）的情況下，以具有成本效益的方式將大量電力（高達400兆瓦）從發(fā)電站向外輸送。②開發(fā)演示一個結(jié)構(gòu)化的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)/控制協(xié)同設計流程，從而選擇合適的設備、綜合控制和通信軟件及硬件架構(gòu)。研究結(jié)果將在模擬環(huán)境中進行驗證。還將開發(fā)和演示一個模塊化彈性微電網(wǎng)控制集成平臺。

6、針對制造業(yè)開發(fā)先進的節(jié)能技術，提高生產(chǎn)制造過程的能源效率

包括：①開發(fā)一種有潛力的氫等離子體-回轉(zhuǎn)窯零碳煉鋼工藝來替代傳統(tǒng)工業(yè)，該工藝無需使用焦炭或天然氣，所消耗能源比目前的工藝更少，并可能使鋼鐵行業(yè)每年減少超過10億噸碳排放。②開發(fā)一種無表面活性劑多相（MP）成形生產(chǎn)纖維復合材料產(chǎn)品的技術，減少生產(chǎn)纖維復合材料（如紙、紙巾、紙板、非織造布和新型纖維產(chǎn)品）的能耗和碳排放。③開發(fā)一種熔模鑄造技術，該技術可能從根本上改變工業(yè)燃氣輪機高價值金屬部件的生產(chǎn)工藝流程，可比現(xiàn)有的鑄造方法節(jié)省90%的能源，同時將生產(chǎn)周期從一年多縮短到三個月以下。④利用電化學將廢舊產(chǎn)品和低價值礦物轉(zhuǎn)化為有價值的碳中性材料。⑤創(chuàng)建可擴展的用于氨氧化的高熵合金（HEA）催化劑制造工藝，以提高催化活性、選擇性和穩(wěn)定性。⑥利用低成本的可再生電力、垃圾廢棄物原料生產(chǎn)可循環(huán)利用的建筑材料。

7、提高資源利用效率以及碳捕集技術的研發(fā)以減少碳排放

（1）碳捕集技術研發(fā)。包括：①使用無碳電力驅(qū)動直接空氣捕集（DAC）或海洋直接捕集（DOC）環(huán)境中的CO2，可減少DAC和DOC的前期投資和運營成本。②設計、建造并演示一種改造平臺，有效封堵泄漏的廢棄油氣井，顯著減少和防止甲烷排放。③開發(fā)一種利用海水礦化CO2的新型電化學過程。④開發(fā)一種新型固體吸附劑材料，稱為CO2捕集利用和封存氣凝膠（CACTUS），用于CO2的直接空氣捕集（DAC）。⑤開發(fā)碳封存工藝，使CO2礦化成為碳酸鹽穩(wěn)定地存儲在地質(zhì)地層中。

（2）針對電源系統(tǒng)和新能源研發(fā)能源技術。包括：①開發(fā)基于GaN的小型脈沖電源系統(tǒng)架構(gòu)，以提高脈沖電源功率密度（電容器尺寸減小10倍）和功率轉(zhuǎn)換器壽命（在175℃以上運行1000小時）。②研發(fā)成本更低且能夠以超快的方式去除移動和固定電氣系統(tǒng)上的冰/雪/霜堆積新技術，計劃應用于光伏電站、熱泵熱交換器、風力渦輪機和電動飛機等特別受冰/雪/霜聚集現(xiàn)象影響的領域。

8、儲能技術研發(fā)

包括：①研究將非活躍的油氣井轉(zhuǎn)換為名為重力井的能源存儲設備（即以“重力”的形式儲存能量，當重物被強大的纜繩和絞車吊在空中時，它們就能儲存大量的勢能。當需要這些能量時，它們可以被放下井筒、轉(zhuǎn)動絞車，然后將電能輸送到電網(wǎng)中），以創(chuàng)造一種新的能源存儲解決方案。②開發(fā)一種能夠使用可再生能源的混合電化學/光催化方法直接產(chǎn)生高壓氫氣（H2）技術，其在700 bar的壓縮條件下生產(chǎn)氫氣的成本有望低于2美元/千克。③開發(fā)新型的筒管式架構(gòu)鋰電池，該設計將增加電極材料的厚度，從而存儲超過目前研究的同等尺寸下儲存的能量，以降低每千瓦時能源存儲的總成本。

9、交通運輸中的能量轉(zhuǎn)換相關技術研究

包括：①研發(fā)一種全新的固體氧化物燃料電池（SOFC）架構(gòu)，該架構(gòu)可以實現(xiàn)更小體積、更高功率密度，適用于交通運輸應用，可以實現(xiàn)快速啟動和長期耐用，解決傳統(tǒng)SOFC的缺點，包括質(zhì)量、體積大、啟動時間長、成本高等問題。②研發(fā)新型磁性和絕緣材料：一種新型復合磁粉（CMP）材料與陶瓷電泳沉積（EPD）絕緣材料，來改變電動汽車電機的設計和制造過程。③開發(fā)新型無離子聚合物電極，以實現(xiàn)鉑合金催化劑的超高氧還原反應活性，獲得高功率密度聚合物電解質(zhì)膜（PEM）燃料電池。

10、能源生產(chǎn)和脫碳技術研究

（1）生產(chǎn)生物能源以及生物固碳研究。包括：①開發(fā)新的光合系統(tǒng)，利用太陽能光譜中以前未充分利用光譜（如近紅外波段）來生產(chǎn)太陽能燃料。②開發(fā)首個負碳生物精煉廠，將多種有機廢物原料轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸（VFA）。③開發(fā)一種可擴展的技術，實現(xiàn)直接從環(huán)境空氣中捕獲CO2并將其轉(zhuǎn)化為丁醇，可以用于航空噴氣燃料。④研究大型藻類快速高產(chǎn)的培育技術，以實現(xiàn)利用藻類減少碳排放。⑤開發(fā)一種新的生物碳固定途徑，以實現(xiàn)利用更有效的羧化酶來更好地利用CO2。⑥利用植物或相關細菌對當前和未來的合成氮源進行生物固定，每種方法的每種成分都在不同的時間向作物提供氮，并影響能源、產(chǎn)量和排放。⑦開發(fā)一種新技術，由低成本的無線傳感器陣列組成，用于測量一氧化二氮（N2O）濃度和排放驅(qū)動因素（銨態(tài)氮、硝酸鹽、氧氣、水分、溫度、pH值和反硝化酶）。⑧利用工業(yè)級無人機，演示適用于大型農(nóng)業(yè)用地的高時空分辨率遠程N2O監(jiān)測技術。

（2）通過其他的可再生方式生產(chǎn)低碳能源或者降低生產(chǎn)工藝中的碳排放。包括：①開發(fā)一種使用質(zhì)子傳導氧化膜（POM）的低溫電解槽，與目前的商用聚合物電解質(zhì)膜（PEM）電解槽相比，具有實現(xiàn)電流密度和效率階梯變化的潛力?？梢栽陔娏髅芏雀哂趥鹘y(tǒng)PEM電解槽的情況下實現(xiàn)高效的低溫水電解。②開發(fā)變革性的自熱式氧化還原脫氫（RDH）技術，在模塊化包裝床中靈活地生產(chǎn)各種烯烴，驗證RDH技術的可行性和經(jīng)濟性。③使用增材制造技術為化學反應器打印3D陶瓷組件，該反應器能夠?qū)O2轉(zhuǎn)化為一種航空燃料。

11、交通運輸網(wǎng)絡

把人工智能與多尺度模擬和實時控制結(jié)合起來，創(chuàng)建一個名為AutonomIA交通管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以減少交通擁堵，提高能源效率，并減少區(qū)域交通系統(tǒng)的CO2。

12、交通運輸儲能技術研究

包括：①研發(fā)鎂負極代替鋰負極，用有機材料代替過渡金屬正極，這種替代方式可以增強國家能源供應鏈的安全。②開發(fā)一種新型電池隔膜，可以有效防止枝晶的形成。③開發(fā)由纖維素離子導體組成新型電解質(zhì)，在此基礎上設計開發(fā)快速充電電池。

13、交通工具研究

（1）高性能電動交通工具相關研究。包括：①開發(fā)新型磁體，以提高磁體的運行能量密度，提高電機效率。②開發(fā)一種高功率密度的電機，以開發(fā)出功率高達10兆瓦及以上的電動飛機推進系統(tǒng)。③開發(fā)一個自動、電池驅(qū)動的軌道車輛運輸系統(tǒng)，并帶有一個先進的測試程序。該新型運輸系統(tǒng)將使終端變得更小、更清潔，為新型、清潔的貨物運輸開辟道路。④為電動飛機開發(fā)超輕、高效的直流-直流（DC-DC）電源轉(zhuǎn)換器，以減少溫室氣體排放量，同時減少全國機場的噪音污染。

（2）利用輕量化材料開發(fā)設計更加先進的車輛架構(gòu)。開發(fā)一種新的復合材料成形路線，即復合架構(gòu)材料加工（CAMP），以提供一種快速經(jīng)濟的復合材料輕量化車輛架構(gòu)制造過程，從而實現(xiàn)大批量成本效益、輕量化和節(jié)能的汽車結(jié)構(gòu)組件生產(chǎn)制造。

（3）高效的氫動力渦輪發(fā)動機開發(fā)。為商用航空設計一種新穎、高效的氫動力渦輪機，減少CO2以及氮氧化物（NOx）排放。

（4）改進催化劑設計，減少化學工業(yè)中的溫室氣體排放。設計新的化學催化劑，以減少能源的使用和大量化學反應產(chǎn)生的碳足跡。

編者按：ARPA-E除了設立特定領域主題研究計劃外，還每三年開展一次開放式項目招標計劃。OPEN招標計劃于2009年推出，旨在支持非共識探索研究和機會型探索研究，避免遺漏在主題研究領域之外的創(chuàng)新思想。2009年第一輪開放式招標（OPEN 2009）資助了1.67億美元，2012年第二輪（OPEN 2012）資助了1.3億美元，2015年第三輪（OPEN 2015）資助了1.25億美元，2018年第四輪（OPEN 2018）資助了1.99億美元。

原標題： 美ARPA-E資助1.75億美元資助變革性清潔能源技術研發(fā)