【編者按】美國(guó)能源部（DOE）日前發(fā)布《四年度技術(shù)評(píng)估》報(bào)告，詳細(xì)評(píng)估了能源系統(tǒng)六大核心領(lǐng)域（電網(wǎng)、發(fā)電、建筑、制造業(yè)、燃料、交通）的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出了每個(gè)領(lǐng)域以及領(lǐng)域間12項(xiàng)交叉技術(shù)的未來(lái)研究、開(kāi)發(fā)、示范和部署（RDD＆D）機(jī)遇，以推動(dòng)實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好的能源系統(tǒng)這一國(guó)家能源戰(zhàn)略目標(biāo)。本報(bào)摘取部分內(nèi)容以供業(yè)內(nèi)參考。

美國(guó)正處在能源革命進(jìn)程中，而先進(jìn)技術(shù)是革命的主要推動(dòng)力。隨著技術(shù)的快速發(fā)展，許多技術(shù)主題已不僅限制在特定的能源領(lǐng)域，而應(yīng)通過(guò)新的研究計(jì)劃或促進(jìn)現(xiàn)有各類研究活動(dòng)的溝通以集成化方式進(jìn)行，一個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步同時(shí)會(huì)使其他領(lǐng)域受益。

電網(wǎng)現(xiàn)代化

電網(wǎng)正在從中央控制、可預(yù)測(cè)、單相配電流動(dòng)的系統(tǒng)向多點(diǎn)分布、混沌、動(dòng)態(tài)、配電雙向流動(dòng)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。各種發(fā)電、電力轉(zhuǎn)化、數(shù)字通信和控制技術(shù)的發(fā)展正深刻影響著電力系統(tǒng)的核心特征。

電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)需要隨著供電和用電技術(shù)的變化而發(fā)展。同樣，與電網(wǎng)技術(shù)相關(guān)的RDD＆D機(jī)遇（例如可再生能源供電、高效電機(jī)控制和智能負(fù)載）應(yīng)該考慮與電網(wǎng)的交互。如果電力能夠替代石油和天然氣在交通和供熱中的應(yīng)用，電網(wǎng)將會(huì)在未來(lái)能源系統(tǒng)中發(fā)揮更核心的作用。這一快速發(fā)展領(lǐng)域的RDD＆D機(jī)遇包括：規(guī)劃模型、運(yùn)營(yíng)工具、輸電設(shè)備、配電硬件、控制系統(tǒng)、電能儲(chǔ)存和網(wǎng)絡(luò)安全。

系統(tǒng)集成合理應(yīng)用

能源系統(tǒng)間的互聯(lián)日益增多，與其他系統(tǒng)如水資源和原材料供應(yīng)等聯(lián)結(jié)也在增加。系統(tǒng)集成的合理應(yīng)用需要理解、控制和優(yōu)化多個(gè)部門、多個(gè)時(shí)間尺度（從以秒計(jì)的運(yùn)行到以年計(jì)的規(guī)劃）、多個(gè)空間尺度（設(shè)備、建筑、園區(qū)、城市、地區(qū)、國(guó)家）及多種功能（數(shù)據(jù)、分析、控制、市場(chǎng)等）。集成還需要充分理解成本，也包括部署和運(yùn)行的財(cái)務(wù)影響。

各技術(shù)的集成如燃料電池、儲(chǔ)能、屋頂太陽(yáng)能和微電網(wǎng)等都會(huì)受到系統(tǒng)集成策略的影響。這一領(lǐng)域的RDD＆D機(jī)遇將使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和運(yùn)營(yíng)商通過(guò)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和斷開(kāi)連接策略，優(yōu)化互聯(lián)、消除風(fēng)險(xiǎn)。

嚴(yán)格網(wǎng)絡(luò)安全

廣泛應(yīng)用的數(shù)字技術(shù)能夠顯著改善新能源系統(tǒng)，但也增加了網(wǎng)絡(luò)干擾的風(fēng)險(xiǎn)。能源行業(yè)正在積極探索促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)安全的機(jī)遇，包括發(fā)電和石油與天然氣生產(chǎn)、用來(lái)自動(dòng)控制建筑能源使用的監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、信息技術(shù)使能制造業(yè)及車輛互聯(lián)與自動(dòng)化。

嚴(yán)格應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)安全最佳實(shí)踐和工具來(lái)度量能源系統(tǒng)安全性和彈性以及運(yùn)用面對(duì)網(wǎng)絡(luò)威脅能夠適應(yīng)和自調(diào)整的網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)，將有助于確保整個(gè)能源系統(tǒng)供應(yīng)鏈各部件的完整性。

能源和水資源機(jī)遇

水資源使用和石油與天然氣生產(chǎn)、生物質(zhì)生長(zhǎng)與處理、熱電廠冷卻、眾多制造過(guò)程以及人類直接使用緊密相關(guān)。另一方面，水資源的獲取、運(yùn)輸、凈化、保持以及最終返還大自然需要消耗大量能源。

下列RDD＆D機(jī)遇可以提高這些過(guò)程的效率，或者尋找低廉的少用水/不用水的替代方案，包括新型納米結(jié)構(gòu)薄膜以及新型化學(xué)和生物處理技術(shù)以及廣泛的機(jī)遇促進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)、模型和分析技術(shù)的發(fā)展，以更好地解決水質(zhì)量、可利用性和災(zāi)害問(wèn)題。另外，氣候科學(xué)和整體評(píng)估的進(jìn)步能夠幫助理解這些未知因素。

地下環(huán)境非常關(guān)鍵

石油和天然氣生產(chǎn)、地?zé)崮茉?、碳捕集與封存以及核廢料處理依賴于有效控制和管理地下環(huán)境?；A(chǔ)科學(xué)研究和技術(shù)進(jìn)步能夠促進(jìn)這些應(yīng)用中對(duì)地下環(huán)境的表征和控制。在各種空間和時(shí)間尺度上定量預(yù)測(cè)和控制地下斷層、流體流動(dòng)、復(fù)雜物理化學(xué)和巖石對(duì)控制的響應(yīng)非常關(guān)鍵。由于大部分地下環(huán)境無(wú)法直接觀測(cè)，需要依靠傳感技術(shù)、建模仿真的進(jìn)步來(lái)改善這種狀況。這需要在高壓、高溫和強(qiáng)腐蝕性環(huán)境中，通過(guò)有效地持續(xù)監(jiān)控儲(chǔ)層完整性在低風(fēng)險(xiǎn)條件下完成。

材料應(yīng)滿足性能需求

材料特性代表了能源技術(shù)的性能限制。下一代能源技術(shù)的新材料會(huì)更復(fù)雜，包含更多成分和新型納米結(jié)構(gòu)。材料機(jī)遇需要調(diào)動(dòng)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算工具。設(shè)計(jì)材料以滿足特殊的性能需求需要結(jié)合理論、建模、仿真以及原位和過(guò)程表征的研究。利用生物信息學(xué)設(shè)計(jì)的新材料結(jié)構(gòu)需要新型納米合成工藝和運(yùn)行條件下的表征以驗(yàn)證計(jì)算模型。將新材料應(yīng)用于能源技術(shù)需要推動(dòng)規(guī)?；圃旃に嚒?shí)時(shí)過(guò)程表征、過(guò)程控制以及性能驗(yàn)證能力的發(fā)展。這些能力有潛力極大地促進(jìn)新技術(shù)的發(fā)展，并降低其成本。

燃料—發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同優(yōu)化

發(fā)動(dòng)機(jī)性能會(huì)受到可用燃料特性的限制。通過(guò)利用生物基燃料或其他合成燃料，能夠優(yōu)化終端燃料—發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，以提高效率和減少環(huán)境影響。協(xié)同優(yōu)化燃料—發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)有潛力提高系統(tǒng)效率，并減少交通行業(yè)溫室氣體排放。利用低碳、零碳或負(fù)碳原料制造的燃料會(huì)進(jìn)一步減少排放。開(kāi)展燃料和交通行業(yè)多學(xué)科的基礎(chǔ)科學(xué)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)有望實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。

高效經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)能

高效經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)能對(duì)交通領(lǐng)域以及電網(wǎng)都非常重要。電動(dòng)汽車需要更高重量和體積能量密度的儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)與傳統(tǒng)車輛技術(shù)相競(jìng)爭(zhēng)。對(duì)于電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，低成本儲(chǔ)能對(duì)于可再生能源的高比例應(yīng)用是非常重要的，結(jié)合快速作用技術(shù)可以提供電壓支持、頻率調(diào)節(jié)和其他電網(wǎng)服務(wù)。高效、耐用和安全儲(chǔ)能技術(shù)的RDD＆D機(jī)遇，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)輸、電力和建筑業(yè)的革命性變化。