未来的能源将会是绿色的

作者：Alix Paultre，特约编辑

能源开发是一项棘手的业务，从生产物流到政治等因素都使其复杂化。由于巨大的基础设施投资和现代电力需求的关键、生死攸关的性质，能源行业不易受到变化的影响，更有能力与之抗争。但是，随着社会从基于化石的能源向“绿色”、低足迹能源生产系统迁移，目前正在发生动态和颠覆性的变化。

即使是巨大的国际、数十亿美元的产业通过颠覆性变革解体也不是什么新鲜事。除了马车和马车鞭子的古老比喻之外，一个很好的例子就是电影的消失。

曾几何时，从牙科 X 光片到出版再到 IC 制造，所有事情都是由镀银塑料片完成的。1999 年，仅柯达（不要不尊重富士和爱克发）就以近 200 亿美元的收入实现了 25 亿美元的利润，并在全球雇用了 145,000 多名工人。今天，电影市场——以及数百家参与其中的公司和数百家支持它的公司——已经消失了。

今天的能源生产也可能发生同样的情况。不仅我们产生能量的方式，而且我们使用它的方式，都在发生根本性的变化。在一个典型的现代家庭中，十几个基于 LED 的灯总共比几个旧的白炽灯消耗的能源更少，冰箱和其他家用电器中的智能运动系统同样可以显着降低电力消耗。

智能嵌入式系统和先进的替代能源技术相辅相成，发挥各自的优势，平衡各自的弱点。从更好的风力涡轮机和太阳能电池到智能电网管理和墙上的智能恒温器，我们制造和获取能源的方式正在走向绿色。

核能首先，让我们弄清楚我们的定义。出于本文的目的，我们将认为遗留的基于裂变的核电由于产生的废物而不是绿色的。即使废物没有毒性，基于裂变的能量产生的废物会带来昂贵的处置和储存问题，这一事实也将其排除在考虑范围之外。

融合并非如此。40 多年来，人们一直在吹捧融合仅 20 年，但更新的技术和改进的技术正在取得重要进展。最显着的例子是马克斯普朗克等离子体物理研究所（IPP；德国格赖夫斯瓦尔德）的 Wendelstein 7-X 聚变项目取得的进展。

去年，Wendelstein 7-X 仿星器型聚变反应堆实施了几项重大升级，该反应堆自 2015 年开始运行。这些改进包括新的加热和测量系统以及安装 8,000 多块石墨墙砖在较高温度下保护容器壁，使结构能够承受长达 10 秒的等离子体放电。这很重要，因为它表明聚变研究已经超越了仅仅几分之一秒的事件。

德国突破的一个方面是仿星器管理其磁场的方式。该装置通过使用转向器或连接到等离子体容器壁上的倾斜面板来对齐和管理安全壳的滚动边界，从而避免了传统托卡马克反应堆的传统缺点。分流器通过提高等离子体的纯度和密度来帮助保护容器壁。

该项目计划实现长达 30 分钟的排放，并最终实现连续运行，可能通过另一种先进的容器设计。

电动汽车虽然所有的嗡嗡声都围绕着电动汽车的电池寿命，但真正的进步——以及大多数进步将实现的地方——是在车辆内部和外部的电力电子领域。在内部，开发人员正在努力通过更好的传动系统电子设备来改善电源管理。改进的电机控制；和先进的材料，从引擎盖下的宽带隙半导体到车身中的下一代轻质复合材料（当然是硬壳式）。

在基础设施领域，对于电动汽车市场的渗透，没有什么比快速充电更重要（为什么不再有人说“充电”了？），因为它不仅使人们能够以“正常”站点的合理预期出行- 打破时间，但也减轻了电池尺寸问题。如果您可以在 15 分钟内在舒适地位于您的 EV 行驶范围内的站点“填充”您的 EV，那么任何关于化石燃料汽车的争论都归结为对所产生噪音的音量和质量的发自内心的满足。

在欧洲，由能源公司、汽车制造商、汽车供应商和公共机构组成的 Ultra-E 项目正在通过欧盟国家开发快速充电走廊，以鼓励电动汽车的开发和采用，作为欧盟连接欧洲倡议的一部分。 2 )。这些设施将彼此相隔120公里至不超过150公里。

第一个站点于 2017 年 12 月启用。四个 Ultra-E 快速充电器安装在德国美因河畔法兰克福附近的小镇 Kleinostheim，靠近 A3 高速公路的阿沙芬堡-西出口。今年春天，四个容量为 175 千瓦的充电站中的两个将升级到 350 千瓦，以实现更快的充电速度，并将为小型电动汽车和电动自行车增加一个额外的、多标准兼容的 50 千瓦充电器。最终，该网络将拥有 25 个多层快速充电站：德国 12 个，荷兰 5 个，奥地利 4 个，比利时 4 个。

更智能的电网 能源电网不断发展，变得更加智能、灵活和可靠。现代能源系统必须考虑多种来源、无数负载和法规网络。智能电网技术任何方面的改进都会非常积极地推动球向前发展，因为这个行业高度受价格驱动，而绿色在具有成本效益时最为成功。

电网存储是一个热门问题，因为它是管理太阳能和风能等替代能源所需的核心基础设施（地热足够一致，此处不予考虑）。如果多余的能源不能在需要的时候转移到需要的地方，那么绿色能源的论点就弱得多。

除了特斯拉在波多黎各和澳大利亚的微电网存储工作取得了非常公开的成功之外，值得注意的解决方案包括普渡大学研究人员开发的一项技术，该技术旨在改进回流电池，同时使其更具成本效益和环保。这一发展承诺将产生超越电网存储的影响，因为它将为电动和混合动力汽车的充电提供一种替代方案，该过程与今天的汽油管理非常相似。

该团队由普渡大学地球、大气和行星科学杰出教授兼数学教授 John Cushman 领导，他与人共同创立了一家名为 Ifbattery（IF-battery）的公司，以将该技术商业化。Ifbattery将通过用新鲜液体替换用过的液体电解质来为电动或混合动力汽车充电，这种方式不仅对用户来说很熟悉，而且在容量和放置方面对车辆设计者来说也是灵活的。然后，用过的电解液将被回收、充电和重复使用，进一步减少电池对生态的影响。

另一个优势是能够使用现有的地下管道、泵送和零售系统，简化采用并减少服务方面的行业阻力，因为现有供应商将在新技术中发挥不可或缺的作用。

Ifbattery 的无膜结构是其成本效益的核心，并消除了与膜污染相关的问题。此外，无毒电解质扩大了溶液的应用范围，从家庭到车辆再到工厂。

电动汽车虽然所有的目光都集中在消费汽车上，但采用电动汽车的真正市场（和最初的战场）将是车队车辆，其中卡车在最近的新闻中最为突出。与长途越野司机的流行形象相反，许多卡车交通是在站点之间相对较短的固定路线上进行的。长期以来在设施和校园内用于货物或人员流动的电动卡车和公共汽车终于到来了。

这不仅仅是围绕特斯拉的半成品的嗡嗡声，去年大张旗鼓地宣布并有大量的预购订单。尽管该公告确实具有历史意义，标志着电动卡车首次进入主流（请原谅双关语），但特斯拉的客户将等待长达两年的时间才能交付承诺的车辆。

其他悬而未决的部署包括初创公司 Proterra 向洛杉矶交通部提供 25 辆电池公交车的合同，以及洛杉矶县大都会交通管理局最近从 New Flyer 订购的电动公交车。与此同时，来自中国比亚迪的电动卡车正在加利福尼亚港口部署。

但大规模电动卡车商业化的典型代表无疑是梅赛德斯，其车辆于去年 2 月开始发货，现在已经上街。梅赛德斯-奔驰电动卡车在各个方面都与类似的内燃机驱动卡车相媲美，甚至在重量上也是如此。三轴车辆的允许总重量为 26 吨，并有一个电动后轴，电机靠近轮毂，最大输出功率为 125 千瓦，每侧扭矩为 500 牛顿米。

锂离子电池组的容量为 212 kWh，续航里程可达 200 公里，具有预测充电管理、主动预测动力总成控制和其他能源管理系统，可确保最高效率。卡车还使用了一种名为 FleetBoard for Urban Distribution 的新型解决方案，该解决方案将远程信息处理系统与驱动控制连接起来，以实现灵活调度，确保最佳车队利用率。

合成燃料无论电动汽车有多好，都会有客户和应用需要某种类型的基于燃料的车辆解决方案来服务于电动汽车不是解决问题的最佳方式或物流严重限制外部支持的情况。虽然回流电池和燃料电池可能能够解决这些问题，但合成燃料可以做到这一点，同时还几乎 100% 与现有的燃料、储存、运输和零售基础设施兼容。

埃克森美孚和 Synthetic Genomics 最近宣布通过将一种藻类菌株Nannochloropsis gaditana修饰为超过两倍的油表达量而没有重大副作用，实现了先进生物燃料的突破。使用基因开关来调节碳到油的转化，将藻类的油含量从 20% 提高到 40% 以上，同时维持藻类的生长。

该开发解决了长期存在的批量生物燃料生产的成本效益问题。限制氮等营养物质可以增加藻类的产油量，但会以光合作用为代价，对藻类生长产生负面影响。在增加油含量的同时保持生长将使基于藻类的燃料优于传统的生物燃料，因为该原料在盐水和恶劣的环境条件下茁壮成长。除了能够使用现有的运输和储存基础设施之外，来自藻类的燃料可以在现有的炼油厂中进行加工，几乎不需要修改，产生的气体对用户来说与现有的基于化石的产品没有什么不同。

展望今年无疑将带来有趣的发展、不可预见的事件、酷炫的技术和颠覆性的公告。寻找来自常见嫌疑人（电动汽车、智能电网和消费产品）的消息，但也要对扰乱苹果车并使每个人（甚至我的）预测毫无意义的发展持开放态度。

审核编辑 黄昊宇