深度解析|美国“能源攻关计划”到底要干嘛？

美国能源部基于“太阳能攻关计划”的成功经验，于2021年6月推出了“能源攻关计划”，计划在未来10-15年的时间集中攻关推进能源若干关键领域的科技创新。截至2023年6月，DOE在该框架下迄今为止，DOE已经启动了6个技术领域的能源攻关计划，包括：氢能、长时储能、负碳技术、增强型地热系统、浮动式海上风能、工业供热。那么美国到底要出什么“幺蛾子”？

从太阳能攻关到能源攻关

能源清洁转型是实现碳中和目标的关键途经，需要通过技术的重大创新突破以实现更清洁、经济、高效的解决方案。

美国能源部（DOE）于2011年开始实施太阳能应用领域的“Sunshot”攻关计划，该项目中的超临界二氧化碳布雷顿循环系统研发项目的主体项目为10MW超临界二氧化碳发电机组项目研发和测试，由美国桑迪亚（Sandia）国家实验室-核能系统实验室（NESL）承担相关的实验研究。

经过测试证明，S-CO2作为工质的光热发电系统在600到700℃的温度范围内运行都可以有良好表现，可以在500℃以上、20MPa的大气压下实现高效率的热能利用，热效率可以达到45%以上。对于需要建设大规模镜场，因而投资巨大，需要高效率发电方式的光热发电来说，这显然是一个理想的选择。目前，美国、日本、印度都已经建成了相关的实验系统。

美国能源部（DOE）基于“太阳能攻关计划”（SunShot）的成功经验，于2021年6月推出了“能源攻关计划”（Energy Earthshots），计划在未来10~15年集中各方力量攻关，推进能源若干关键领域的科学和技术创新，以降低成本、提高性能，为实现清洁能源的规模化部署扫清关键障碍。为此，美国能源部(DOE)科学办公室宣布未来4年向能源攻关研究中心(EERC)投入2亿美元，用于计划实施。

“能源攻关计划”是DOE提出的一种创新的科研攻关途径，部署可迅速减少排放的技术，以解决最难减排部门的脱碳问题。该计划参照DOE在2011年推出的“太阳能攻关计划”经验，针对7个关键领域设定了未来10~15年的成本目标和研发关键技术或将采取的重要途径（表1）。

表1 美国能源部“能源攻关计划”概况

上述攻关计划针对最难减排的关键领域，能够产生极大的气候和经济效益。一项针对能源攻关计划的情景分析显示，实现前6项计划目标可在未来30年减少约39亿吨碳排放，降低8500亿美元的能源系统成本。

分学科技术攻关

DOE极为重视通过基础科学研发支撑能源攻关计划的技术开发和示范应用，在计划推出后就持续通过科学办公室（SC）资助相关基础科学。从2023财年开始，科学办公室在其年度预算申请中为能源攻关计划专门设定了预算经费（2023年为2.04亿美元）。

DOE认为，能源攻关计划相关基础研究跨越多个主题，需要在发展基础科学的同时，开发多尺度计算和建模工具、人工智能和机器学习、实时表征等技术，实现过程和系统的协同设计，而非单个材料、化学物质和组件的创新。因此，除了进行清洁能源关键技术的基础研究外，还提出将启动“能源攻关研究中心”（EERC），直接对接当前正进行的相关技术研发及示范工作。

能源攻关研究中心是在DOE科学办公室“能源前沿研究中心”（EFRC）和SciDAC计划基础上提出的一种协同攻关模式。汇集多研究人员、多学科团队开展能源相关研究，其范围和复杂性超过通常的单个研究人员或小团队研究资助模式。

2023年1月19日，科学办公室宣布未来4年共计投入2亿美元启动能源攻关研究中心，支持当时已经部署的6项能源攻关计划基础科学研究，其中2023财年将投入5000万美元资助首批能源攻关研究中心项目，由科学办公室的“先进科学计算研究”（ASCR）、“基础能源科学”（BES）和“生物与环境研究”（BER）3个计划办公室共同支持。

3月21日，科学办公室再发布资助公告，未来3年资助1.5亿美元（2023年资助5000万美元），支持各项能源攻关计划的交叉领域基础科学研究，作为对能源攻关研究中心资助主题的补充。上述两项资助重点关注主题包括：

（1）氢能攻关计划，包括2项主题：制氢基础科学；氢源及氢排放量化相关基础科学。目标是在未来十年使清洁氢成本降低80%至1美元/千克，以加速氢能技术创新并刺激清洁氢能需求。

工业界已经开始部署清洁氢能以减少排放，但是大规模部署仍然存在许多障碍。目前，可再生能源制氢价格约为5美元/千克。通过实现80%的成本削减目标，能够增加可再生能源、核能和热能转化等途径的清洁氢产量，使清洁氢的需求增长5倍。这将创造更多清洁能源就业机会，减少温室气体排放，并使美国在全球清洁能源市场具有竞争力。

（2）长时储能攻关计划，“长时储能攻关”计划主要目标是：在未来十年内，将数百吉瓦的清洁能源引入电网，将储能时间超过10小时的系统成本降低90%。储能具有加速电网完全脱碳的潜力，虽然目前正在发展短时储能技术以支持当前的可再生能源发电，但随着更多的可再生能源并网，需要部署更长时的储能技术。

“长时储能攻关”计划将考虑所有类型的储能技术，包括电化学储能、机械储能、储热、化学储能，以及可满足电网灵活性所需的持续时间和成本目标的任何储能技术组合。当前，抽水蓄能是电网系统中最大规模的长时储能技术，而锂离子电池是美国电网部署的新型储能技术中短时储能的主要技术。美国能源部2022财年预算中将为储能大挑战计划资助11.6亿美元，以解决储能发展的技术挑战和成本障碍，建立一个美国本土储能制造业，帮助实现气候和经济竞争力目标。

（3）负碳攻关计划，包括4项主题：CO2生物封存；CO2非生物封存；耦合实验和计算的CO2碳化及反应性基础动力学研究；测量、监测和验证。该计划是通过研发使二氧化碳移除（CDR）技术更具成本效益和可扩展性，实现到2050年从大气中去除数十亿吨二氧化碳，并且捕集和封存成本低于100美元/吨。

（4）EGS攻关计划，包括3项主题：EGS环境中地下本构力学和流体注入响应的实验和计算研究；EGS数据收集和分析的创新方法；EGS井筒环境中的材料行为和地球化学/地质力学过程研究。

（5）浮动式海上风电攻关计划，包括3项主题：浮动式风力发电机材料、建模和控制；风电场及周边环境的建模和测量；风电输电、热电联产和储能。

美国能源部(DOE)宣布到2030年的海上风电目标，将部署30吉瓦海上风电机组，旨在推进美国海上风电行业发展，助力解决气候危机并创造就业机会。据DOE估计，实现该目标将带动120亿美元/年的资本投资，可建设多达10个海上风力涡轮机组件和安装船制造厂，并促进价值5亿美元的港口升级。该目标将推动美国到2050年建设110吉瓦海上风电机组，提供13.5万个工作岗位。

（6）工业供热攻关计划，包括3项主题：降低工业供热碳足迹；开发热工艺过程的替代技术，或减少热量需求；热回收和利用。

（7）交叉领域，包括6项主题：用于极端环境的材料发现；多尺度过程和系统；测量和传感；规模放 大；生物和生化方法；数据、人工智能和计算方法。

2024财年，DOE科学办公室针对能源攻关计划的预算拨款为1.75亿美元，将资助新的研发主题和交叉领域研究。

全部门协作攻关

尽管美国通过《两党基础设施法案》和《通胀削减法案》部署，已经在降低上述关键技术成本方面取得了长足进展，但仍需加强进一步研发以降低成本。通过能源攻关计划这一创新途径，DOE将调动全部门参与创新，发挥DOE科学办公室、各应用能源技术办公室、先进能源研究计划署（ARPA-E）等部门的协同作用，以应对技术挑战和成本障碍，迅速推进解决方案。各项能源攻关计划涉及的DOE业务办公室及相关已有的重大研发计划如表2所示。

表2 美国能源部“能源攻关计划”相关业务办公室及相关已有的重大研发计划

以最早启动的“氢能攻关计划”为例，其在资源、战略规划和利益相关方参与等方面均保持协同合作，确保能够瞄准共同的目标，通过科学和战略性的引导实现行动的协调一致（图1）：

图1 美国能源部“氢能攻关计划”的协同组织模式

① 在基础研究方面，通过科学办公室能源攻关研究中心组织基础科学研究活动，重点解决相关基础科学问题，这些科学问题是基于科学办公室前期组织的氢能、液体太阳燃料、计算和数据需求等领域基础能源科学圆桌会议的研讨结果。

② 在技术开发方面，通过能效和可再生能源办公室、化石能源与碳管理办公室、核能办公室等应用能源技术办公室，利用《两党基础设施法案》对电解制氢、制造及回收相关的拨款，支持相应的技术开发和试点示范。DOE的《国家清洁氢能战略和路线图》为上述应用能源技术办公室的研发活动提供指导。

③ 在基础设施建设方面，DOE基础设施办公室基于《两党基础设施法案》拨款，支持规划和建设区域清洁氢中心，进行大规模示范。DOE的《商业扩张之路：清洁氢能》报告提供了区域氢中心的发展路径建议，DOE能效和可再生能源办公室开发的H2 Matchmaker在线平台[10]为氢能供应商和用户提供供需信息，促成区域业务的合作和发展机会。