技经观察丨美国关键的能源创新机构——ARPA-E的在研项目
拜登政府将全球气候变化视为最严峻的挑战之一，签署了多项与能源和气候有关的行政命令和总统备忘录，期望通过大力发展变革性能源技术，发展安全、有效和经济的能源系统，减少碳排放，保持美国在气候治理领域的主导地位。美国能源高级研究计划局（Advanced Research Projects Agency-Energy，ARPA-E）作为美国变革性能源技术的主要推动者，在变革性技术发展方面已取得了突出的成绩，被誉为“美国能源创新的全能催化剂”。本文根据APRA-E近一年发布的新计划，以及ARPA-E发布的年度成果报告，介绍该组织正在开展的研究。
一、ARPA-E简介
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）报告。该报告建议在美能源部内建立类似美国防部高级研究计划局（DARPA）的机构，该机构将资助创造性、变革型和通用性的，且工业界无力开展的研究。2007年美国国会通过《美国竞争力法案》，确定设立ARPA-E，法规规定了ARPA-E的两个主要目标：一是通过发展能源技术加强美国的经济和能源安全；二是保持美国在先进能源技术的领先地位。ARPA-E于2009年正式启动，而后10多年，ARPA-E总共投入超过26亿美元，资助超过180个计划、1000个项目，吸引超过49亿美元私营部门后续资金，产生了超过90家新公司。ARPA-E的架构以DARPA为原型而设计，由上层机构——机构主任和副主任，下层机构——负责具体工作的研究团队组成。其中ARPA-E的机构主任由总统直接任命，并直接向美国能源部部长报告。ARPA-E的计划管理十分严格，包括有潜力的前沿技术确定、技术研讨会、发布融资机会公告（FOA）、行业专家评审、项目实施等。ARPA-E的计划主要分为特定领域的主题研究和开放式项目计划（OPEN计划），其中OPEN计划于2009年首次推出，每3个财年都会发布新一轮OPEN计划。OPEN计划每次资助40～60个项目，资助金额超过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）
二、ARPA-E正在开展的重点计划
ONWARDS计划
2021年5月19日，ARPA-E发布ONWARDS（优化核废料和先进反应堆处置系统）计划，旨在确定先进核反应堆（AR）、泛燃料废物和乏燃料处置途径以限制先进核反应堆产生的核废物数量，保护土地和空气，并增加将核电作为可靠的清洁能源的部署和使用。据悉，美国一半以上的零碳能源来自核能，但美国每年也产生了大约2000公吨的乏燃料。对此，ARPA-E将通过在燃料循环前端开发新的工艺和应用，防止核废料的形成，以解决因乏核燃料处置方案有限带来的挑战，其中包括提高燃料回收工艺、改进传感器从而对核材料准确核算，以及开发高性能核废物形式。
2022年3月10日，ARPA-E宣布向ONWARDS计划下11个项目拨款3600万美元，支持高校和企业联合开展先进、安全可靠的核废料处置技术研发，解决核能使用过程中的放射性核废料安全问题，以进一步扩大美国的核电部署规模。这些项目包括：为美国深层隔离公司提供360万美元，开发和部署通用性能标准和核废料存储罐系统；为通用电气全球研究中心提供450万美元，开发能够在核燃料处理设施环境中稳定运行的计算系统；为美国Oklo公司提供400万美元，开发下一代先进的乏燃料回收设施并开展技术-经济性评估；为泰拉能源公司提供855万美元，开发出从核废料中高效回收铀元素的工艺路线等。
2.HESTIA计划
2021年11月8日，ARPA-E发布HESTIA（利用建筑结构从大气中捕集二氧化碳）计划，宣布拨款4100万美元开发新的建筑材料，降低建筑过程中的排放，并将建筑转变为净碳储存结构。ARPA-E表示，建筑相关碳排放占美国全年碳排放的10%左右，降低或消除建筑过程碳排放、增加建筑储碳能力有助于实现净零排放目标，建筑材料和建筑技术有巨大的碳汇潜能，但碳储存建筑材料稀缺且昂贵。ARPA-E已选择了一系列潜在原料，包括林业专用产品和农业废弃物等，利用这些原料制成建筑材料。这些建筑材料将具备可燃性、高强度、易于安装更换和可回收再利用等特性，从而满足建筑行业的现有规范。同时，这些建筑材料将其他碳储存材料更易获得、成本更低。此外，ARPA-E还将投资400万美元开发建筑生命周期分析工具和框架。
2022年6月13日，ARPA-E宣布向HESTIA计划提供3900万美元，用于支持18个研发项目，以开发和示范利用建筑材料及建筑设计实现碳封存的前沿技术。这些项目是HESTIA计划的入选者，项目包括：利用生物燃料生产中的低价值副产品制造高性能负碳混凝土；利用光合途径生产负碳石灰石硅酸盐水泥；采用3D打印碳吸收缆索系统的高性能建筑结构；用于负碳排放建筑/构造的纤维素-菌丝体复合材料；用于负碳排放建筑/构造的纤维素-菌丝体复合材料等。
3.OPEN 2021计划
2022年2月14日，ARPA-E宣布新一期的OPEN 2021开放招标计划，资助1.75亿美元支持国家实验室、高校和企业协同开展具有潜在颠覆性影响的变革性清洁能源技术研发，确保美国在未来绿色能源技术的全球领导地位。该计划重点关注13个主题，包括：建筑能效；分布式能源；提高电力电子器件和设备效率；发电；电网；针对制造业开发先进的节能技术；提高资源利用效率以及碳捕集技术的研发以减少碳排放；储能技术；交通运输中的能量转换相关技术；能源生产和脱碳技术；交通运输网络；交通运输储能技术；交通工具研究。每个主题下又包含多个具体内容，如在提高电力电子器件和设备效率主题下的开发一种突破性的无线充电系统，用于电动汽车的静态和动态充电；在发电主题下的研究一种新的无焰燃烧法，用于使用氢气和天然气混合燃料的先进燃气轮机。
4.SCALEUP主题
2021年1月12日，ARPA-E宣布在SCALEUP（有应用潜力的领先能源技术种子孵化）主题研发计划框架下资助4700万美元，旨在支持具有潜在颠覆性影响的变革性能源技术研发，并协助相关研发机构将其取得实验室进展、具有应用潜力的技术推向商业化。本次资助研究项目包括：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术；在电动汽车中加速规模化采用高容量的硅负极技术；扩大具有成本效益的电网现代化技术；盆地规模的持续油气排放减排网络；适用于大规模储能和电动汽车的高度可扩展虚拟电厂平台；聚合物电解质制造工艺。
5.REMEDY计划
2021年4月8日，ARPA-E发布旨在减少石油、天然气和煤炭等行业的甲烷排放的REMEDY（减少每天的甲烷排放量）计划。该计划将针对石油、天然气和煤炭价值链中三个甲烷生产来源，开发减少甲烷排放的系统级技术解决方案。这三个来源分别是天然气稀薄燃烧发动机的废气、油气设施安全运行所需的火炬和煤矿井下作业排出的甲烷。REMEDY计划的目标是直接解决产生甲烷排放的5万多个发动机，30万处火炬和250个矿井,使这些设备实现99.5%的整体甲烷转化率、在设备生命周期内减少温室气体净排放量高于87%，以及碳的平准化成本低于40美元/吨二氧化碳当量。针对上述三个甲烷来源，ARPA-E设立了三个主题，包括开发新型燃气发动机、开发新型点火燃烧装置，以及开发煤矿中开采过程中甲烷减排新技术。
6.ATLANTIS计划
2022年9月16日，拜登政府宣布启动一系列海上风电计划，推动海上风电部署。其中，ARPA-E为ATLANTIS计划第二阶段投资3100万美元，研究新的海上风电技术，包括具有成本效益的浮动式海上风电技术、扩大国内风电关键设施制造能力、开发超灵活、智能的海上风力发电机（USFLOWT）等。
7.COOLERCHIPS计划
2022年9月23日，ARPA-E宣布为“对耗能激增、可靠性高、超高碳排放的数据中心的冷却系统升级（Cooling Operations Optimized for Leaps in Energy, Reliable and Carbon Hyperefficiency for Information Processing Systems ，COOLERCHIPS）计划”提供4200万美元，开发高性能冷却系统。美能源部指出，数据中心消耗美国总电量的2%，其中数据中心冷却占据数据中心总耗能的40%。ARPA-E计划开发高效可靠的冷却系统，实现新型高效的高功率密集型计算系统、数据中心和模块化系统，重点关注的创新领域包括：适用于下一代高功率密度服务器的节能冷却解决方案；可在任何地方高效运行的高功率密度模块化数据中心；开发用于优化数据中心的能源使用、碳足迹、可靠性和成本的软件和建模工具；评估和演示该计划下开发的设施。
8.CURIE计划
2022年10月21日，ARPA-E宣布为将乏燃料放射性同位素转化为能量（CURIE）计划提供3800万美元资金，支持乏燃料回收技术研发项目，以减少核反应堆乏燃料（UNF）处置产生的影响，并回收和制造新的燃料及副产品。美能源部表示，核电为美国提供了五分之一的电力，使用过的核燃料可以制造新的燃料和产品，并促进核电持续发展。该计划共计资助11个项目，包括：为阿贡国家实验室提供490万美元，开发稳定的下一代负极材料，将97%的乏燃料氧化物转化为金属；为Curio公司提供500万美元，开发并示范实验室规模的乏燃料回收工艺（NuCycle工艺）；为通用电气研究院（GE Research）提供645万美元，开发变革性的湿法后处理设施安全保障解决方案；为Mainstream工程公司提供158万美元，开发一种真空摆动分离技术，以分离和捕获挥发性放射性核素；为爱达荷州国家实验室提供266万美元，开发用于还原乏燃料中锕系元素的阳极材料；为犹他大学提供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原料等。
三、结语
作者简介
张宇麒 国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究五室，三级分析员
研究方向：能源领域前沿技术研究跟踪及产业、政策研究
联系方式：1055791136@qq.com
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编辑丨郑实
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