技術(shù)交叉推動能源革命

【編者按】美國能源部（DOE）日前發(fā)布《四年度技術(shù)評估》報告，詳細評估了能源系統(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，提出了每個領(lǐng)域以及領(lǐng)域間12項交叉技術(shù)的未來研究、開發(fā)、示范和部署（RDD＆D）機遇，以推動實現(xiàn)安全、經(jīng)濟、環(huán)境友好的能源系統(tǒng)這一國家能源戰(zhàn)略目標。本報摘取部分內(nèi)容以供業(yè)內(nèi)參考。

美國正處在能源革命進程中，而先進技術(shù)是革命的主要推動力。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)通過新的研究計劃或促進現(xiàn)有各類研究活動的溝通以集成化方式進行，一個領(lǐng)域的技術(shù)進步同時會使其他領(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、單相配電流動的系統(tǒng)向多點分布、混沌、動態(tài)、配電雙向流動的系統(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機遇（例如可再生能源供電、高效電機控制和智能負載）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)將會在未來能源系統(tǒng)中發(fā)揮更核心的作用。這一快速發(fā)展領(lǐng)域的RDD＆D機遇包括：規(guī)劃模型、運營工具、輸電設(shè)備、配電硬件、控制系統(tǒng)、電能儲存和網(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)化多個部門、多個時間尺度（從以秒計的運行到以年計的規(guī)劃）、多個空間尺度（設(shè)備、建筑、園區(qū)、城市、地區(qū)、國家）及多種功能（數(shù)據(jù)、分析、控制、市場等）。集成還需要充分理解成本，也包括部署和運行的財務(wù)影響。

各技術(shù)的集成如燃料電池、儲能、屋頂太陽能和微電網(wǎng)等都會受到系統(tǒng)集成策略的影響。這一領(lǐng)域的RDD＆D機遇將使系統(tǒng)設(shè)計者和運營商通過合理的系統(tǒng)設(shè)計和斷開連接策略，優(yōu)化互聯(lián)、消除風(fēng)險。

嚴格網(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。能源行業(yè)正在積極探索促進網(wǎng)絡(luò)安全的機遇，包括發(fā)電和石油與天然氣生產(chǎn)、用來自動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)與自動化。

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

能源和水資源機遇

水資源使用和石油與天然氣生產(chǎn)、生物質(zhì)生長與處理、熱電廠冷卻、眾多制造過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機遇可以提高這些過程的效率，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)以及廣泛的機遇促進數(shù)據(jù)庫、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)害問題。另外，氣候科學(xué)和整體評估的進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?/strong>源、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)進步能夠促進這些應(yīng)用中對地下環(huán)境的表征和控制。在各種空間和時間尺度上定量預(yù)測和控制地下斷層、流體流動、復(fù)雜物理化學(xué)和巖石對控制的響應(yīng)非常關(guān)鍵。由于大部分地下環(huán)境無法直接觀測，需要依靠傳感技術(shù)、建模仿真的進步來改善這種狀況。這需要在高壓、高溫和強腐蝕性環(huán)境中，通過有效地持續(xù)監(jiān)控儲層完整性在低風(fēng)險條件下完成。