美國能源部基于“太陽能攻關(guān)計(jì)劃”的成功經(jīng)驗(yàn)，于2021年6月推出了“能源攻關(guān)計(jì)劃”，計(jì)劃在未來10-15年集中攻關(guān)推進(jìn)能源若干關(guān)鍵領(lǐng)域的科技創(chuàng)新。截至2023年6月，DOE在該框架下已經(jīng)推出了7個(gè)領(lǐng)域的攻關(guān)計(jì)劃。本文系統(tǒng)分析了能源攻關(guān)計(jì)劃的部署情況和組織管理特點(diǎn)。
美國能源部能源攻關(guān)計(jì)劃分析
能源清潔轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵途經(jīng)，需要通過技術(shù)的重大創(chuàng)新突破以實(shí)現(xiàn)更清潔、經(jīng)濟(jì)、高效的解決方案。為此，美國能源部（DOE）基于“太陽能攻關(guān)計(jì)劃”（SunShot）的成功經(jīng)驗(yàn)，于2021年6月推出了“能源攻關(guān)計(jì)劃”（Energy Earthshots）[1]，計(jì)劃在未來10~15年集中各方力量攻關(guān)，推進(jìn)能源若干關(guān)鍵領(lǐng)域的科學(xué)和技術(shù)創(chuàng)新，以降低成本、提高性能，為實(shí)現(xiàn)清潔能源的規(guī)模化部署掃清關(guān)鍵障礙。截至2023年6月，DOE在該框架下已經(jīng)推出了7個(gè)領(lǐng)域的攻關(guān)計(jì)劃。本文系統(tǒng)梳理了能源攻關(guān)計(jì)劃的部署情況，供決策參考。
一、能源攻關(guān)計(jì)劃概況
“能源攻關(guān)計(jì)劃”是DOE提出的一種創(chuàng)新的科研攻關(guān)途徑，部署可迅速減少排放的技術(shù)，以解決最難減排部門的脫碳問題。該計(jì)劃參照DOE在2011年推出的“太陽能攻關(guān)計(jì)劃”經(jīng)驗(yàn)，針對7個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域設(shè)定了未來10~15年的成本目標(biāo)和研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)或?qū)⒉扇〉闹匾緩剑ū?）。
表1 美國能源部“能源攻關(guān)計(jì)劃”概況
上述攻關(guān)計(jì)劃針對最難減排的關(guān)鍵領(lǐng)域，能夠產(chǎn)生極大的氣候和經(jīng)濟(jì)效益。一項(xiàng)針對能源攻關(guān)計(jì)劃的情景分析顯示[2]，實(shí)現(xiàn)前6項(xiàng)計(jì)劃目標(biāo)可在未來30年減少約39億噸碳排放，降低8500億美元的能源系統(tǒng)成本。而且，能源攻關(guān)計(jì)劃的7個(gè)領(lǐng)域之間還具備互補(bǔ)性，如直接空氣碳捕集與電解制氫技術(shù)相結(jié)合，能夠用于生產(chǎn)清潔燃料和產(chǎn)品。
二、通過組織系統(tǒng)性基礎(chǔ)科學(xué)研究解決技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用部署的關(guān)鍵科學(xué)問題
DOE極為重視通過基礎(chǔ)科學(xué)研發(fā)支撐能源攻關(guān)計(jì)劃的技術(shù)開發(fā)和示范應(yīng)用，在計(jì)劃推出后就持續(xù)通過科學(xué)辦公室（SC）資助相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)。從2023財(cái)年開始，科學(xué)辦公室在其年度預(yù)算申請[3]中為能源攻關(guān)計(jì)劃專門設(shè)定了預(yù)算經(jīng)費(fèi)（2023年為2.04億美元）。DOE認(rèn)為，能源攻關(guān)計(jì)劃相關(guān)基礎(chǔ)研究跨越多個(gè)主題，需要在發(fā)展基礎(chǔ)科學(xué)的同時(shí)，開發(fā)多尺度計(jì)算和建模工具、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)、實(shí)時(shí)表征等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)過程和系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)，而非單個(gè)材料、化學(xué)物質(zhì)和組件的創(chuàng)新。因此，除了進(jìn)行清潔能源關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)研究外，還提出將啟動“能源攻關(guān)研究中心”（EERC），直接對接當(dāng)前正進(jìn)行的相關(guān)技術(shù)研發(fā)及示范工作，利用科學(xué)辦公室的基礎(chǔ)研究設(shè)施和能力解決應(yīng)用研究和示范活動中最具挑戰(zhàn)的科學(xué)問題。
能源攻關(guān)研究中心是在DOE科學(xué)辦公室“能源前沿研究中心”（EFRC）和SciDAC計(jì)劃[4]基礎(chǔ)上提出的一種協(xié)同攻關(guān)模式。匯集多研究人員、多學(xué)科團(tuán)隊(duì)開展能源相關(guān)研究，其范圍和復(fù)雜性超過通常的單個(gè)研究人員或小團(tuán)隊(duì)研究資助模式。能源攻關(guān)研究中心將補(bǔ)充和擴(kuò)大“能源前沿研究中心”和SciDAC的資助范圍，包括對基礎(chǔ)研究人員、國家實(shí)驗(yàn)室和技術(shù)開發(fā)人員進(jìn)行團(tuán)隊(duì)共同資助，解決基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和技術(shù)開發(fā)活動之間的研究挑戰(zhàn)，建立跨部門研究合作的新模式。2023年1月19日，科學(xué)辦公室宣布未來4年共計(jì)投入2億美元啟動能源攻關(guān)研究中心[5]，支持當(dāng)時(shí)已經(jīng)部署的6項(xiàng)能源攻關(guān)計(jì)劃基礎(chǔ)科學(xué)研究，其中2023財(cái)年將投入5000萬美元資助首批能源攻關(guān)研究中心項(xiàng)目，由科學(xué)辦公室的“先進(jìn)科學(xué)計(jì)算研究”（ASCR）、“基礎(chǔ)能源科學(xué)”（BES）和“生物與環(huán)境研究”（BER）3個(gè)計(jì)劃辦公室共同支持。3月21日，科學(xué)辦公室再發(fā)布資助公告[6]，未來3年資助1.5億美元（2023年資助5000萬美元），支持各項(xiàng)能源攻關(guān)計(jì)劃的交叉領(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué)研究，作為對能源攻關(guān)研究中心資助主題的補(bǔ)充。上述兩項(xiàng)資助重點(diǎn)關(guān)注主題包括：
（1）氫能攻關(guān)計(jì)劃，包括2項(xiàng)主題：制氫基礎(chǔ)科學(xué)；氫源及氫排放量化相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)。
（2）長時(shí)儲能攻關(guān)計(jì)劃，包括4項(xiàng)主題：電化學(xué)儲能；電熱儲能；基于載體的化學(xué)儲能；機(jī)械儲能。
（3）負(fù)碳攻關(guān)計(jì)劃，包括4項(xiàng)主題：CO2生物封存；CO2非生物封存；耦合實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的CO2碳化及反應(yīng)性基礎(chǔ)動力學(xué)研究；測量、監(jiān)測和驗(yàn)證。
（4）EGS攻關(guān)計(jì)劃，包括3項(xiàng)主題：EGS環(huán)境中地下本構(gòu)力學(xué)和流體注入響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究；EGS數(shù)據(jù)收集和分析的創(chuàng)新方法；EGS井筒環(huán)境中的材料行為和地球化學(xué)/地質(zhì)力學(xué)過程研究。
（5）浮動式海上風(fēng)電攻關(guān)計(jì)劃，包括3項(xiàng)主題：浮動式風(fēng)力發(fā)電機(jī)材料、建模和控制；風(fēng)電場及周邊環(huán)境的建模和測量；風(fēng)電輸電、熱電聯(lián)產(chǎn)和儲能。
（6）工業(yè)供熱攻關(guān)計(jì)劃，包括3項(xiàng)主題：降低工業(yè)供熱碳足跡；開發(fā)熱工藝過程的替代技術(shù)，或減少熱量需求；熱回收和利用。
（7）交叉領(lǐng)域，包括6項(xiàng)主題：用于極端環(huán)境的材料發(fā)現(xiàn)；多尺度過程和系統(tǒng)；測量和傳感；規(guī)模放 大；生物和生化方法；數(shù)據(jù)、人工智能和計(jì)算方法。
2024財(cái)年，DOE科學(xué)辦公室針對能源攻關(guān)計(jì)劃的預(yù)算撥款為1.75億美元[7]，將資助新的研發(fā)主題和交叉領(lǐng)域研究。
三、“全部門參與創(chuàng)新”（All-hands）協(xié)同攻關(guān)組織模式
盡管美國通過《兩黨基礎(chǔ)設(shè)施法案》和《通脹削減法案》部署，已經(jīng)在降低上述關(guān)鍵技術(shù)成本方面取得了長足進(jìn)展，但仍需加強(qiáng)進(jìn)一步研發(fā)以降低成本。通過能源攻關(guān)計(jì)劃這一創(chuàng)新途徑，DOE將調(diào)動全部門參與創(chuàng)新，發(fā)揮DOE科學(xué)辦公室、各應(yīng)用能源技術(shù)辦公室、先進(jìn)能源研究計(jì)劃署（ARPA-E）等部門的協(xié)同作用，以應(yīng)對技術(shù)挑戰(zhàn)和成本障礙，迅速推進(jìn)解決方案。各項(xiàng)能源攻關(guān)計(jì)劃涉及的DOE業(yè)務(wù)辦公室及相關(guān)已有的重大研發(fā)計(jì)劃如表2所示。
表2 美國能源部“能源攻關(guān)計(jì)劃”相關(guān)業(yè)務(wù)辦公室及相關(guān)已有的重大研發(fā)計(jì)劃
以最早啟動的“氫能攻關(guān)計(jì)劃”為例，其在資源、戰(zhàn)略規(guī)劃和利益相關(guān)方參與等方面均保持協(xié)同合作，確保能夠瞄準(zhǔn)共同的目標(biāo)，通過科學(xué)和戰(zhàn)略性的引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)行動的協(xié)調(diào)一致（圖1）：
圖1 美國能源部“氫能攻關(guān)計(jì)劃”的協(xié)同組織模式
① 在基礎(chǔ)研究方面，通過科學(xué)辦公室能源攻關(guān)研究中心組織基礎(chǔ)科學(xué)研究活動，重點(diǎn)解決相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問題，這些科學(xué)問題是基于科學(xué)辦公室前期組織的氫能、液體太陽燃料、計(jì)算和數(shù)據(jù)需求等領(lǐng)域基礎(chǔ)能源科學(xué)圓桌會議的研討結(jié)果。
② 在技術(shù)開發(fā)方面，通過能效和可再生能源辦公室、化石能源與碳管理辦公室、核能辦公室等應(yīng)用能源技術(shù)辦公室，利用《兩黨基礎(chǔ)設(shè)施法案》對電解制氫、制造及回收相關(guān)的撥款，支持相應(yīng)的技術(shù)開發(fā)和試點(diǎn)示范。DOE的《國家清潔氫能戰(zhàn)略和路線圖》[8]為上述應(yīng)用能源技術(shù)辦公室的研發(fā)活動提供指導(dǎo)。
③ 在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，DOE基礎(chǔ)設(shè)施辦公室基于《兩黨基礎(chǔ)設(shè)施法案》撥款，支持規(guī)劃和建設(shè)區(qū)域清潔氫中心，進(jìn)行大規(guī)模示范。DOE的《商業(yè)擴(kuò)張之路：清潔氫能》報(bào)告[9]提供了區(qū)域氫中心的發(fā)展路徑建議，DOE能效和可再生能源辦公室開發(fā)的H2 Matchmaker在線平臺[10]為氫能供應(yīng)商和用戶提供供需信息，促成區(qū)域業(yè)務(wù)的合作和發(fā)展機(jī)會。
同時(shí)，學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界通過多種渠道直接或間接為《國家清潔氫能戰(zhàn)略和路線圖》等重要政策文件的制定提供建議。
[1] Energy Earthshots. https://www.energy.gov/policy/energy-earthshots-initiative
[2] DOE’s Energy Earthshots: Innovation Unlocks Big Cost and Emissions Savings. https://www.thirdway.org/executive-summary/does-energy-earthshots-innovation-unlocks-big-cost-and-emissions-savings
[3] Department of Energy FY 2023 Congressional Budget Request: Science. https://www.energy.gov/sites/default/files/2022-05/doe-fy2023-budget-volume-5-science-v2.pdf
[4] SciDAC計(jì)劃由美國能源部科學(xué)辦公室于2001年啟動，全稱為“通過先進(jìn)計(jì)算進(jìn)行科學(xué)發(fā)現(xiàn)”（Scientific Discovery through Advanced Computing），旨在開發(fā)利用超級計(jì)算機(jī)推進(jìn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)所需的科學(xué)計(jì)算軟件和硬件基礎(chǔ)設(shè)施。SciDAC是一種合作伙伴關(guān)系，涉及美國能源部科學(xué)辦公室全部6個(gè)領(lǐng)域研究計(jì)劃（先進(jìn)科學(xué)計(jì)算研究、基礎(chǔ)能源科學(xué)、生物與環(huán)境研究、聚變能科學(xué)、高能物理、核物理），聯(lián)合應(yīng)用數(shù)學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)家和其他學(xué)科科學(xué)家，加速推進(jìn)科學(xué)計(jì)算進(jìn)展，產(chǎn)出突破性科學(xué)成果。雖然SciDAC是科學(xué)辦公室各研究計(jì)劃之間的合作伙伴關(guān)系，但其也納入了國家實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)和其他研究組織的專家團(tuán)隊(duì)，確保能夠利用最廣泛的專業(yè)知識，產(chǎn)生的工具和方法可用于更廣泛的研究。
Scientific Discovery through Advanced Computing. https://scidac.gov/documents/SciDAC.pdf
[5] Department of Energy Announces $200 Million for Energy Earthshot Research Centers in support of the Energy Earthshots?. https://www.energy.gov/science/articles/department-energy-announces-200-million-energy-earthshot-research-centers-support
[6] Department of Energy Announces $150 Million for Research on the Science Foundations for Energy Earthshots. https://www.energy.gov/science/articles/department-energy-announces-150-million-research-science-foundations-energy
[7] Department of Energy FY 2024 Congressional Budget Request: Science. https://www.energy.gov/sites/default/files/2023-06/doe-fy-2024-budget-vol-5-v4.pdf
[8] U.S. National Clean Hydrogen Strategy and Roadmap. https://www.hydrogen.energy.gov/clean-hydrogen-strategy-roadmap.html?utm_medium=print&utm_source=hydrogen-doe&utm_campaign=strategy
[9] Pathways to Commercial Liftoff: Clean Hydrogen. https://liftoff.energy.gov/wp-content/uploads/2023/05/20230523-Pathways-to-Commercial-Liftoff-Clean-Hydrogen.pdf
[10] H2 Matchmaker. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/h2-matchmaker
（岳芳）
