開放性問題:潔淨能源研究裡餘下的重點挑戰

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向Wed Mar 03 2021 提供最新信息

有大量的開放問題和潛在技術。 我們只在此列舉一些。 此外,圍繞二氧化碳稅等話題的經濟學和政治討論是高度相關的開放性問題,但本章沒有涉及。

能量儲存

Problem: Large-scale storage to enable solar and wind growth

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為了大規模部署像太陽能和風能這樣的可變能源,我們需要從產生之日起儲存能源直至需要使用的時候。 目前有許多不同的存儲技術,從各種電池到蓄熱,壓縮空氣和抽水蓄能。 降低成本,提高這些系統的效率和可擴展性對於可再生能源的成功是至關重要的。 這些技術需要變得更便宜,更高效,才能實現太陽能和風能的大規模部署

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Problem: Better, more sustainable, and (even) cheaper batteries for cars and trucks

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隨著電動汽車的普及和電氣化的加速,依靠電池工作變得越來越緊迫。 我們希望電池具有更長的使用壽命,生產變得更簡單,更便宜,並且具有更好的性能[TSLAPatent1,TSLAPatent2,Patent3,SulfurBatteries]。 努力製造出性能良好的,含鈷少或無鈷的電池也至關重要。 這是因為當有大量需求時,鈷既不可持續又昂貴

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Problem: Hydrogen from electricity: cheap and efficiently

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氫可以替代飛機和輪船中的碳基燃料,並且可以與汽車中的電池競爭……只要我們能使它變得高效。 可再生電力的成本只是這裡的方程式的一部分。 電解器,即從水中製造氫氣的機器,需要變得更便宜[H2_3,H2Eng]。 由於氫在室溫下為氣體,因此需要壓縮。所以,壓縮過程也需要進行優化,並可能直接與電解集成

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核能

Problem: Make nuclear cheaper and build reactors faster

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2018年的建設時間的中位數為八年半。 這自然增加了建造新反應堆的財務和政治風險。 反應堆越便宜,越快,建造新反應堆的動力就越高。

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Problem: Make nuclear popular & encourage pro-nuclear-research policies and funding, especially in growing economies

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核能是一種非常安全且低碳的能源。 由於罕見、但引人注目的事故[Fukushima,Chernobyl],核電受到一些反對意見。 面對氣候變化之類的嚴峻挑戰,值得認真權衡一下我們的選擇。 我們不想非理性地下定決心,而錯過一些偉大的事物!

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Problem: Recycle nuclear waste in breeder reactors

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從理論上講,核廢料可以被重新用作不同類型的反應堆的燃料,稱為“增殖”反應堆。 這樣做是很不錯的,有幾個原因:成本,燃料可用性,當然還有更少的浪費。 然而,該技術迄今尚未得到證實,需要更多的研究才能成為現實。

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太阳能

Problem: Earth-abundant thin-film solar: cheaper & sustainable?

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薄膜太陽能電池板是一種太陽能光伏技術[MITSolarF,ThinFilm123]。 當今的商用薄膜太陽能電池是由稀有元素製成的,這意味著我們不能建造大量的薄膜電池。 關於它們的最新成果旨在使用地球上更為充沛的材料。 最終,與當今的商業矽或薄膜技術相比,這些電池可能成本更低,更具可持續性且效率更高[MITSolarF,ThinFilm123]。

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Problem: Recycling of solar panels

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我們的星球為我們提供的資源是有限的,其中一些用於太陽能光伏的資源尤為罕見。 太陽能電池板的使用壽命約為25年。 之後,我們將不得不用新面板替換它們。 這帶來了兩個問題:1)舊的面板現在已經浪費了; 2)建造新的面板將需要原材料。 可悲的現實是,如今,發達國家的大多數電子垃圾正以不負責任的方式出口到發展中國家,並傾倒在那裡。 能夠以可承受的價格回收舊面板中的材料並用它們製造新面板,可以解決這些問題[SolarWaste,MITSolarF]。

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風能

Problem: Floating turbines

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當今的海上風力渦輪機只能在海岸附近建造。 不幸的是,與深海中的風相比,海岸附近的風更慢且更不穩定[ss,qq,rr,rra]。 浮動式風力渦輪機可以用長鋼纜錨固在海床上,從而可以將它們放置在更深的水中。 那裡的風更強且更持續。 這項技術的一些實驗正在全球範圍內進行[tt,tta]。

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可能可行的早期研究思路

Problem: Artificial Photosynthesis

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如果我們能像植物一樣製造能源,但是做得更好呢? 研究人員正在研究將水,陽光和空氣直接轉化為氫氣和氧氣的技術[NateH2,WaterSplitSolar],甚至類似於我們今天在汽車中使用的燃料。 這可以使我們使用社會已經習慣的液體燃料,但可持續地生產它們。

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Problem: Cheaper Hydrogen from Electrolysis

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更便宜的電解槽和更有效的氫氣壓縮技術可以使氫氣成為一種流行、多功能的儲能介質

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Problem: Make Tokamak Fusion Work

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托卡馬克聚變反應堆存在許多未解決的問題。 目前,他們消耗的能量比產生的能量要多,這只是一個問題,也是我們最可能解決的一個問題。 從氘,鋰-6和來自聚變反應的中子中製造氚是困難的,需要更多的研究。 在運行期間保護反應堆是另一個問題。 這些問題的解決方案需要與一個系統結合起來,以從快速移動的中子中獲取能量[Lithium6Breeding,IterBlanket,MITTalk2]。

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Problem: Make other fusion methods work

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融合科學中有很多想法;不只是托卡馬克。 儘管其中許多都不太可能在近期或未來的中期取得成功,甚至可能永遠不會成功,但探索它們仍然是一種選擇。 我們在下面列出一些。

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