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美國能源部基于“太陽能攻關計劃”的成功經驗，于2021年6月推出了“能源攻關計劃”，計劃在未來10-15年集中攻關推進能源若干關鍵領域的科技創新。截至2023年6月，DOE在該框架下已經推出了7個領域的攻關計劃。本文系統分析了能源攻關計劃的部署情況和組織管理特點。 美國能源部能源攻關計劃分析 能源清潔轉型是實現碳中和目標的關鍵途經，需要通過技術的重大創新突破以實現更清潔、經濟、高效的解決方案。為此，美國能源部（DOE）基于“太陽能攻關計劃”（SunShot）的成功經驗，于2021年6月推出了“能源攻關計劃”（Energy Earthshots）[1]，計劃在未來10~15年集中各方力量攻關，推進能源若干關鍵領域的科學和技術創新，以降低成本、提高性能，為實現清潔能源的規模化部署掃清關鍵障礙。截至2023年6月，DOE在該框架下已經推出了7個領域的攻關計劃。本文系統梳理了能源攻關計劃的部署情況，供決策參考。 一、能源攻關計劃概況 “能源攻關計劃”是DOE提出的一種創新的科研攻關途徑，部署可迅速減少排放的技術，以解決最難減排部門的脫碳問題。該計劃參照DOE在2011年推出的“太陽能攻關計劃”經驗，針對7個關鍵領域設定了未來10~15年的成本目標和研發關鍵技術或將采取的重要途徑（表1）。 表1 美國能源部“能源攻關計劃”概況  上述攻關計劃針對最難減排的關鍵領域，能夠產生極大的氣候和經濟效益。一項針對能源攻關計劃的情景分析顯示[2]，實現前6項計劃目標可在未來30年減少約39億噸碳排放，降低8500億美元的能源系統成本。而且，能源攻關計劃的7個領域之間還具備互補性，如直接空氣碳捕集與電解制氫技術相結合，能夠用于生產清潔燃料和產品。 二、通過組織系統性基礎科學研究解決技術開發和應用部署的關鍵科學問題 DOE極為重視通過基礎科學研發支撐能源攻關計劃的技術開發和示范應用，在計劃推出后就持續通過科學辦公室（SC）資助相關基礎科學。從2023財年開始，科學辦公室在其年度預算申請[3]中為能源攻關計劃專門設定了預算經費（2023年為2.04億美元）。DOE認為，能源攻關計劃相關基礎研究跨越多個主題，需要在發展基礎科學的同時，開發多尺度計算和建模工具、人工智能和機器學習、實時表征等技術，實現過程和系統的協同設計，而非單個材料、化學物質和組件的創新。因此，除了進行清潔能源關鍵技術的基礎研究外，還提出將啟動“能源攻關研究中心”（EERC），直接對接當前正進行的相關技術研發及示范工作，利用科學辦公室的基礎研究設施和能力解決應用研究和示范活動中最具挑戰的科學問題。 能源攻關研究中心是在DOE科學辦公室“能源前沿研究中心”（EFRC）和SciDAC計劃[4]基礎上提出的一種協同攻關模式。匯集多研究人員、多學科團隊開展能源相關研究，其范圍和復雜性超過通常的單個研究人員或小團隊研究資助模式。能源攻關研究中心將補充和擴大“能源前沿研究中心”和SciDAC的資助范圍，包括對基礎研究人員、國家實驗室和技術開發人員進行團隊共同資助，解決基礎研究、應用研究和技術開發活動之間的研究挑戰，建立跨部門研究合作的新模式。2023年1月19日，科學辦公室宣布未來4年共計投入2億美元啟動能源攻關研究中心[5]，支持當時已經部署的6項能源攻關計劃基礎科學研究，其中2023財年將投入5000萬美元資助首批能源攻關研究中心項目，由科學辦公室的“先進科學計算研究”（ASCR）、“基礎能源科學”（BES）和“生物與環境研究”（BER）3個計劃辦公室共同支持。3月21日，科學辦公室再發布資助公告[6]，未來3年資助1.5億美元（2023年資助5000萬美元），支持各項能源攻關計劃的交叉領域基礎科學研究，作為對能源攻關研究中心資助主題的補充。上述兩項資助重點關注主題包括： （1）氫能攻關計劃，包括2項主題：制氫基礎科學；氫源及氫排放量化相關基礎科學。 （2）長時儲能攻關計劃，包括4項主題：電化學儲能；電熱儲能；基于載體的化學儲能；機械儲能。 （3）負碳攻關計劃，包括4項主題：CO2生物封存；CO2非生物封存；耦合實驗和計算的CO2碳化及反應性基礎動力學研究；測量、監測和驗證。 （4）EGS攻關計劃，包括3項主題：EGS環境中地下本構力學和流體注入響應的實驗和計算研究；EGS數據收集和分析的創新方法；EGS井筒環境中的材料行為和地球化學/地質力學過程研究。 （5）浮動式海上風電攻關計劃，包括3項主題：浮動式風力發電機材料、建模和控制；風電場及周邊環境的建模和測量；風電輸電、熱電聯產和儲能。 （6）工業供熱攻關計劃，包括3項主題：降低工業供熱碳足跡；開發熱工藝過程的替代技術，或減少熱量需求；熱回收和利用。 （7）交叉領域，包括6項主題：用于極端環境的材料發現；多尺度過程和系統；測量和傳感；規模放 大；生物和生化方法；數據、人工智能和計算方法。 [7]，將資助新的研發主題和交叉領域研究。 三、“全部門參與創新”（All-hands）協同攻關組織模式 盡管美國通過《兩黨基礎設施法案》和《通脹削減法案》部署，已經在降低上述關鍵技術成本方面取得了長足進展，但仍需加強進一步研發以降低成本。通過能源攻關計劃這一創新途徑，DOE將調動全部門參與創新，發揮DOE科學辦公室、各應用能源技術辦公室、先進能源研究計劃署（ARPA-E）等部門的協同作用，以應對技術挑戰和成本障礙，迅速推進解決方案。各項能源攻關計劃涉及的DOE業務辦公室及相關已有的重大研發計劃如表2所示。 表2 美國能源部“能源攻關計劃”相關業務辦公室及相關已有的重大研發計劃  以最早啟動的“氫能攻關計劃”為例，其在資源、戰略規劃和利益相關方參與等方面均保持協同合作，確保能夠瞄準共同的目標，通過科學和戰略性的引導實現行動的協調一致（圖1）：  圖1 美國能源部“氫能攻關計劃”的協同組織模式
① 在基礎研究方面，通過科學辦公室能源攻關研究中心組織基礎科學研究活動，重點解決相關基礎科學問題，這些科學問題是基于科學辦公室前期組織的氫能、液體太陽燃料、計算和數據需求等領域基礎能源科學圓桌會議的研討結果。 ② 在技術開發方面，通過能效和可再生能源辦公室、化石能源與碳管理辦公室、核能辦公室等應用能源技術辦公室，利用《兩黨基礎設施法案》對電解制氫、制造及回收相關的撥款，支持相應的技術開發和試點示范。DOE的《國家清潔氫能戰略和路線圖》[8]為上述應用能源技術辦公室的研發活動提供指導。 ③ 在基礎設施建設方面，DOE基礎設施辦公室基于《兩黨基礎設施法案》撥款，支持規劃和建設區域清潔氫中心，進行大規模示范。DOE的《商業擴張之路：清潔氫能》報告[9]提供了區域氫中心的發展路徑建議，DOE能效和可再生能源辦公室開發的H2 Matchmaker在線平臺[10]為氫能供應商和用戶提供供需信息，促成區域業務的合作和發展機會。 同時，學術界、產業界通過多種渠道直接或間接為《國家清潔氫能戰略和路線圖》等重要政策文件的制定提供建議。 |
