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世界主要国家能源技术发展战略布局及2017年世界能源技术发展回顾与总结

2018-08-16 11:14:25 来源:网络

挪威是欧洲经济区的成员国,其能源技术优先发展方向与欧盟十分相似。挪威国家新能源技术研发、示范和商业化战略(Energi21)将新型可再生能源(太阳能发电和风力发电)、水电、能效、提高能源系统灵活性,以及碳捕集和存储(尤其是在燃气发电领域)技术作为重点。同时,挪威在欧洲境外拥有不少油气资源。因此,挪威能源技术发展必须要满足其大陆架开发的需求,并维护其油气生产商的利益。为了发展油气技术,挪威专门制定了21世纪油气战略,内容涵盖石油和天然气勘探、开采、加工、运输等各个环节,并将北极地区油气田的开发和环境保护作为重点。

二、2017年世界能源技术发展回顾与总结

1.核聚变研究取得重大突破

核聚变能源产生过程不污染环境、不产生放射性核废料、安全性高、清洁且资源无限,被视为人类可持续发展的最理想的新能源。而想要将核聚变的能量真正利用起来,就必须对核聚变的速度和规模进行控制,实现能量持续、输出平稳。为此,科学家正努力研究如何实现可控核聚变。美欧中核聚变实验装置持续创造纪录,稳步推进受控核聚变的实现。2016年3月,德国马普学会等离子体物理研究所建造的世界最大仿星器聚变装置W7-X成功产出首个氢等离子体,正式启动科学实验;10月,麻省理工学院Alcator C-Mod核聚变反应堆装置在最后一次实验中,等离子体压强首次突破2个大气压达到2.05个大气压,对应的温度达到3500万摄氏度;2017年7月,中国科学院等离子体物理研究所全超导托卡马克EAST实现了101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行,创造了新的世界纪录,EAST成为了世界上第一个实现稳态高约束模式运行持续时间达到百秒量级的托卡马克核聚变实验装置。2017年11月,美国桑迪亚国家实验室开启氘—氚受控核聚变实验,标志着美核聚变研究进入全新阶段。

2.电化学储能成为电网应用储能技术解决新能源接入的首选方案

2016年5月,斯坦福大学William C. Chueh教授课题组牵头的联合研究团队设计了一种全新的“同步液态扫描透射X射线显微成像(STXM)”技术,借助该技术研究人员首次在介观尺度实现对锂离子电池充放电过程中单个纳米颗粒活动行为的原位实时观测和成像;2017年2月,劳伦斯伯克利国家实验室利用集成X射线谱的全场透射显微成像技术(FF-TXM-XANES)首次在纳米尺度实现对锂离子电池充放电循环过程中锂锰镍氧(LiMn1.5Ni0.5O4,LMNO)正极材料相变过程的详细观测研究,揭露了脱锂过程中LMNO电极相转变机制;5月,瑞士保罗谢尔研究所研究团队利用X射线技术首次实现对锂硫电池放电中间产物的直接观测,对锂硫电池反应机理有了进一步的深入认识,为设计和开发高性能锂硫电池提供了重要的科学理论参考。

3.钙钛矿太阳电池技术新成果层出不穷

钙钛矿太阳能电池由敏化太阳能电池改进发展而来,具备更加清洁、便于应用、制造成本低和效率高等显著优点。韩国科学家通过改进钙钛矿太阳能电池金属卤化物吸光材料的制造方法,使这种类型太阳能电池的能量转化效率达到22.1%,而此前这类电池转化效率的最高纪录是20.1%。瑞士洛桑联邦理工学院研发出新型钙钛矿太阳电池的转换效率达到21.02%,创造新的世界纪录。斯坦福大学、麻省理工学院、英国牛津大学、德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心、瑞士联邦材料科学与技术研究所均报道了钙钛矿与硅电池或铜铟镓硒电池构建叠层电池的研究成果,通过带隙匹配提高太阳光谱的吸收利用率,期望实现30%的转换效率。针对新一代太阳能电池“钙钛矿太阳电池”材料,东京大学先端科学技术研究中心的科研人员,通过添加地球上较多存在的钾元素,实现了结晶构造的稳定性,在不使用铷等稀有金属的前提下,实现了20.5%的高转换效率。此外,韩国淑明女子大学化工生命工学部的崔京民教授和朴民宇教授的研究团队采用低温工艺开发出高效柔性光伏电池。此项研究利用了钛基金属有机骨架材料,开发出的钙钛矿型柔性光伏电池具有新型的金属氧化物电子传输层。

4.3D打印燃气轮机叶片获突破

增材制造技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术,相对于传统的材料去除(切削加工)技术,是一种“自上而下”材料累加的制造方法,也被称为“3D打印技术”。国际上增材制造经过20多年的发展,美国已经成为增材制造领先的国家,3D打印技术不断融入人们的生活,在能源、医疗、建筑、教育等领域大量应用,催生许多新的产业。

2017年世界柴油机巨头曼柴油机与透平公司正在将通过增材制造(3D打印)的零件装配在燃气轮机中,而这个零件是燃气轮机上结构复杂的涡轮静叶(喷嘴),这是全世界首例将如此复杂的3D打印零件用在燃气轮机批产中。美国通用电气(GE)公司宣布其最大的燃气轮机9HA.02可以以64%的效能运行,打破了能源行业的记录,其中最大的功劳应归于3D打印,GE用3D打印为涡轮机制造了多个部件。

2017年2月,西门子公司成功完成对3D打印燃气轮机叶片的满负荷测试,这些发电用的燃气轮机叶片是由英国的MaterialsSolutions公司通过3D打印生产的,其燃气轮机转速高达每分钟13,000转,工作温度超过1250摄氏度(2282华氏度),叶片被安装在功率为13兆瓦(MW)的西门子SGT-400工业燃气轮机上。

5.电动汽车电池续航技术大幅提升

电池充电及续航技术成为多国研发热点,其技术突破将推动电动汽车产业加速发展。以色列Storedot公司研发出“超快速充电”电动汽车电池,可在5分钟内完成充电,并支持汽车续航约483千米德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会研制出一种超级电池,体积不变,可使电动汽车续航达100千米。美国菲斯克公司研发的固态电池可使电动汽车续航804千米,充电仅需1分钟。韩国光州科学技术院和美国麻省理工学院合作研发出使电动车续航能力提高1倍的新型锂电池。

6.氢燃料制取技术取得新进展

氢能源是目前备受期待的新一代能源。进入21世纪以来,氢能源的开发利用逐步增多,发达国家已经取得了一些新进展。其中,日本氢能源研究启动早、发展快,在燃料电池和燃料电池车领域成绩斐然,成为引领“终极环保车”的时代先锋。从氢能与氢燃料电池全球发展的总体来看,欧美日等发达国家继续加大研发投入和政策扶持,氢能与氢燃料电池在交通领域、固定式发电领域、通信基站备用电源领域和物料搬运领域都显示出市场化的迹象,氢燃料电池技术应用总体已经在商业化初期崭露头角。

日本九州大学发明了近红外线领域的太阳能制造氢气的新方法。氢被认为是下一代主要能源,利用太阳能用水制造氢气的方法最被看好。和以前利用光电效应使物质表面放出电子的研究方法不同,该研究利用了光驱动化学反应原理。德国科学家简化了氢燃料制取和储存的新工艺,将应用于工业化储氢和生产,降低成本和能源消耗,对能源转型具有重要意义。来自埃克塞特大学的可再生能源专家团队率先推出了一项新型光电极技术,利用太阳光生产氢气,从而创造出清洁、廉价的燃料,可以为家庭和燃料电池车辆等提供能源。通过这种光解水的方法产生的氢燃料不仅会显著降低碳排放,而且几乎可以实现无限能源供应。

三、2018年能源领域技术开发最新动态

1.电力技术

●美国NASA迷你核反应炉“千瓦动力”测试成功将用于月球与火星生活

在2017年12月美国总统特朗普签署了“1号太空政策指令”,宣布美国将重返月球,并最终前往火星。美国国家航空航天局(NASA)、洛斯阿拉莫斯国家实验室、美国能源部和其他一些团体正在研发一种可以在旅途中可靠发电的迷你核反应炉“千瓦动力”(kilopower),在2017年11月开始进行全功率测试,并于2018年3月完成测试,整个实验过程相当顺利,这将是核能技术的重要发展,因为它将成为未来最重要的太空船原件,并安装在月球或是火星基地上。洛斯阿拉莫斯国家实验室反应堆设计总负责人表示,Kilopower系统是40多年来美国开发的首个新型裂变反应堆概念,而且最近的试验提供了宝贵的数据并有效评估了其基础设施,接下来的18个月将会继续测试,包括任务研究和风险分析等工作,并且希望能在2020年代的中期,将反应炉送上太空。

●俄罗斯研发用血液中的葡萄糖获取电力的方法

俄罗斯科学研究中心代表向俄媒表示,库尔恰托夫研究所的学者研制出利用人血液中的葡萄糖获取电力的方法,这将确保心脏起搏器的不间断运行。该研究所国家研究中心NVIS技术综合体生物技术和生物能源部副主任巴维尔•戈托夫采夫介绍说,新方法可以从人体血液所含葡萄糖中获得15微瓦至40微瓦的电流。这足够保障一部现代心脏起搏器运转,与此同时,患者不会感到任何不适。目前,学者们计划在动物身上进行这项新技术的生物实验。但即使取得成功,仍需10年左右的时间才能开展临床试验。

2.储能技术

●新加坡研发电池新技术 10小时内容量恢复至95%

新加坡南洋理工大学的科研人员成功研发一项新的电池技术,该项技术不是改进电池结构、提升电池密度,而是针对用旧的老电池,号称能让锂离子电池在10个小时内,恢复至95%的容量,等于“返老还童”。具体来说,这项新技术是在每个锂离子电池中已有的两电极间增加第三电极,从而将残留的锂离子从一极排出到另一极,去除影响电池性能的“杂质”。因为天然属性限制,锂电池使用时间越长,容量就睡损失越明显,一般300~500次充放电循环后就会损失15~20%的容量,而且无法逆转。

但是新加坡南洋理工大学 Yazami教授称,他的发明可以让老旧锂电池很快恢复青春,而且每隔几年就能在相同的电池上重复进行恢复容量操作,既能延长电池使用寿命,也有利于环保。这一发明已经在智能手机上做了测试,不过对于电动汽车行业的改变意义更加重大,因为一般人可能会两年换一部手机,但汽车会用上十年以上。据悉,苹果、三星和松下等产业巨头都对这项发明兴趣浓厚。

●研究人员发明生产出有史以来最高性能的倒置钙钛矿太阳能电池

在《科学》杂志的一项研究中,来自北京大学、萨里大学,牛津大学和剑桥大学的一组研究人员详细介绍了一种减少有害的非辐射复合过程的新方法,在该过程中钙钛矿太阳能电池的能量和效率都会降低。

该团队发明了一种称为溶液二次生长(SSG)的技术,该技术将倒置钙钛矿太阳能电池的电压提高了100毫伏,达到1.21伏的高电压,同时不会影响太阳能电池的质量或通过器件的电流。他们在一台设备上测试了该技术,测得了创记录的20.9%的PCE,这是迄今为止记录的倒置钙钛矿太阳能电池最高认证的PCE。

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