技术驱动变革!盘点2023年让人眼前一亮的清洁能源技术
发布日期：2024/1/5
目前，世界每年生产约 30 太瓦时的电力。随着发展中国家的现代化进程，以及发达国家将国家大量的能源投入到制造数字货币和训练人工智能等诸多方面，这一总量还将急剧上升。
煤炭占人类能源的绝大部分，约为35%，天然气位居第二，约为23%。其次是第一种 "清洁 "能源--水力发电，约占15%，但水力发电需要大量高碳排的混凝土，而且依赖于地理条件，因此并不是一个真正的增长领域。
核电紧随其后，但其贡献率约为9%，而且还在下降。核电不产生碳排放，而且从统计数字上看，它是所有能源中最安全的一种，但由于偶尔会发生像切尔诺贝利和福岛那样备受瞩目的事故，它不幸背上了污名。
风能和太阳能大幅增长，分别达到7.3%和4.5%，这两种能源将成为大多数国家当前去碳化战略的未来支柱，同时还将与储能技术相结合，以消除供需之间令人烦恼的不一致性。包括地热能、波浪能和潮汐能在内的"其他可再生能源 "则刚刚走出起步阶段，仅占全球能源的 0.34%。
因此，我们面临的挑战是：创造大量新的清洁能源发电能力，足以取代为地球上大部分地区提供电力的煤炭和天然气，足以满足人类对能源日益增长的需求，并足以覆盖诸如整个运输行业和其他燃烧化石燃料的行业，使这些行业清洁化的过程中逐渐转向电力。
01
太阳能
在新的太阳能技术领域，我们并没有看到特别令人兴奋的一年。光伏电池的效率记录可能在某个实验室里悄悄上升，但具有成本竞争力的商用太阳能的效率与过去几年差不多，而且该行业似乎发展得相当不错。
图说：加利福尼亚州太阳能运河的渲染图。Nexus 项目
来源：Solar Aquagrid LLC
亚利桑那州重启了一个最初在印度试用的想法，即在运河上放置太阳能电池，冷却水并希望防止水在沙漠的高温下蒸发。
图说：双作用太阳能塔可在沙漠地区全天候产生清洁能源
来源：AI generated using DALL-E
一群中东研究人员重新审视了巨型太阳能上升气流塔的想法，在其周围增加了一圈冷却下气流塔，从而创造出一种双效清洁能源塔，只要把它们建在沙漠中，并为冷却下气流塔供水，就能全天候发电。
图说：工程师在发射前将太空太阳能演示器SSPD-1装载到 Momentus Vigoride 航天器上
来源：Caltech
而在更广泛的范围内，加州理工学院的太空太阳能项目团队已经成功地将能量从太空传送到地球上。在一亿美元私人资金的支持下，该团队正在快速推进其大胆的计划，向太空发射一个3.5平方英里（9平方公里）的大型自组装太阳能电池阵列，在那里，它将收集多达地球上太阳能电池板八倍的能量，而且没有夜晚的干扰，全天候将能量传送到地面。
02
风能
风能领域有很多创新想法，其中很多都集中在海上。世界上最好的风力资源大多位于深水区，在那里建造在浅水区或陆地上运行良好的大型风扇式涡轮机并不现实。因此，有几种漂浮风力发电的想法都在努力将自己打造成技术上和经济上最可行的发电方式。
图说：反向旋转浮动 VAWT 剖面图
来源：World Wide Wind
我们一直关注的最激进、最吸引人的想法之一是World Wide Wind公司的对转垂直轴风力涡轮机。与塔筒式风扇相比，它们有望以更低的成本产生更多的电力，同时在深水中也具有更大的可扩展性和可部署性。该公司于 11 月份宣布取得重大进展，在挪威部署了 19 米长的原型机。
T-Omega公司的另一个原型机也下水了，它的设计简洁明了，更像是一个摩天轮，配有一个浮动的金字塔底座。其设计理念是降低制造、部署和维护成本，该公司通过从两端固定上部发电机等方法消除了上部发电机所承受的大量压力。随着小规模波浪槽测试的完成，该公司现已在马萨诸塞州新贝德福德附近部署了一个 1/16 比例的原型。
图说：在风速较高时，大叶片将塔架拉直，将较小的部分暴露在风中
来源：Touchwind
我们对 Touchwind 非常奇特的单叶片涡轮机非常着迷，它正在荷兰进行 6 米原型的测试。这只奇特的设计会倾斜，以便从慢风中获取更多电力，但在暴风雨情况下，它又会直立起来，以减少暴露在风中的机会。Touchwind公司称，与标准设计相比，这台机器的发电量更多，而成本只有标准设计的一半。
图说：小型气流织机设计图
来源：Airloom Energy
回到陆地上，我们饶有兴趣地了解了怀俄明州的Airloom Energy公司，该公司已经开发出一种外形非常奇特的系统原型，它将垂直翼片置于椭圆形轨道上，制造出的风力涡轮机成本仅为普通塔架的三分之一，而且更接近地面。在比尔·盖茨和Breakthrough Energy的支持下，Airloom 正在研制 50 千瓦的原型机。
03
核能
先进的核裂变发电在今年迎来了具有里程碑意义的时刻，中国宣布世界上第一座商用第四代核电站投入运行。华能石岛湾高温气冷堆核电站正式投入商业运行，标志着中国在第四代核电技术领域达到世界领先水平。
图说：华能石岛湾高温气冷堆示范工程外景
来源：新华社
但对于未来学家来说，核聚变领域才是重头戏。近年来，核聚变领域因一些商业运营而重新焕发活力，每家公司都声称自己拥有足够灵活的创业精神和技术进步，足以超越主要政府和国际项目数十年来的研究成果。
图说：TAE 团队及其令人印象深刻的第五代“诺曼”聚变反应堆原型
来源：TAE
例如，加州公司 TAE 在在 2 月份就进行了世界上首次磁约束氢硼聚变读数证明了一种不需要氚的核聚变方法的潜力。氚是其他反应堆的一种关键燃料，但供应非常短缺，而且难以制造。另一方面，氢硼核聚变需要更高更热的等离子体温度——TAE 希望在 2030 年代初达到约 10 亿度或更高的温度，届时它将拥有世界上第一个并网的核聚变工厂。
图说：Helion 的第六代 Trenta 原型机
来源：Helion
不过，OpenAI 的萨姆·阿尔特曼（Sam Altman）打赌，他的公司 Helion 将以更快的速度达到这一目标。Helion 公司于今年 5 月签署了一份协议，在 2028 年之前为微软提供至少 50 兆瓦的清洁核聚变电力，否则将支付罚款。这一大胆举动的前提是，Helion 公司独特的反应堆技术（声称发电价格不到煤炭的三分之一）将以疯狂的速度发展。我们暂时对其表示怀疑。
其他新闻方面，世界上最大的托卡马克反应堆JT-60SA在日本成功点火，英国托卡马克能源公司（Tokamak Energy）公布了商业核聚变工厂的设计方案，称该工厂将于 2030 年代初准备就绪。
04
地热能
如果我们能随心所欲地利用地壳下的大量热能，那么人类的所有能源问题都会在一夜之间消失。因此，重新焕发活力的地热行业活动频繁，并希望极大地扩展其能力和影响。
图说：谷歌在内华达州新建的先进地热发电厂
来源：Google
2023 年的标志性成就来自Fervo，该公司与 Google 合作，利用类似于石油和天然气行业的压裂技术在内华达州开发和建造了一座先进的地热发电厂。Fervo 公司利用流体压力来裂解地下热岩，扩大了可获取热量的表面积。。这使得地热能在更广泛的领域变得可用且具有成本竞争力，并且可用于扩展和增强现有的地热发电厂。
图说：将压力电池与地热能结合起来可以释放廉价的能源存储和浅层地热能
来源：Sage Geosystems
Sage Geosystems则更进一步，开创了一种新型储能技术，将地下的地球当作一个巨大的风箱。利用可再生能源将水泵入热岩石的裂缝中，给裂缝加压，使其打开。当需要能源时，阀门被打开，地球的重量将水重新挤压上来--但现在，水被地热能加热了。Sage 表示，这种“吞吐”的方法可以有效地为你提供一个地下电池，它返回的能量是你投入的能量的两倍。
随着可再生能源革命的步伐加快，储能在利用绿色电力方面的作用变得前所未有的重要。特别是在电网级能源存储领域，各种公司层出不穷，他们正在努力以尽可能低的成本存储和释放多余的可再生能源。此前，环球零碳对相关技术已进行了详细分析，在此不进行赘述，详见：比尔·盖茨为何“痴心”长时储能，这十大储能技术或改变世界。
2024年，清洁能源领域将会继续出现新的技术突破和颠覆，因为人类正努力引导气候这艘远洋巨轮远离快速逼近的冰山。我们拭目以待！
来源： 环球零碳
