能源前沿（摘译）
过去一个世纪，我们利用各种能源的能力得到了迅速发展。不论是好是坏，这都导致了深远的社会变革。如果关注当今的能源系统，会发现，为了满足世界现在和未来的能源需求，各种科技和渠道的不同角色必须协同合力。在这期特写中，能源研究行业的十大专家分享了他们的看法：自己所在领域未来几十年需要应对什么样的挑战。其中的问题各不相同、表现多样，从寻找更好的能源材料，到如何设计能源政策、到研究发展中国家的市场。但其中有一个共通的主题：能源系统要适应和提高，变革势在必行。如果能增进我们对于能源研究各个领域问题的理解，这种变革将能更平稳、高效、快速地展开。
必须可持续
降低可再生能源和低碳能源的成本不得不靠科技。能源需求增长，发展又要低碳，下面几项技术就尤为关键：
供电系统的革新也对能源未来非常关键，包括改善基础设施，利用新型电力系统（如微电网）在基础设施欠缺地区推广可再生能源。同时要增进对于政策、公用行业商业模型等的理解。
社会经济的配套措施也十分必要，不论是政策还是资金支持。全球应举力推动迅速、安全和经济的低碳化转变，改善人民生活的同时，减缓气候变化。
作者：Robert C. Armstrong是MIT“能源倡议”组织负责人，MIT化学工程雪佛龙教席教授。
变化应量化
经济学家应该协助决策者回答的三个问题是：为了达成环境目标需要什么样的技术？这个行业的基本商业模型是什么样？不同的政策适用于发展中国家吗？
总体来说，能源行业要满足环境目标，要么提供低污染的能源（如可再生能源），要么用更少的能源完成同样的服务（如提高能效）。此前的一些模型让决策者倾向于实施需求侧政策来提升效率[6-7]，比如设定高效率电器标准。近期的经济学研究开始质疑这些政策的效力[8-10]。未来应该进一步研究在供给和需求两侧减少污染的最高效的方法。
另一方面，世界电力和油气行业主要由国企或者经过规制的自然垄断企业掌控。这一方面是因其自然垄断的性质，另一方面也是考虑到国家的能源安全。自90年代起，重组和私有化进程让更多新的私营企业进入电力和天然气行业[11]。去集中化、加强私营企业参与的讨论可能会很有意义。随着技术发展，对不同市场结构的经济学利弊分析会一直有用武之地。
我个人认为现在经济学研究者最重要的任务是进一步了解发展中国家的能源行业。非OECD国家的能源消耗已经在2008年超越了OECD国家，据预计未来25年还会增长5倍[12]。因为满足这种需求的基础设施还没有固化，这正是在发展中国家推广新技术的机会。过去十年可再生发电技术的成本大大降低；另一方面化石能源，尤其是煤炭，依然廉价且充足。二者的竞争非常激烈。要权衡经济增长和环境目标，还需要更好地了解发展中国家的能源行业及其市场。
作者：Catherine Wolfram是加州大学伯克利分校哈斯商学院系主任，Cora Jane Flood教席工商管理学教授。
燃油要催化
要限制未来车辆二氧化碳碳排放的增长，需要两方面努力：增加替代燃料的使用（生物燃料、、液化石油气、天然气、电能），以及更高效地生产和使用传统燃料。交通运输业的二氧化碳减排需要达到4Gt/年，单靠使用替代燃料最多只能达到1Gt/年。因此在接下来几十年，如何提高燃料生产和消耗效率将成为研究关键。
图1展示了美国化石原材料和产品现货价格相对燃料原子的比例。交通运输业更倾向于使用液态燃料。因其自然属性，富碳的燃料为固态，富氢的为气态。当氢/碳比例接近2，环境条件适宜时，出现液体。这种液体能量密度比乙醇高50%，是20MPa压缩天然气的五倍。液体比气体易于处理得多，这种便利性不可小觑，在市场价中有所体现[14]。
原油经过精炼成为成品油，精炼过程包括减少分子量（裂解）和增加H，将H/C比例从1.8转化为2。裂解方式有催化裂化（FCC）和氢化裂解。转化过程的关键就是催化。最近有一些FCC催化剂结构[15]以及氢化裂解纳米效应[16]的研究。两方面研究都有潜力大大增加汽油和柴油产量，从而提高整个过程的效率。
天然气液化（GTL）和煤液化（CTL）具有很强的经济驱动力。但是因为最近油价大跌，大规模GTL的投资就显得太高了，虽然CTL（尤其在中国）仍然在推进中。近未来，用小规模GTL取代燃除天然气或可期待，尤其在页岩油和页岩气生产中。GTL和CTL的资本投入的降低需要催化剂和过程工程的进步，而重点应放在催化剂的选择性（控制甲烷生成）、活性（过程强化）以及稳定性（增加生命周期）。甲烷到液态燃料或化合物（如甲醇）的直接转化也是一种研究方向。
下一步，利用光合作用转化CO2和H2O制造“太阳能燃料”展现了可再生运输燃料的潜力。但这还需要在硅太阳电池、水电解和CO2储氢方面的重要突破。近期的综述认为现在还不存在非稀有物质光解水制氢、能量转化率达到10%并且具有十年生命周期的方法[17]。
总而言之，液态燃料还将是常态，但催化技术的进步会扩宽资源基础、提高效率并减少环境影响。
作者：Krijn P. de Jong是荷兰乌特列支大学德拜纳米材料科学研究所无机化学和催化教授。
短见不能行
我们的低碳目标需要大规模的变革才能达成。低碳电力生产、提高效率、车辆的新能量向量（可能是电力或者氢气）、低碳供暖和供冷，这些转变要求接下来几十年出现新型能源基础设施。但是短期的政治考虑并不能与这种长期目标达成一致。同时，在短期政治压力下做出的决定经常会有意料之外的长期影响。减排要求我们有及时并长效的政策行为。比如电力生产在2020年需要脱碳，那么就要从现在开始投资，因为很多项目需要十年以上才能完成。而开发人员必须理解现在到2020年的政治目标，并且有信心政治家不会改变计划。
投资者的信心对于低碳转变非常关键，因为这种转变的投资总量非常大。当前国际和机构投资人（比如养老金）对于可再生能源具有前所未有的兴趣。这是因为在信任政府不会再改变政策的前提下，可再生能源有上网电价补贴等，能提供低风险且稳定的收益流。
投资机构通常会参与已经成功运行一段时间的方案。开发和建设中的电力生产方案，尤其是使用新技术的方案有更高的风险。公共事业、设备生产商和风险投资人开发项目，最终卖出，然后用收回的资金投资新项目。投资者最不愿意遇到在面对选址、得到规划许可、构建复杂项目的风险的同时，还要应对政策风险。
英国的一个例子是，他们从2002年起就通过能源系统变革的政治承诺来树立投资者的信心。虽然政策存在缺陷或缺失，但是投资者仍然很有信心，因为英国达成了气候变化法案的政治共识，并且有良好的治理原则——尤其是任何变动都很早就有预兆，而且不会影响已达成的投资。但是在2015年5月的大选后出现了15项政策变化，很多是中止或提前中止相关政策的。虽然2015年11月UK能源部长作出了重建投资者信心的努力，承诺到2025年都有明确的政策。但是这种信任来之不易却失的容易，英国还有很长的路要走。
英国的教训不在于不能改变政策，而在于没有先兆、毫无缘由的转变会降低政治支持的可信度。政府必须提前并且明确地通告和解释即将出现的变化，在自己的短期利害和长期目标之间达到平衡。投资者也许可以理解政府是在试图确保低碳转变的可行性，但是良好的指导方针不能抛之脑后。
作者：Robert Gross 是伦敦帝国理工学院能源未来实验室的政策主任，能源政策和科技准教授。
制造轻能源
氢气的用途多种多样，可以用于加强生物燃料、生产甲醇或者合成燃料，也可以直接内燃机燃烧、用于燃料电池或者大规模蓄电。但是直至现在仍然没有解决如何用低碳资源（包括可再生资源）、低成本生产氢气。
现在生产低成本氢气主要通过天然气蒸汽转化。但这种方法同时会放出CO和CO2。另外两个低碳方法是用可再生电力电解，以及通过光照进行人工光合作用分解水。
电解一种是碱性电解，另一种是利用聚合物电解质膜（PEM）。碱性电解一般利用廉价电催化剂，正极用Ni-Mo，负极用Ni-Fe氧化物，但大型生产时需要用更复杂的设备。而选择性传输OH-离子能力强、在高温下稳定的膜可以造出更廉价的碱性电解催化剂。
另一方面，PEM电解采用了基于Nafion聚合物的固体质子交换膜，Pt作阳极电催化剂，阴极为IrO2。尽管电催化剂由贵金属制成，但这部分总共还占不到PEM方法成本的10%。降低成本的方法有使用Nafion的便宜替代物，但要保证质子交换能力、阻隔空气性能、以及强氧化条件下的稳定性都不受影响。不过，Ir是地壳的极稀有元素，如果想达到万亿瓦发电量的话，这会成为一种限制因素。因此必须研究其他稳定、活跃、酸性条件下稳定的O2电催化剂。
要降低系统整体成本，需要颠覆的是电解槽系统平衡方法。电解槽的运行与电力来源无关，因此可以将多个低碳电源以格网方式接到同一个电解槽上，这样在间断型电力供大于求时，电能就能以氢燃料的方式储存下来。
太阳能水解系统用光子而不是电将水转化为氢和氧。这种方法更环保，但成本在未来也必须更有竞争力。因此必须充分利用极低成本的材料、协作集成功能性和/或新的形式因子，举例来说，这种系统需要有可用于水蒸气或固定洒水系统的膜固着材料作为输入源，同时还得达成非常高的能量转化效率。需要吸光粒子提供光电阳极并与相应光电阴极耦合，连带类似人工草皮的组织，协作集成地壳丰度高的电催化剂和膜。除此之外还需要降低收集和运销氢气的成本，包括收集反应产物的管道系统。虽然这种方法的可扩展系统还有待考察，但是演示系统的每个关键步骤都出现了突出进展。材料化学、催化剂开发、系统工程和纳米科学的进步都能让直接利用阳光制造氢气的商业化太阳能燃料发电机成为现实。
作者：Nathan S. Lewis 是加州理工学院化学与化学工程系George L. Argyros教席化学教授
选择高效路
能源服务的价格取决于消费者使用设备的效率：能源效率低，服务价格就高。低收入人群支付燃料都困难，更难有资金更换效率更高的设备。这种钱必须从别处来。
以欧洲能源贫困者为例，通常最穷的人住在能源效率最低的家里：锅炉老旧，窗户漏风，因为房间没有隔热而热量流失快。家里很冷，维护费用却高。相对于支出，家庭所得却甚少，尤其供热方面。居住者还常常因此得上风寒相关疾病，健康状况不佳甚至死亡。除此之外。为了找到供暖费还导致焦虑、压力和抑郁。
这种状况会导致整个社会的影响和损失，尤其是医保方面。在英国，每年冬天四个月有2万人过早死亡，其中十有八九需要急救和看医生。而精神类疾病的代价则不易估量。
从气候变化角度，能源贫困的家庭能效低，碳排高。如果这类家庭能有更高的能效，不仅能更温暖健康，耗能也会少，污染更小。
资金用于提高能效意味着消费者减少燃料支出，还能推动减排，新型能源供给，以及减少医疗支出。但应由谁来将新增供应的钱转嫁为减少需求的钱，这又要怎么达成呢？
至少英国政府的作为是不够的。从1976年起就不再出现政府出资的能效提高计划。而这方面有限的投资来自大家的能耗税。此类税收让能源贫困者减少能源支出的钱不能抵消投资高效率设备的钱，本质上是递减政策。
英国依然有很大一部分人能源贫困（图2）——10至22%，取决于如何定义能源贫困。应该对他们增加资金和一系列政治手段援助。其中一项是认识到房屋是国家基础设施的重要部分——从价值上说，80%，应该重视和改善这种投资。为了达成英国气候变暖的法定义务，应当将它们转化为高能效、耗能低的建筑，作为对未来一代的重要遗产。
作者：Brenda Boardman是牛津大学环境中心环境变化研究所荣誉研究员
拆解生物质
环境可持续生物燃料产业现在处于关键节点，商业生产设施已经到位，但大规模、低成本的第二代、三代生物燃料生产仍然受许多基础、多学科挑战的限制。关键点之一是植物高分子，比如木质纤维素的生物转换因生物质的顽抗性需要进行昂贵的预处理和酶分解程序。生物质到生物油的热转换中的浓缩过程也非常昂贵。生物转化技术需要解决生物质化学结构和物理结构的问题，热转换需要解决生物质成分差异性的问题。
过去十年对于生物质结构变化抗性的基因研究有了很大进展。一方面进行工程处理，一方面广泛考察各种生物质，我们渐渐了解应该如何处理生物质成分，比如木质素，来改善生物分解过程。近期的植物基因工程关注单一基因改造——例如美国能源部资助的BioEnergy科学中心（http://bioenergycenter.org/besc/）。未来会进行多基因改造，或者基因组修饰，让生物质更容易分解，以改进生物质到能源的转化。这种方法还能减少结构单元的差异性，对热转换法也有益。
发展定制能源作物需要农学上的突破，包括加强产量、减少需水量、抗虫抗病性、应对非生物胁迫能力，以及营养代谢率，还要有良好的生物圈效应。但使用特定作物应是一种趋势。另外，受过改造的生物体，比如经修饰的热纤梭菌（Clostridium thermocellum）或 Caldicellulosiruptor bescii，能够加强植物糖聚合物的分解，还能将糖转化为乙醇或其他燃料。
同时需要利用化学工程设计低成本的生物油浓缩催化剂，能够进行脱氧和湿化处理，还要利用可再生来源的氢气。其中会伴随许多过程工程的挑战，分离技术、反应设计、传感器、过程控制、废物最少化以及处理方法都需要提高。
生物平台的成功让“木质素如何处理”的老问题又被拿上台面。木质素占采集到生物质质量的20~35%，而只要总量不到一半的木质素就可以满足生物精炼能源需求。因此应有附加值应用。现在木质素作能源、碳纤维、3D打印树脂等的商业化进程还受物理结构和转化方法的限制。未来，定制分子性质的木质素应该能简化这个过程。而生物燃料生产也会由单一产品模式变为对所有分子组成都能充分利用，让价值最大化。
实现这样的愿景需要植物科学的多方面进步：生物转化、生物信息、催化剂、分析化学、生物化学和化学工程。生物燃料产业需要深度结合和平衡各个学科，同时严控可持续以及环境方面的影响。
作者：Arthur J. Ragauskas是美国国立橡树岭实验室生物科学联合研究所生物能源科学中心的生物精炼学教授，同时是田纳西大学可再生碳中心农林鱼学院生物与生物分子工程系教授。
还得鉴人心
两种力量正在重塑当代能源系统，一个是全球气候变化，一个是信息与交流科技的进步。家庭和企业思维形态的变化以及参与度的增高使其能在生产和消费两方面都起到更重要的作用。这种从集中到分散、从单一源到多源，从单向到多向的转变，意味着参与到能源网可靠性保障的角色越来越多。因此需要更好地了解能源系统的人文区块，不论是从社会学还是行为科学角度。
关键性的第一步应是意识到对基于行为的节能（节碳）前景进行量化能增高家庭和企业的参与度，而不应局限于高能效技术的研究。行为方式的早期研究已经指明，专注于行为的政策和计划能够大大节省家庭能源消耗[19]。近期的研究进一步量化了商业区块通过行为可达成的节省额，并在城市尺度上估算节能前景。进一步可以捕捉在州或城市尺度上，气候、建筑量、 技术饱和度和能源实践方面的特定特征，提高节能方法的效力和接受度。
第二步，电网现代化提供了一个机遇，让人群在家和工作单位都能更高效地使用能源[21]。智能电表已经有能耗的分钟记录，但这种信息还未能广泛提供给家庭和企业[20]。如果能有更好的反馈机制，消费者就能做更好的选择，减少能源消耗。事实上初步研究表明实时反馈机制平均能减少9-12%的家庭电力消耗[22-23]。
另一方面，要充分发挥实时反馈机制的潜力，还需要更大规模的综合研究。存在像OPower这样的公司，提供每月家庭能源报告，提供描述性和命令式的规范，不过提供反馈方面还有很多机遇可挖。需要进行更宽泛的研究找到此类切入点，采用更严格执行的实验设计来系统性检验实时反馈系统中的一系列社会科学元素。应包括多种不同的反馈机制，从移动技术比如智能手机，到能源相关信息共享。还应探索社会规范、目标设定、提示和警告的影响。重要的是，这些方法也可以减少终端用户进行更好决策所需的精力。
决策者、公共事业和企业都开始意识到以人为本的重要性。对人文因素的认知可以加深我们对能源文化、过去及未来能源使用变化、能源使用规律差异、以及如和改变各类角色使用能源方法方面的理解。最终进一步加强和推动我们减少能耗、减排以及建设能源未来。
作者：Karen Ehrhardt-Martinez是美国法维翰咨询公司的副主任及社会科学专家
存储有限制
在锂电池革新个人电子设备之后，能源存储的下一个疆域是交通和电网。这需要更高的存储能力和更低的成本。
交通的革新要求电动车必须达到汽油车一样的移动服务，但是经济、环境和能源成本都得更低。下一代电动车应安全、续航长、充电快，还要耗能少，碳排少，价格和使用比汽油车便宜。
电网贮存则意味着电力服务的新篇章。对经营者来说，可以解决风能、太阳能的秒至分钟级的波动问题；还可以调节夜间风能和日间太阳能的余量来满足傍晚的需求；可以用更便宜、清洁、高效的存储系统取代峰电厂；还可以规范电频电压，提供稳定性极高的高质量电流。
以上各种新型服务所需的电池也一样千差万别，功率、电流、循环频率各不相同。对当地消费者定制的分散型存储和发电可以提供比传统方式更有效和高效的服务。当地存储需求涵盖家用、商用、工业用、教育用、军用各领域，需要的电池类型比电网更加丰富和特化。
锂电池能满足这些需求吗？锂电池的性能提升和成本降低趋势一直相当不错（图3）。1991年面世时，锂电池的能量密度比当时最好的镍氢电池、镍镉电池高两倍。通过此后的发展，性能高了倍，而价格相对低了十倍。但锂电池的进一步发展受其性质限制：锂离子的单次充电量，嵌入阳极和阴极的存储量，以及电解质液体的可操作电压。
因此下一代储存系统必须有更好的性能和更低的成本。有几种渠道：多价离子体取代锂的单价体；共价化学变化代替嵌入；新电极结合有机电解质以获取更宽工作电压。这不仅需要新概念和新材料，还需要在原子和分子尺度加深对能量储存基础科学的理解。如果新型电池也能取得锂电池那样的不断飞跃，就有潜力改造运输和电网。
作者：George Crabtree 是储能研究联合中心（JCESR）主任，美国阿贡国家实验室杰出学者，伊利诺伊大学芝加哥分校物理、电气、机械工程杰出教授
核能路难行
核能未来的一个重要限制因素是缺乏经济竞争力。核电站建造和维护费用都太高。这不仅减缓了核电站修建的速度，也导致一些公共事业公司开始关闭旧电站。
最近英国欣克利角的核电站项目是个很好的例子。现预计建造成本是180亿英镑，由资金充裕的投资方（60亿来自中广核），纳税人补贴（20亿），以及转嫁给消费者的高电价费组成。政府给最后一部分设定的保证价格是92镑每兆瓦时，这是其他电力平均价的两倍。这个项目还显示了一点，就是核电站的成本一直在增长。2010年，主要投资人法国电力估算在欣克利角修两个反应堆需要90亿，现在还没开建就已经翻倍了。
还有一方面的问题——运维老反应堆越来越贵，已经不足以和天然气以及可再生资源竞争。过去三年已有多个反应堆因此被关闭；光是2015年10月一个月，就有6个核反应堆宣布即将关闭，两个在美国，4个在瑞典，尽管这些反应堆已经偿清修建债务，并且获得了运行至2030年的许可。还有更多电站预计会提前关闭。
这些经济困境可以解释为什么核能在之前核反应堆最多的国家走下坡。虽然其中很多国家仍然将核能作为一种低碳科技进行推广。这种动力却随着风能和太阳能成本的下降而逐渐减小。
在新兴国家是另一幅图景，能源需求太大，每一种发电方式都在增长。其中两个人口大国——中国和印度，不仅对核能有雄心壮志，对任何一种能源都如此。2014年中国上线了5.3GW核电，20.3GW风电，21.8GW水电以及53.3GW火电（煤炭为主）。而2014年9月至次年同期间，印度也投产了一个1GW的核反应堆，产了16GW的煤电，风能和太阳能总共产了5GW。这两个国家及其他一些国家近几年非水电可再生发电的量都超过了核能[25]。简而言之，这些国家一切通吃。导致核能的总产量虽然在增高，但所占比例将会继续减少（图4）。虽然现在成本还让位于需求，但长期来看，发展中国家遇到的经济力量也会限制核能在发展中国家的发展。
另一方面，核能还有灾难性事故的风险。技术本身决定这种风险不可能被根除[26]。而且一旦发生事故就会导致全球的能源政策发生剧烈变化[27]。
有什么可以改变这种图景？核能产业和核能拥护者希望能够开发彻底革新的反应堆设计，商业化，最终推广。像小型模块反应堆、第四代反应堆一类的概念在过去也被提出过，但没有吸引买家。现在也没有人愿意投资这类未经实践的设计。商业化日程不断延后，很多供应商也开始弃船。最终，没有一种反应堆设计能同时克服核能面对的所有问题。除此之外，放射性废物、与核武器的相关性，以及公众的反对也造成一些问题[28]。
作者：M. V. Ramana是普林斯顿大学核能未来实验室以及科学与全球安全项目成员
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