Проект заряд альтернативная и свободная энергия будущего: Опыты получения электрической энергии из земли.

Заголовок отображает поверх панорамированной спутниковой съемки восход солнца над землей, если смотреть из космоса, при этом земная поверхность заполняет большую часть кадра.

[Рассказчик]

По мере роста спроса на энергию потребность в поиске большего количества и лучших способов снабдить наш мир энергией как никогда велика.

[Видеозапись]

Панорамная съемка освещенных городских зданий с воздуха в ночное время, движение транспорта по освещенным улицам внизу. Покадровый вид с высоты птичьего полета на высокие освещенные городские здания и огни транспортных средств на улицах внизу. Кадры высоких освещенных городских зданий с наклоном вверх.Покадровый вид с высоты птичьего полета на транспорт, движущийся по всем уровням освещенной многоуровневой городской развязки, на фоне освещенных городских зданий. Медленная съемка пешеходов, проходящих мимо кадра по освещенной городской улице, под низким углом; отснятый материал ускоряется. Замедленная съемка пешеходной схватки на освещенном городском перекрестке. Покадровая съемка под низким углом освещенных высоких городских зданий, вид с улицы. Ночная съемка автомобилей с включенными фарами, движущихся по шестиполосному шоссе.

[Рассказчик]

Переход к будущему с более низким уровнем выбросов углерода открывает новые возможности.

[Видеозапись]

Медленно панорамируемый вид с высоты птичьего полета на большое освещенное здание с черными куполообразными крышами на фоне освещенного городского пейзажа. Крупный план в замедленной съемке пар ног, пересекающих улицу; пешеходы переходят улицу; на заднем плане мы видим светящиеся фары ожидающих машин. Чрезвычайно крупным планом нити накала лампы, освещающей на темном фоне.Низкоугольные кадры темного горизонта города на фоне ночного неба; на темном фоне последовательно подсвечиваются постройки. Замедленная съемка людей, ожидающих на платформе станции метро, ​​а затем пассажиров, которые садятся в поезд и выходят из него после того, как он прибывает и останавливается на станции.

[Рассказчик]

В рамках нашего бизнеса New Energies Shell инвестирует до 2 миллиардов долларов в год в более чистые энергетические решения.

[Отображение текста]

Инвестиции до 2 миллиардов долларов в год

[Видеозапись]

Кадры панорамирования под низким углом глубоководной ветровой электростанции; на горизонте восходит солнце, когда лопасти ветряных турбин вращаются против молниеносного неба.Крупный план под низким углом ряда солнечных панелей, над которыми отображается текст; на заднем плане солнце встает в облачном небе над сельским пейзажем. Кадр наоборот: мужчина держит мальчика на руках, обхватив его за шею; мужчина поднимает руку, показывая на сельский холмистый пейзаж за ним. Панорамный вид с высоты птичьего полета на зеленое холмистое поле, заполненное ветряными турбинами; на заднем плане низко зашедшее солнце бросает лучи света на сцену.

[Рассказчик]

Чтобы снизить выбросы CO2 и сохранить движение, мы открываем водородные станции в Европе, Калифорнии и в Ванкувере.

[Отображение текста]

Открытие водородных станций

[Видеозапись]

Замедленная съемка движения поездов и пассажиров на станции метро Foggy-Bottom GWU с низким и очень широким углом обзора. Покадровая видеосъемка с широкоугольным изображением пешеходов, переходящих через переходы «зебра» на городской улице с высокими зданиями; на заднем плане автомобили едут по пересекающейся улице. Крупный план руки, поднимающей топливную форсунку из водородного топливного насоса; крупный план руки, помещающей топливную форсунку с логотипом «h3» в бак транспортного средства для дозаправки; test отображается поверх этой видеозаписи.Крупный план вывески на боковой панели автомобиля с надписью «Powered by Hydrogen» рядом с логотипом «h3».

[Рассказчик]

Для электромобилей мы ввели быструю зарядку на заправочных станциях, позволяющую подзарядку менее чем за 30 минут.

[Отображение текста]

Менее 30 минут

[Видеозапись и анимационная последовательность]

Крупным планом — рука, вынимающая вилку для зарядки электромобиля из точки зарядки RechargePlus с полосками Shell.Крупным планом — рука, вставляющая вилку зарядного устройства в автомобильную розетку; Белые линии анимированной графики и текста появляются на экране в правом кадре, рядом с разъемом для зарядки, чтобы указать, что аккумулятор заряжается. Наклонение крупного плана экрана дисплея, на котором отображается зеленая кнопка «пуск», красная кнопка «стоп» с индикатором уровня заряда батареи между двумя кнопками; Текст в верхней части экрана отображает статистику, относящуюся к нормальной зарядке, емкости аккумулятора, циклу зарядки, фактическому времени и текущему расчетному запасу хода.Крупный план улыбающегося молодого человека, который смотрит на планшет, который держит в руке, и поднимает другую руку, чтобы навести курсор на экран планшета, в то время как на заднем плане мужчина и женщина сидят вместе за другим столом; текст отображается поверх отснятого материала.

[Экранный диктор]

NewMotion от Shell обеспечивает крупнейшую сеть пунктов зарядки в домах и на предприятиях по всей Западной Европе.

[Отображение текста]

Крупнейшая сеть пунктов зарядки

[Видеозапись]

Крупный план большого пальца на экране смартфона, когда бело-голубой логотип NewMotion заполняет экран.Крупный план руки, касающейся сине-белой зарядной карты NewMotion зарядной станции, в результате чего на зарядной станции загорается синий индикатор. Широкоугольная внутренняя съемка ряда зарядных станций NewMotion в кадре справа, с соответствующим рядом автомобилей, припаркованных во время зарядки в кадре слева; текст отображается поверх отснятого материала. Вид сзади: человек приближается к зарядной станции «NewMotion V2X Bi-Directional Charger». Крупный план надписи «V2X Bi-Directional Charger» на зарядной станции.

[Анимированная последовательность]

Крупный план карты улиц Западной Европы, карта усеяна множеством маркеров местоположения, каждый маркер местоположения отображает либо сердце, либо значок электрического болта. Мы возвращаемся к большему обзору Европы, и снова в Европе, включая Великобританию и Ирландию, отображается все больше маркеров местоположения, причем на каждом маркере местоположения отображается число.

[Рассказчик]

Shell Ventures помогает расти стартапам, предлагающим более чистые энергетические решения.

[Отображение текста]

Помощь стартапам в росте

[Видеозапись]

Отслеживание заднего вида автономного транспортного средства Aurora Innovation (вид справа в кадре) с камерами, установленными на его багажниках на крыше , совершая круиз по мосту Вест-Энд в Питтсбурге, приближаясь к арке из стальной тетивы на среднем плане; На заднем плане мы видим часть горизонта Питтсбурга под бледно-голубым небом и пар, поднимающийся из выхлопной трубы автомобиля в правом нижнем углу.Крупный план заднего окна автономного транспортного средства, проходящего под аркой стальной тетивы, под большим углом; текст отображается поверх видеозаписи отражающего заднего стекла.

[Рассказчик]

Как Aurora, компания, занимающаяся автономным вождением, меняет способы передвижения людей и товаров.

[Видеозапись]

Видеозапись автономного транспортного средства Aurora Innovation с широкой обратной стороной, вид справа, с камерами, установленными на его багажниках на крыше, проходящей под аркой стальной тетивы моста Вест-Энд с Питтсбургским город на заднем плане.Крупный план заднего стекла автономного транспортного средства, движущегося по городским улицам, с высокими зданиями по обе стороны дороги, отражающимися в поверхности заднего стекла транспортного средства.

[Рассказчик]

Мы тоже инвестируем в биотопливо, исследуем топливо, полученное из отходов биомассы.

[Отображение текста]

Топливо из отходов биомассы

[Видеозапись]

Замедленная съемка восхода солнца сквозь облака и оранжевое небо над сельским пейзажем.Крупным планом — прозрачная жидкость, бьющая из трубы, идущей вниз от верхней части кадра. Панорамирование ряда прозрачных бутылок с синими крышками в держателе; каждая бутылка содержит отходы, помеченные, среди прочего, как обрезки дворовых, твердые отходы, бумажные гранулы и пищевые отходы. Слегка панорамирование насыпи отходов биомассы под голубым облачным небом; текст отображается поверх отснятого материала.

[Рассказчик]

И через наше совместное предприятие Raízen мы производим биотопливо, которое может сократить выбросы до 70%.

[Отображение текста]

Сокращение выбросов до 70%

[Видеозапись]

Отслеживание посевов под низким углом, съемка крупным планом посевов, солнечного неба сквозь зеленые побеги. Отслеживание низкоугловой съемки кормоуборочного комбайна, движущегося по полю, измельчения и уборки урожая. Низкоугольный крупный план женщины в лаборатории в белом лабораторном халате, защитных очках и перчатках, ее глаза на портативном измерителе, когда она опускает его в флягу с жидкостью, которую держит в другой руке; текст отображается поверх видеозаписи.Отслеживание кадры с низким углом замедленного движения счастливой улыбающейся семьи, идущей через лесной массив, мужчину, несущего мальчика на плечах, женщины и маленькой девочки, идущих следом за ними, держась за руки.

[Рассказчик]

Чтобы удовлетворить растущий спрос на возобновляемые источники энергии, мы инвестируем в ветровые проекты в США и Нидерландах и изучаем возможности по всему миру.

[Отображение текста]

Проекты ветра

[Видеозапись]

Отслеживание замедленной съемки, когда человек держится за руки и использует экран планшета во время прохождения мимо набора вертикальных жалюзи, через которые освещаются улицы и город видны здания.Крупным планом — рука, регулирующая циферблат цифрового термостата, установленный у стены. Аэрофотосъемка одной ветряной турбины в океане; текст отображается поверх видеозаписи. Кадры под низким углом: ряд ветряных турбин с лопастями, вращающимися на фоне чистого голубого неба. Панорамирование кадра глубоководной ветровой электростанции, солнце на горизонте на заднем плане. Кадры под низким углом поворота лопастей нескольких ветряных турбин на фоне голубого неба, усеянного розовыми облаками.

[Рассказчик]

Наши проекты в Северном море будут иметь мощность, чтобы обеспечить энергией почти миллион домов.

[Отображение текста]

1 миллион домов

[Видеозапись]

Наклонение крупным планом вращающихся лопастей ветряной турбины с логотипами Shell и Nuon на фоне голубого неба; вдалеке еще много ветряных турбин усеивают океан. Панорамный вид с высоты птичьего полета на глубоководную ветряную электростанцию ​​под бледно-голубым небом; текст отображается поверх видеозаписи.

[Рассказчик]

Мы инвестировали в одного из крупнейших независимых производителей солнечной энергии в США и расширили свою деятельность в Азии.

[Отображение текста]

Солнечные проекты в США и Азии

[Видеозапись]

Отслеживание крупным планом солнечной панели среди поля солнечных панелей, когда она наклоняется, сокращая до съемка под низким углом нижней стороны солнечных панелей, когда они наклоняются под чистым голубым небом. Наклоняющая аэрофотосъемка рядов панелей в массивной солнечной батарее, резка под широким углом обзора поля солнечных панелей, установленных в травянистом сельском ландшафте под голубым облачным небом; текст отображается поверх видеозаписи.

[Экранный диктор]

В США и Великобритании мы приобрели поставщиков энергии, что позволяет нам осуществлять поставки напрямую нашим клиентам.

[Отображение текста]

Непосредственно для наших клиентов

[Видеозаписи и анимационные кадры]

Крупным планом — лампа, освещающая выпуклый оттенок с желтыми оттенками. Крупный план руки, держащей смартфон с приложением SmartHome; Пользователь устройства использует приложение для управления освещением гостиной, столовой и лестничной клетки.Кадры под высоким углом, на которых группа людей ест за столом, нагруженным едой; выпуклый висящий свет над ними освещает стол. Отслеживание низкоугольных кадров линий электропередач и высоких пилонов, видимых под голубым небом и оранжевыми облаками; текст отображается поверх видеозаписи.

[Экранный диктор]

Чтобы предложить бытовым клиентам более широкий выбор решений для более чистой энергии, мы приобрели Sonnen, которая позволяет хранить солнечную энергию в вашем доме и передавать ее другим пользователям.

[Отображение текста]

Больше выбора в более чистой энергии

[Видеозапись]

Панорамная покадровая съемка гонок облаков и свечения неба над рядом ветряных турбин, установленных в загородной деревне. Аэрофотосъемка автомобиля, проезжающего по улице между сгруппированными домами в жилом загородном поселке. Крупный план в профиль мужчины и молодой девушки, смотрящих вниз на экран домашнего аккумулятора Sonnen, девушка поворачивается, чтобы улыбнуться мужчине, и мы переходим на общий план семьи, сидящей на диване перед домом. домашнего аккумулятора Sonnen, все четыре члена семьи используют различные электронные устройства; текст отображается поверх видеозаписи.

[Анимированная последовательность]

Кадры вида спереди домашнего аккумулятора Sonnen на темном фоне. Графические устройства появляются и оживляются на экране. Светящиеся лучи выходят из верхней и боковых сторон домашней батареи. Затем мы снимаем с высоты птичьего полета группу жилых домов, поскольку светящиеся лучи соединяют многочисленные части каждого дома с другими домами в сети линий. Далее мы отступаем, чтобы обнаружить еще более обширную сеть взаимосвязанных линий.

[Видеозапись]

Крупный план руки, щелкающей выключателем на панели переключателей и кнопок.

[Рассказчик]

Мы также ищем коммерческие способы надежного электроснабжения домов и предприятий в Африке и Азии.

[Отображение текста]

Надежное электричество

[Видеозапись]

Силуэт человека, бросающего заброшенную сеть над водой под тускло освещенным солнцем небом. Отслеживание кадра обратного вида человека, идущего к деревянному зданию среди деревьев и кустов. Низкий угол наклона панели солнечных батарей между деревьями; крупный разрез деревянного здания между деревьями; панель солнечных батарей наклоняется на переднем плане; текст отображается поверх видеозаписи.Широкая съемка небольшого деревенского магазинчика в ночное время; в магазине горит свет, но внешняя часть остается в темноте, пока не загорится внешний свет, а затем — внутреннее освещение. Крупный план обмена деньгами внутри магазина; на заднем плане сидит пожилой мужчина азиатского происхождения, а видеоматериалы отображаются на маленьком экране у стены. Крупный план руки, касающейся верхней части желтого генератора. Кадры под большим углом, на которых группа африканских детей, собравшихся вокруг тетради, работает при свете перезаряжаемой лампы.Широкоформатные кадры, на которых пожилой азиатский мужчина пьет чай с другими за столиком в магазине, между ними на столе стоит высокий термос; другой мужчина приносит к столу тарелку с закусками.

[Рассказчик]

Наш бизнес в области новых энергий способствует переходу к будущему с более низким уровнем выбросов углерода.

[Видеозапись]

Панели солнечных батарей крупным планом. Когда кадр отступает, мы видим массив солнечных панелей на фоне города; Покадровая съемка показывает темнеющее небо и все более освещенный городской пейзаж внизу.

[Отображение текста]

Будущее с низким содержанием углерода

[Анимированная последовательность]

Графические устройства появляются и анимируются на экране. Белые линии проходят от каждой точки значка дома, распространяясь по горизонтали, вертикали и диагонали к краям кадра на синем фоне. Свет пульсирует вдоль линий. Текст отображается в правом кадре.

[Экранный диктор]

Вместе способствовать прогрессу, предлагая больше экологически чистых энергетических решений.

[Отображение текста]

Совместное усилие прогресса

[Видеозапись]

Медленное движение людей, прыгающих вверх и вниз с поднятыми руками на концерте; музыканты выступают на сцене под пульсирующим светом. Кадры раннего утреннего тай-чи на набережной Бунда в Шанхае на фоне линии горизонта Пудун; текст отображается поверх видеозаписи.

[Рассказчик]

Давайте сделаем будущее.

[Отображается текст]

#MakeTheFuture

[Видеозапись]

Крупный план сияющего улыбающегося лица девушки, удивленно смотрящей вверх, ее лицо видно в профиль.Крупный план солнечных батарей с освещенным горизонтом города на заднем плане; текст отображается поверх видеозаписи.

[Аудио]

Воспроизведение на клавишах мнемоники Shell.

[Графика]

Shell Pecten по центру на белом фоне с текстом, отображаемым ниже.

[Отображение текста]

www.shell.com/newenergies

© Shell International Limited 2019

| Инициатива по чистой энергии Гавайев

Гавайская инициатива по чистой энергии

Инициатива чистой энергии на Гавайях (HCEI) — это свод законодательных и нормативных актов, поддерживаемых разнообразной группой заинтересованных сторон, приверженных идее чистой энергии на Гавайях.Инициатива была запущена в 2008 году, когда штат Гавайи и министерство энергетики США подписали новаторский Меморандум о взаимопонимании о сотрудничестве в снижении сильной зависимости Гавайев от импорта ископаемого топлива. В 2008 году, по оценкам штата, 60-70 процентов будущих потребностей в энергии можно было бы удовлетворить за счет местных чистых возобновляемых источников энергии. Чтобы воплотить это видение в жизнь, HCEI трансформирует финансовые, нормативные, правовые и институциональные системы, которые управляют планированием и поставкой энергии в государстве.Инициатива окрепла за время трех управлений губернатора. В 2014 году HCEI подтвердил обязательство Гавайев поставить перед собой смелые цели в области экологически чистой энергии, включая достижение первых в стране 100-процентных стандартов портфеля возобновляемых источников энергии (RPS) к 2045 году.

HRS раздел 196-10.5 Программа инициативы по чистой энергии на Гавайях

Меморандум о взаимопонимании между штатом Гавайи и Министерством энергетики США, 2008 г. (PDF)

Меморандум о взаимопонимании, повторное обязательство, 2014 г. (PDF)

Цели и задачи

Целью Гавайской инициативы по чистой энергии является достижение 100% чистой энергии к 2045 году.Сотрудничая с идейными лидерами, заинтересованными группами и отдельными людьми, HCEI будет опираться на динамичную, постоянную работу государственных и частных организаций на национальном уровне, уровне штата и округа для достижения следующих ключевых целей:

• Определите новую инфраструктуру , необходимую для перехода Гавайев к экономике чистой энергии.
• Поощрять и демонстрировать инновации в использовании чистых энергетических технологий, творческого финансирования и государственной политики для ускорения нашего перехода к чистой энергии.
• Создайте экономические возможности путем развития и диверсификации экономики Гавайев, чтобы все мы могли воспользоваться преимуществами устойчивой энергетической политики.
• Создать модель обучения с «открытым исходным кодом» , которая поддерживает другие островные сообщества, стремящиеся достичь аналогичных целей, и делает Гавайи мировой моделью для экономики, основанной на чистой энергии.
• Создайте нашу рабочую силу с новыми навыками , которые лягут в основу энергонезависимых Гавайев.

Прогресс на сегодняшний день

С момента своего основания HCEI реализовала множество основополагающих политик и инновационных решений, необходимых для уменьшения нашей зависимости от иностранной нефти, максимального увеличения нашего разнообразного портфеля природных ресурсов и создания рабочих мест и инвестиционных возможностей на всех островах. Наш штат заслужил признание в качестве лидера в области экологически чистой энергии и должен продолжать внедрять инновационные технологии и принимать взвешенные решения.

Примечательно, что многие цели были достигнуты.В настоящее время на Гавайях развита чистая энергетическая промышленность. Инновации ускоряются быстрыми темпами, что, в свою очередь, стимулирует наш экономический рост. Например, государство добивается впечатляющих успехов в секторе экологически чистого транспорта. В настоящее время на дорогах Гавайев установлено 12 716 электромобилей, обслуживаемых 286 общественными станциями зарядки электромобилей. При развертывании возобновляемых источников энергии мы инвестируем в интеллектуальную инфраструктуру и изучаем технологии следующего поколения. Используя энергию из таких ресурсов, как солнечная энергия, ветер, геотермальная энергия, гидроэнергетика, океан, биомасса и биотопливо, Гавайи достигли новой важной вехи, создав рекордные 29.8% нашей энергии из возобновляемых источников в 2019 году.

Гавайская инициатива по чистой энергии отмечает 10-летний юбилей

Гавайи отметили знаменательную дату 9 января 2018 года, отметив 10-ю годовщину Гавайской инициативы по чистой энергии. С момента своего запуска HCEI зарекомендовал себя как бесценный ресурс в продвижении постоянных усилий Гавайев по достижению энергетической самообеспеченности.

Мероприятие, проведенное в Washington Place, собрало широкий круг заинтересованных сторон в сфере энергетики, включая представителей правительства, энергетических компаний, некоммерческих организаций и групп с особыми интересами.Участники отметили вклад HCEI, который широко признан за установление самых агрессивных целей в области чистой энергии в стране.

«За последние 10 лет Гавайская инициатива по чистой энергии сыграла важную роль в смелом стремлении Гавайев к созданию экологически чистой энергии в будущем, приносящей пользу всем жителям штата. Созданный на основе наших неоценимых отношений с Министерством энергетики США и другими ключевыми заинтересованными сторонами, HCEI будет и впредь служить руководящей силой, когда мы сталкиваемся с проблемами перехода к 100% чистой энергии будущего.”

— Губернатор Дэвид Иге

Прокламация

Празднование 10-летия успеха Брошюра

Роль водорода и топливных элементов в мировой энергетической системе

Водородные технологии пережили циклы завышенных ожиданий, за которыми следовало разочарование. Тем не менее, все больше данных свидетельствует о том, что эти технологии представляют собой привлекательный вариант для глубокой декарбонизации глобальных энергетических систем, и что недавние улучшения в их стоимости и производительности также указывают на экономическую жизнеспособность.Этот документ представляет собой всесторонний обзор потенциальной роли, которую водород может играть в обеспечении электроэнергией, теплом, промышленности, транспорта и хранения энергии в низкоуглеродной энергетической системе, а также оценку статуса водорода в том, что касается его способности выполнять эту задачу. потенциал. Возникающая картина является весьма многообещающей: водород хорошо зарекомендовал себя в определенных нишах, таких как вилочные погрузчики, в то время как в настоящее время появляются основные области применения. Транспортные средства, работающие на водороде, коммерчески доступны в нескольких странах, и было продано 225 000 систем домашнего отопления на топливных элементах.Это шаг вперед по сравнению с ситуацией пятилетней давности. Этот обзор показывает, что проблемы, связанные со стоимостью и производительностью, остаются, и все еще требуются значительные улучшения, чтобы водород стал действительно конкурентоспособным. Но такая конкурентоспособность в среднесрочной перспективе больше не кажется нереалистичной перспективой, что полностью оправдывает растущий интерес и политическую поддержку этих технологий во всем мире.

Эта статья в открытом доступе

Решение проблемы безуглеродной энергии

Abstract

В этом столетии произойдет серьезная трансформация того, как энергия приобретается, хранится и используется во всем мире.Толчком к этим изменениям является глубокое воздействие, которое как развитые, так и развивающиеся общества оказали на окружающую среду нашей планеты в течение последнего столетия, а также прогнозы относительно того, что произойдет, если мы не будем действовать трансформирующим образом в течение следующих двух десятилетий. В этом документе описывается основа для встречи, состоявшейся в октябре 2018 года, о необходимости декарбонизации в нашем энергетическом ландшафте, и, в частности, о состоянии и проблемах науки, которая обеспечивает основу для таких технологий.В области декарбонизации при производстве энергии находится наука о преобразовании солнечной энергии с использованием новых или улучшенных фотоэлектрических материалов и искусственного фотосинтеза для расщепления воды и других реакций, накапливающих энергию. Тесно связанная проблема хранения возобновляемой энергии решается с помощью новых стратегий, материалов и подходов, которые в настоящее время исследуются и разрабатываются. Была также рассмотрена необходимость улучшения взаимодействия между учеными, работающими над этими взаимосвязанными, но отдельно рассматриваемыми проблемами, а также над переходом научных достижений к практическому применению, при этом были перечислены конкретные усилия.

Нынешнее столетие станет свидетелем серьезных изменений в способах получения, хранения и использования энергии во всем мире. На данный момент, почти на пятой части пути XXI века, изменения явно заметны, но более глубокие изменения еще впереди. Проблемы, с которыми мы сталкиваемся при проведении этих преобразований, варьируются от научных и технологических до социальных, культурных и экономических в том, как мы живем, работаем и играем. Толчком к этим изменениям является глубокое воздействие, которое как развитые, так и развивающиеся общества оказали на окружающую среду нашей планеты в течение последнего столетия, и прогнозы будущих событий в отношении того, что произойдет в глобальном масштабе, если мы не будем действовать.Реальная и прогнозируемая урбанизация вместе с ростом населения мира ясно показывают, что мы должны действовать сейчас.

О влиянии индустриализации и современного общества на окружающую среду во всем мире много писали и обсуждали. Статистические данные о количествах CO ₂ в глобальной атмосфере и повышении средних глобальных температур с начала индустриальной эры в сочетании с прогнозами климатологов, экологов и геологов по различным сценариям послужили основой для исследования. дебаты и привели к предложенным направлениям действий, которые должны быть предприняты взаимосвязанными сторонами.В октябре 2018 года Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) выпустила обновленный анализ (1) мировой ситуации с более мрачными прогнозами глобального потепления, чем это было представлено ранее (2). В этом последнем отчете МГЭИК подчеркнула необходимость удерживать повышение средней температуры ниже 1,5 ° C в течение следующих 15 лет:

Пути, согласующиеся с потеплением на 1,5 ° C выше доиндустриального уровня, можно определить в диапазоне предположений об экономическом росте, развитии технологий и образе жизни.Однако отсутствие глобального сотрудничества, отсутствие управления необходимыми преобразованиями энергии и земель, а также увеличение ресурсоемкого потребления являются ключевыми препятствиями на пути достижения траектории 1,5 ° C. … При выбросах в соответствии с текущими обязательствами по Парижскому соглашению (известными как определяемые на национальном уровне взносы, или NDC) ожидается, что глобальное потепление превысит доиндустриальные уровни на 1,5 ° C, даже если эти обещания будут дополнены очень серьезным увеличением масштабы и амбиции смягчения последствий после 2030 года.… Эти более активные действия потребуют достижения пика выбросов CO ₂ менее чем за 15 лет.

Актуальность решения проблемы изменения климата — центральная черта отчета МГЭИК. Чтобы избежать наихудших последствий изменения климата, глобальные выбросы углерода должны достичь пика к 2020–2030 годам, снизиться до нуля к 2050 году и стать отрицательными (т. Е. Мы должны удалить углекислый газ из атмосферы) после 2050 года (рисунок SPM3a в ссылке 1). . Глобальные выбросы углерода за последние 2 года показывают обратную динамику (рис.1). После длительного периода снижения роста выбросов и трехлетнего периода почти неизменного уровня выбросов казалось возможным, что мы достигли пика и будем двигаться к спаду. Вместо этого выбросы выросли на 2,0% в 2017 году и на 2,7% в 2018 году, что является почти самым большим увеличением с 1990 года (3).

Глобальные выбросы углекислого газа от сжигания ископаемого топлива растут темпами, почти равными крупнейшим за последние 30 лет. Этот резкий рост следует за 3-летним периодом почти неизменного уровня выбросов с 2014 по 2016 год и указывает на то, что мы находимся намного выше траектории, необходимой для сохранения потепления ниже 1.5 ° С. Данные из исх. 32 (Глобальный углеродный бюджет на 2018 г., https://www.globalcarbonproject.org/carbonbudget/18/files/GCP_CarbonBudget_2018.pdf, кадр 9). Адаптировано с разрешения Организации научных и промышленных исследований Содружества, под лицензией CC BY 4.0.

Очевидно, что общим знаменателем в усилиях по борьбе с изменением климата и критическим фактором уровней CO в атмосфере ₂ является насущная необходимость декарбонизации мировой энергетики при одновременном удовлетворении потребностей в энергии для мирового развития.Еще в 2016 году более 80% энергии, производимой во всем мире, приходилось на углеродсодержащие ископаемые виды топлива (нефть, уголь и природный газ). Хотя увеличение использования природного газа для замены угля можно рассматривать как положительный шаг, утечка метана в окружающую среду сводит на нет выгоду от его использования, поскольку метан является более сильным парниковым газом, чем CO ₂ . Хотя в самом последнем отчете МГЭИК (1) основное внимание уделяется необходимости общих стратегий и политики, в нем отсутствуют конкретные способы достижения необходимой технологии получения энергии с нулевым выбросом углерода и лежащих в ее основе научных исследований.

10–12 октября 2018 г. Национальная академия наук провела симпозиум в рамках программы Коллоквиума Саклера «Состояние и проблемы декарбонизации нашего энергетического ландшафта». Основное внимание на этой встрече было уделено представлению и обсуждению текущих научных исследований и областей исследований, необходимых для удаления углерода из наших источников энергии. В то время как симпозиум касался энергетических исследований на самом фундаментальном уровне, он также выдвинул на первый план возможные пути развития производства и хранения энергии с нулевым выбросом углерода, как это предусмотрено экспертами в этой области.Кроме того, встреча предоставила платформу для взаимодействия и обсуждения участников, придерживающихся самых разных точек зрения.

Коллоквиум открылся лекцией бывшего министра энергетики Эрнеста Мониза (2013–2017 гг.) Под названием «Ускорение трансформации чистой энергии» в рамках программы Национальной академии наук «Особые голоса». Последующие презентации были разделены на 4 сессии, посвященные накоплению возобновляемой энергии и преобразованию солнечной энергии в электрическую энергию или топливо под рубрикой искусственного фотосинтеза.Темы охватывали состояние фотоэлектрических (ФЭ), текущие и планируемые разработки аккумуляторных батарей, расщепление воды с помощью солнечной энергии, искусственный фотосинтез и производство нефоссамого водорода и углеводородного топлива, а также другие темы. Проблема декарбонизации энергии сегодня затрагивает все сферы жизни. В 2016 году менее 20% произведенной в мире энергии пошло на производство электроэнергии, при этом 80% использовалось в других крупных секторах использования энергии, включая транспорт и промышленное производство.Хранение и использование возобновляемых источников энергии во всех этих секторах необходимо решать с помощью новых и развивающихся достижений науки и техники.

Презентации и докладчики Коллоквиума Саклера перечислены ниже в порядке их выступления на 4 сессиях:

• Инновации для ускорения преобразования чистой энергии, Арун Маджумдар, Стэнфордский университет

• Разработка новых катализаторов и устойчивых процессов для производства и использование топлива и химикатов, Томас Джарамилло, Стэнфордский университет

• Экономически ориентированный дизайн проточных батарей окислительно-восстановительного потенциала для сетевого хранения, Фикиле Брушетт, Массачусетский технологический институт

• Использование твердотельных протонных проводников для электрохимических технологий преобразования энергии , Соссина Хайле, Северо-Западный университет

• Проблема тераватта в преобразовании солнечной энергии и роль хранения, Дэвид Джинли, Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL)

• Батареи на водной основе на органической основе для массового хранения электроэнергии, Майкл Азиз, Харва rd University

• Альтернативные водные батареи как сетевые решения для электрохимического хранения энергии, Линда Назар, Университет Ватерлоо

• Удовлетворение растущей потребности в долговременном хранении энергии, Йет-Мин Чианг, Массачусетский технологический институт

• Возможности, проблемы и ошибки в производстве водорода, Джон Тернер, NREL

• Солнечная энергия в масштабе: взгляд из окопов, Раффи Гарабедян, First Solar

• Наши химические вещества и жидкое топливо, Карен Голдберг, Пенсильванский университет

• Биотопливо: все еще необходимо после всех этих лет, Ли Линд, Дартмутский университет

• Углеродно-отрицательное солнечное удобрение и восстановление земель, Дэниел Ночера, Гарвардский университет

• Пути трансформации двуокиси углерода с использованием солнечного света, Гарри Атвотер, Калифорнийский институт техники

• Solar Solved — Next, Carbon Negative Technology, Эли Яблонович, Калифорнийский университет, Беркли

• Making Solar Fuels, Tom Meyer, University of North Carolina

Презентации коллоквиума Саклера можно посмотреть на YouTube (https: / / www.youtube.com/playlist?list=PLGJm1x3XQeK3MBYldrPidvT-RRCNVh-QJ). И Мониш, и Маджумдар помогли определить текущую ситуацию и важность фундаментальных исследований в координации со структурой поддержки и финансирования, которая стимулирует инновации и потенциально прорывные технологии. Это не просто нестандартное мышление; скорее, это структура и культура, которые поощряют нестандартное поведение и действия. Проблема хранения возобновляемой энергии была проанализирована с нескольких точек зрения, включая твердотельные батареи и электрохимические пары различных типов, а также жидкостные проточные батареи, в которых 2 раствора различных окислительно-восстановительных агентов протекают через общую мембрану, проницаемую для положительных ионов миграция, в то время как электроны проходят через внешнюю цепь с определенным потенциалом для выполнения работы.Стоимость элементов, составляющих окислительно-восстановительные пары в батареях всех типов, является важным фактором в этих различных подходах, как и другие факторы, такие как динамика переноса заряда электронов и ионов, разделение компонентов и долговечность системы. Все эти вопросы рассматриваются в текущих исследованиях.

Доминирующей тенденцией в хранении энергии является появление множества приложений, которые появляются по мере того, как электросети и транспорт трансформируются для решения проблемы изменения климата, повышения производительности и снижения затрат.Приложения для аккумуляторов электромобилей, интеграция возобновляемых источников энергии, распределенные энергоресурсы, интеллектуальное управление энергопотреблением и электрические полеты для воздушных такси, доставка посылок и пассажирские перевозки на короткие расстояния еще десять лет назад выходили за рамки технологических достижений. Обычные литий-ионные батареи стали доминирующими на рынке, отчасти из-за их резкого падения цены, но они сталкиваются с серьезными проблемами стоимости и производительности, чтобы удовлетворить растущие потребности. Все больше внимания уделяется значительным изменениям в базовой литий-ионной платформе, такой как твердотельные электролиты и аноды на основе лития, магния, цинка или металлического кальция, а также к еще более революционным инновациям, таким как катоды на основе молекулярного кислорода или серы. вместо кристаллических сульфидов, оксидов и фосфатов переходных металлов или для проточных батарей с заменой ванадия на более сложные и универсальные органические окислительно-восстановительные агенты.

Одним из многообещающих достижений является новый тип литий-кислородной батареи, способной выдерживать 700 циклов, которые работают в обычном воздухе (4). Очень высокая теоретическая плотность энергии и низкая стоимость материалов литий-кислородных батарей привлекательны для многих приложений, включая электромобили, грузовые автомобили дальнего следования и электрические полеты. В новой батарее в качестве опоры для кислородного катода используются наночастицы MoS ₂ , защитный слой Li ₂ CO ₃ на аноде из металлического лития и ионная жидкость в качестве электролита, как показано на рис.2. Эти новые функции решают основные проблемы литий-кислородных батарей: рост дендритов на литиевом металлическом аноде, побочные реакции анода и катода с влагой, диоксидом углерода и азотом в воздухе, а также растворение и возможные побочные реакции продукта разряда. Li ₂ O ₂ в жидком электролите. Новая батарея проработала более 700 циклов без каких-либо признаков побочных реакций на аноде или катоде. Обширная теория функционала плотности и моделирование молекулярной динамики выявили атомные и молекулярные источники необычной кинетической и термодинамической стабильности батареи.

Самобытная архитектура литий-воздушной батареи, способной работать более 700 циклов в воздухе, содержащем водяной пар, углекислый газ и азот в атмосферных концентрациях. Вредные побочные реакции предотвращаются с помощью 3 инноваций: защитного слоя Li ₂ CO ₃ для литий-металлического анода, стабильного ионного жидкого электролита и подложки из MoS ₂ для катода, который катализирует реакцию разряда и связывает продукт разгрузки Li ₂ O ₂ .Печатается с разрешения исх. 4, Springer Nature: Nature, авторское право 2018.

Водные электролиты привлекают повышенное внимание из-за их низкой стоимости, превосходных сольватационных характеристик и высокой ионной подвижности, как это обсуждалось Назаром для сетевых приложений (5). Брушетт обсудил новые окислительно-восстановительные органические полимеры для проточных батарей, которые могут значительно снизить стоимость и повысить производительность (6). Батареи Flow, хотя и не являются концептуально новыми, за последнее десятилетие стимулировали множество новых исследований их использования в возобновляемых источниках энергии (рис.3). Ключевые вопросы касаются среды, в которой они работают (водной или органической), сольватационной среды, окружающей активные ионы, и прочности их окислительно-восстановительных пар. Эти аспекты создают исследовательские задачи на нескольких уровнях, все из которых направлены на экономичное хранение энергии в большом масштабе (7). Как массовая, так и объемная плотность энергии проточных батарей делают их более подходящими для стационарного хранения энергии, чем мобильные приложения на основе электромобилей.

Органические проточные окислительно-восстановительные батареи, основанные на различных основных мотивах, таких как олигоэтиленоксиды, к которым могут быть добавлены низко- и высокопотенциальные окислительно-восстановительные центры для увеличения объемной емкости на порядок и предотвращения деградации окислительно-восстановительной стабильности.Печатается с разрешения исх. 8. Авторское право Американского химического общества, 2018 г.

Химическая стабильность проточных органических батарей, в которых окислительно-восстановительные активные пары являются обратимыми одноэлектронными агентами, такими как виологены, и двухэлектронными парами, такими как системы хинон / гидрохинон, представляет собой серьезную проблему, но она открывает новые возможности для возможной реализации (8 , 9). Также обсуждались родственные топливные элементы на основе H ₂ от Haile и новая проточная батарея длительного действия от Chiang, основанная на недорогой, богатой на Земле S, O ₂ и воде (10, 11).Низкая стоимость материалов этой батареи позволяет хранить большое количество энергии для экономически целесообразного длительного разряда (рис. 4).

Установленная стоимость долговременного хранения с помощью гидроаккумулятора (PHS) и накопителя энергии сжатого воздуха (CAES) по сравнению с установленной стоимостью литий-ионных и ванадиевых окислительно-восстановительных батарей (VRFB) и химической стоимостью материалов для воздушно-реактивных батарей с водным потоком серы. Печатается по исх. 10, с разрешения Elsevier.

После первого дня лекций состоялась обширная панельная дискуссия по теме хранения возобновляемой энергии, которая включала научные, материальные и технологические проблемы, которые необходимо решить, чтобы обеспечить широкую интеграцию переменного ветра и солнечной энергии в сети и транспортных средств на батареях и топливных элементах при транспортировке. Безотлагательность достижения агрессивных целей декарбонизации в следующие 15 лет была центральной в этих обсуждениях.

Во второй день встречи акцент сместился на преобразование солнечной энергии в электричество напрямую с использованием фотоэлектрических материалов и сборок или в накопленную химическую энергию посредством фотосинтеза.Рост фотоэлектрических установок за последнее десятилетие был огромным, а цены за киловатт-час стали конкурентоспособными с электрической энергией, полученной из ископаемого топлива. Технологическим ключом к этому результату стала возможность производить кремний фотоэлектрического класса в огромных количествах, в основном в Китае. Тонкопленочные фотоэлектрические элементы, состоящие из покрытий, содержащих селенид меди, индия, галлия и GaAs, обещают значительно более высокую эффективность, но в настоящее время также являются более дорогими в производстве.Выступления Гаррабедиана из First Solar и Atwater Объединенного центра искусственного фотосинтеза Министерства энергетики показали, что такие системы приближаются к теоретическому пределу Шокли-Квайссера для преобразования света в электрическую энергию в системе с одним переходом (12, 13). Яблонович, чья работа над тонкопленочным GaAs также примечательна (14), считает, что с такой конструкцией можно было бы решить фундаментальную научную проблему, связанную с широким использованием фотоэлектрических материалов, хотя стоимость остается ключевой проблемой.

В то время как естественный фотосинтез в конечном итоге приводит к накоплению химической энергии в форме углеводов, именно восстановление протонов вместе с образованием кислорода из воды обеспечивает накопленный химический потенциал. В то время как другие возможные реакции накопления энергии под действием света существуют под рубрикой искусственного фотосинтеза, в настоящее время основное внимание уделяется расщеплению воды на водород и кислород под действием света. Даже в естественном фотосинтезе накопление энергии включает ключевые этапы окисления воды до O ₂ и восстановления протонов (в превращении NADP ⁺ в NADPH).Последующее восстановление CO ₂ происходит за счет темных реакций, протекающих по термодинамически благоприятной химии, что означает, что свет не требуется для включения CO ₂ в углеводные продукты после того, как были образованы восстанавливающие эквиваленты в форме NADPH. В то время как другие реакции накопления энергии были предложены и исследованы для искусственного фотосинтеза, ни одна из них не обладает качествами и полезностью расщепления воды для накопления энергии. Это особенно верно, если реакция высвобождения энергии осуществляется с использованием технологии водородных топливных элементов (обсуждается ниже).

Основная проблема, связанная с расщеплением воды под действием света, возникает при катализе обеих полуреакций — образования H ₂ из воды и окисления воды до O ₂ , что может быть вредным для стабильности катализатора в долгосрочной перспективе. Для полуреакции окисления воды процесс может включать образование активных форм кислорода, которые могут атаковать катализатор, чтобы сделать его неактивным. В своих лекциях Мейер описал свои усилия по этому вопросу с использованием фотоэлектросинтетических клеток (рис.5; ссылки 15 и 16), в то время как Носера кратко рассказал о своих исследованиях искусственного листа, который генерирует H ₂ и O ₂ , с использованием поглотителя света на основе Si с необходимыми восстанавливающими и окисляющими эквивалентами (17). Однако в исследованиях искусственных листьев было обнаружено, что факторы стоимости и стабильности светопоглотителя слишком высоки для практического применения в настоящее время.

Принципиальная схема тандемной сенсибилизированной красителем фотоэлектросинтезирующей ячейки (DSPEC) для разделения воды под действием солнечной энергии на H ₂ и O ₂ .Катализатор окисления воды и катализатор восстановления воды сокращенно обозначаются WOC и WRC соответственно, а хромофор для каждой полуреакции обозначается как Ch. Возбуждение света, перенос электронов, перенос дырок и миграция протонов показаны зелеными, синими, розовыми и серыми стрелками соответственно. Печатается с разрешения исх. 16. Авторское право Американского химического общества, 2016 г.

Ячейка для фотоэлектросинтеза, сенсибилизированная красителем, показанная на рис. 5, объединяет оксидные полупроводники с большой шириной запрещенной зоны и наночастицы со светопоглощающими и каталитическими свойствами спроектированных сборок хромофор-катализатор для разделения воды.Также проводится дополнительная модификация катодного отсека электролизера для использования восстановительных эквивалентов H ₂ для преобразования CO ₂ в органические оксигенатные топлива (16). Стоит отметить, что в то время как усилия по использованию антропогенного диоксида углерода для материалов и полимеров продолжаются, количество CO ₂ , произведенное в процессе производства энергии, намного больше, чем требуется для материалов и полимеров.

Другой подход, представленный Харамилло, следует по пути, по которому эффективность существующих фотоэлектрических технологий и фотоэлектрических технологий ближайшего будущего сочетается с отдельными водяными электролизерами для поколений H ₂ и O ₂ , а не через один интегрированный светопоглотитель-каталитическая система (18).Это объединит необходимость фотоэлектрических поглотителей большой площади для относительно рассеянной солнечной энергии с эффективностью более централизованного электрохимического реактора для производства H ₂ и O ₂ . При быстром снижении цен на фотоэлектрические элементы проблемой становится стоимость и эффективность водного электролизера.

Хотя водород как топливо имеет много положительных качеств — он генерирует больше энергии, чем любое химическое топливо на единицу массы при окислении, и его запасы безграничны — есть аспекты его использования, которые представляют собой препятствия и проблемы.Одной из проблем является хранение H ₂ , поскольку он не является легко конденсируемым газом. В процессе сжижения H ₂ , который в настоящее время производится в промышленности для удобной и недорогой доставки, расходуется примерно треть его стоимости в качестве топлива (19). Вторая проблема — это распределение водорода на заправочные станции для транспорта, который потребляет больше энергии, чем производство электроэнергии. Электромобили на топливных элементах (FCEV), работающие на водороде, нуждаются в заправочных станциях, доставляющих H ₂ при давлении 70 МПа.По состоянию на 2018 год в Калифорнии насчитывается около 50 таких заправочных станций для поддержки ограниченного числа FCEV в качестве пилотного проекта их использования в безуглеродном транспорте. Следует отметить, что Япония взяла на себя серьезные долгосрочные обязательства в отношении FCEV с прогнозируемым количеством автомобилей и заправочных станций в течение следующих 8 лет в размере 800 000 и 2 000 соответственно (20). Существуют также пригородные электропоезда на топливных элементах производства Alstom, работающие в Германии (21, 22). Все эти усилия дополняют быстрорастущий сектор электромобилей, который для работы основан на батареях, а не на топливных элементах.

Как только H ₂ можно будет вырабатывать с помощью фотоэлектрических водных электролизеров, он сможет заменить водород, который в настоящее время используется в промышленности и производится путем риформинга природного газа (с сопутствующим образованием CO ₂ ). Самый крупный промышленный процесс с использованием водорода — это синтез аммиака Габера – Боша; он производит 4,5 × 10 ⁹ кг NH ₃ для сельского хозяйства и производства продуктов питания, с глобальным потреблением от 3 до 5% природного газа в год. Этот процесс имеет решающее значение для обеспечения биологической доступности азота в масштабах, необходимых для прокормления жителей планеты.Роль, которую играет аммиак в сегодняшнем мире, может также значительно расшириться в энергетическом ландшафте будущего как источник «хранимого» водорода (23). Аммиак в качестве возможного топлива уже давно признан (хотя широко не используется), и термодинамика его образования подтверждает его возможную роль в качестве хранимого источника водорода. Принимая во внимание тот факт, что обращение с аммиаком в больших масштабах уже выполнено, он может лучше подойти для распределения H ₂ в центры FCEV вместо сжиженного водорода.Тем не менее, еще предстоит провести гораздо больше исследований, особенно в отношении источника водорода, используемого в синтезе аммиака, и любое нагревание, необходимое для запуска процесса, не может происходить из природного газа, как это делается в настоящее время.

Другая стратегия снижения годового количества CO ₂ , поступающего в атмосферу в результате окисления углеводородного топлива, была описана как «улавливание углерода», при котором выхлопные газы CO ₂ улавливаются на электростанции, а затем каким-то образом улавливаются ( 24). Яблонович обсудил эту стратегию «отрицательного углерода», основанную на относительно простом анализе затрат, а затем предположил, что лучший способ довести это решение до завершения — это закопать образовавшийся CO ₂ .В других беседах Линд и Носера рассмотрели стратегию использования модифицированных организмов для снижения CO ₂ до углеводного уровня с химическим потенциалом, чтобы такие соединения можно было использовать в качестве источников энергии. Таким образом, использование такого топлива будет углеродно-нейтральным, что позволит восстановить CO ₂ для получения топлива, которое при окислении регенерирует такое же количество CO ₂ . Система из лаборатории Nocera показана на рис.6, в которой водород, полученный при расщеплении воды, потребляется Ralstonia eutropha для выращивания и производства биомассы или для более сложных версий для производства жидкого топлива, такого как изопропанол (25, 26). .

( A ) Биоинженерная схема преобразования энергии, показывающая, как H ₂ , образующийся при расщеплении солнечной воды, используется в тандеме с R. eutropha для производства кислородсодержащего топлива (изопропанола). ( B ) График иллюстрирует термодинамику полуреакций и перенапряжения, необходимые для различных стадий. Печатается с разрешения исх. 25.

Взаимное превращение соединений из оксигенатов углерода в углеводы и другие восстановленные углеродные соединения обсуждалось Голдбергом с точки зрения проблем, связанных с катализом таких реакций восстановления CO ₂ , и того, как эти превращения могут быть осуществлены с помощью разработки новых селективных катализаторов. .Подробности можно найти в их соответствующих выступлениях, доступных на сайте Коллоквиума.

Отличительной чертой коллоквиума Саклера было наличие 2 панельных дискуссий в конце презентаций каждый день, в течение которых вопросы, комментарии и мнения могли быть самыми разными и выходить за рамки обычных дискуссий на научных встречах. Каждая панельная дискуссия создавала живое взаимодействие между аудиторией и спикерами. Одной из провокационных тем была перспектива достижения декарбонизации в короткие сроки, необходимые для предотвращения критического изменения климата.Цель длительного хранения энергии — серьезный барьер на пути декарбонизации электросети. Литий-ионные аккумуляторы, которые сейчас находятся на стадии планирования, обычно имеют время разряда 4 часа, которого достаточно, чтобы переместить солнечное электричество после полудня на вечернее или для того, чтобы покрыть спокойный полдень, когда ветер может не дуть. Однако требуется гораздо более продолжительное хранение, чтобы преодолеть несоответствие спроса между будними и выходными днями, дневные и еженедельные погодные условия в тихие, пасмурные или ненастные дни, отключение из-за экстремальных погодных условий и сезонные колебания потребности в отоплении и охлаждении (10).

Обсуждение относительных преимуществ аккумуляторов по сравнению с хранением водорода, полученного путем искусственного фотосинтеза или электролиза под действием фотоэлектрической энергии, проиллюстрировало не только научные проблемы, но и важность низкой стоимости в обеспечении широкого распространения. Хотя батареи и фотоэлементы являются образцом быстрого развертывания, основанного на затратах, для каждого из них потребовались длительные инкубационные периоды, необходимые для понимания основных материалов и явлений. Важность таких периодов открытия видна в других секторах, таких как гидроразрыв и светоизлучающие диоды, которые получили широкое распространение после быстрого снижения затрат.По-разному, хотя искусственный фотосинтез и электрокатализ все еще находятся в своей фундаментальной науке и методах открытий, необходимо сократить сроки практического внедрения.

Часто подчеркивалась важность сильного междисциплинарного взаимодействия для содействия прогрессу. Фундаментальная электрохимия, лежащая в основе исследований батарей, топливных элементов, катализа и фотосинтеза, обеспечивает общую связь между учеными, придерживающимися различных подходов к исследованиям декарбонизации энергии.Мы все согласились с тем, что поиск способов обмена информацией и идеями в разных областях имеет решающее значение для ускорения темпов открытий и инноваций. Одна из платформ для обмена информацией и стимулирования идей — это численное моделирование молекул и материалов до того, как они будут созданы в лаборатории. В настоящее время существует множество обширных баз данных о равновесных свойствах материалов и молекул, таких как кристаллическая, молекулярная, электронная и магнитная структуры, энергии образования, потенциалы ионизации и сродство к электрону (27–29).Эти базы данных позволяют быстро проверять тысячи материалов или молекул на предмет наиболее многообещающих кандидатов для данной области применения.

Моделирование материалов может быть поднято на новый уровень с двумя нововведениями, которые меняют правила игры. Первый — это единая интерактивная поисковая машина, которая может получить доступ к множеству отдельных баз данных, созданных и поддерживаемых отдельными исследовательскими группами. Ярким примером является Google: он собирает данные из отдаленных источников, сортирует и представляет информацию за секунды в ответ на поисковый запрос.Поисковая машина в стиле Google, способная получить доступ ко всем специализированным материалам и молекулярным базам данных и быстро сортировать результаты поиска, ускорит генерацию новых идей и позволит их оценивать в гораздо более короткие сроки, чем это возможно сейчас.

Второе достижение в моделировании материалов — это выход за рамки равновесных свойств идеальных материалов и молекул, охватывающий дефекты, беспорядок, легирование, динамику, подвижность, возбужденные состояния, метастабильные фазы и химические реакции.Все это важные особенности реалистичных систем, которые по большей части недоступны для существующих высокопроизводительных симуляторов. При наличии достаточно больших компьютеров некоторые из этих свойств, такие как дефекты, беспорядок и легирование, теперь можно моделировать. Другие, такие как динамика, возбужденные состояния, метастабильные фазы и химические реакции, требуют разработки новых вычислительных подходов, чтобы стать мейнстримом. Машинное обучение и искусственный интеллект, которые давно используются для открытия лекарств, но только сейчас применяются к материалам для получения энергии, могут выявить скрытые корреляции между материалами и свойствами, для которых нет хорошего понимания первых принципов, таких как возбужденные состояния и неравновесная динамика (30) .Моделирование, выходящее за рамки равновесных свойств, которые сейчас можно вообразить, но еще не доведено до практического применения, значительно ускорит открытие новых материалов и явлений для декарбонизации и поможет сократить расходы, необходимые для широкого внедрения.

В статье для Всемирного экономического форума, озаглавленной «Откуда наша энергия будет поступать в 2030 году и насколько она будет экологичной?» Кэтрин Гамильтон, директор Проекта чистой энергии и инноваций и сопредседатель Совета глобального будущего по вопросам будущего энергетики, заявила следующее (31):

Энергетический сектор уже очень быстро меняется.Мы надеемся, что он переходит в сторону большей способности удовлетворять потребности в энергии растущего населения мира с уменьшенным использованием углерода, поддерживая непрерывный экономический рост экологически устойчивым образом.

Но этот переход не обязательно произойдет сам по себе. Нам нужно собрать в одной комнате ключевых игроков, которые могут поделиться своим опытом и взглядами, и коллективно придумывать лучшие идеи, чем любой из нас мог бы самостоятельно, а затем решать, как реализовать эти идеи.Отсюда и необходимость в этом Совете глобального будущего.

Какие ключевые игроки должны быть задействованы?

Конечно, важны действующие операторы — крупные энергетические компании, которые владеют и контролируют инфраструктуру, особенно в промышленно развитых странах. Их часто критикуют как часть проблемы, но они также должны быть частью решения. Кроме того, нам нужны новаторы — предприниматели, которые придумывают идеи, чтобы подорвать сектор.И нам нужен вклад потребителей энергии, в том числе крупных корпораций и муниципалитетов.

Представители финансового сектора важны — эксперты в области облигаций, рисков и страхования. Есть много капитала, который ищет хорошие проекты для финансирования, но основным ограничением для инвесторов является уверенность в том, что эти проекты найдут рынок. Создание уверенности — это одна из важных вещей, которые политики и лица, определяющие политику, могут сделать, чтобы помочь, и именно им, в конечном счете, понадобится видение для определения целей энергетического сектора и разработки политики для их достижения.

Заключительные замечания, сделанные Гамильтоном, аналогичны тем, которые были высказаны Монисом и Маджумдаром при создании структуры для поддержки и продвижения инноваций. Однако в ключевых фигурах Гамильтона явно не было «ученых». Такие люди — исследователи, которые открывают и разрабатывают многообещающие новые материалы и методы преобразования и хранения энергии, на которых будут построены энергетические технологии будущего. Наука, представленная на коллоквиуме Саклера, включала открытия более эффективных материалов для поглощения света, мембраны для разделения сторон окисления и восстановления в реакциях накопления энергии, понимание фотофизики и фотохимии, которые приводят к электрическому току и / или накопленному химическому потенциалу, и методологии и системы обратимого накопления и преобразования энергии в полезную работу.Хотя за последние несколько десятилетий во всех аспектах «энергетической науки» были достигнуты большие успехи, временные рамки, указанные МГЭИК для широкомасштабного внедрения безуглеродной энергии, были значительно сокращены. Многие ключевые проблемы в области декарбонизации энергии остаются, и, учитывая более сжатые временные рамки для достижения этой цели, в ближайшей перспективе необходимо сделать упор на увязку фундаментальной науки с технологиями в масштабе.

Благодарности

Мы благодарим следующие источники и агентства за поддержку исследований в критических областях преобразования солнечной энергии и хранения возобновляемой энергии.Для R.E .: Отделение химических наук, наук о Земле и биологических наук, Управление фундаментальных энергетических наук, грант Министерства энергетики США DE-FG02-09ER16121 и грант Национального научного фонда на совместные исследования CHE-1151789; для H.B.G .: Национальный научный фонд, Центр химических инноваций (NSF CCI Solar Fuels), грант CHE-1305124; и для G.W.C .: Объединенный центр исследований по хранению энергии, центр энергетических инноваций, финансируемый Министерством энергетики США, Управлением науки и фундаментальных энергетических наук.

Сноски

• Авторы: R.