第一情报 ---能源与环境

美国支持33项变革性能源技术发展

2013年9月19日,美国能源部能源先进研究计划署(APRA-E)宣布投资6600万美元支持分布于18个州的33项变革性能源技术(Transformational Energy Technologies)发展,以此确保美国未来在先进制造和天然气领域的能源安全
 
美国能源先进研究计划署(APRA-E)指出,33个突破性能源技术项目将在两个发展计划下开展,即轻金属系统的现代电/热化学的进步(METALS)计划,以及交通能源减少甲烷氧化物的排放(REMOTE)计划。
 
其中,METALS计划的资助金额为3200万美元,将开发铝、镁、钛等轻金属具有成本效益的工艺设计及回收创新技术。这主要是基于铝、镁、钛等轻金属是创造更轻的车辆的理想选择,这可以节省燃料和减少二氧化碳排放。如,位于加利福尼亚州帕罗奥多市的帕罗奥多研究中心(PARC)将开发一种新的电化学诊断探头,它可以识别轻金属废料的组成部分,从而有助于高效分拣,降低能源消耗和碳排放,降低通常被丢弃的轻金属废料的回收成本。
 
REMOTE计划的资助金额为3400万美元,将发展变革性的生物技术,从而把天然气转换成液体燃料(Gas-to-Liquids,简称GTL)。目前,天然气转液体燃料技术是相当复杂的,需要大量的资本密集型设施,这就限制了该技术的广泛采用。该计划旨在降低天然气制油技术的成本,同时确保国内天然气的低成本、低碳使用。如,位于马萨诸塞州梅德福的绿光生物科技(Green Light Biosciences)公司,将开发一个无细胞的生物反应器,一步到位地把大量甲烷转换成液体燃料,通过远程控制移动发酵过程使得甲烷成为低成本天然气制油技术的主要来源。
 
具体来看,METALS计划和REMOTE计划包括的33个项目如表1所示。
 
表1  美国能源先进研究计划署“METALS”计划和“REMOTE”计划主要项目一览表
 
 
领导研究机构
资助金额
地理位置
项目名称及项目描述
“METALS”计划技术途径(Approach):主要生产—铝
1
美国铝业(Alcoa,Inc)公司
316.7029万美元
宾夕法尼亚州的美国铝业中心
具备功率调制和余热回收功能的先进铝电解槽。美国铝业公司将开发一个高度先进的电化学系统,以此低成本和高效节能的生产铝。目前,铝的生产过程需要消耗大量的能源,并损失大量热能。美国铝业公司开发的这种先进电化学系统将包括一个消耗极少电力的高循环寿命电极,同时结合熔融玻璃技术来捕获和重用热损失。如果成功的话,美国铝业公司的电化学系统,与常规方法相比,将以低的能源消耗以及碳排放量,生产大量的铝。
2
美国天然气技术研究院(Gas Technology Institute)
80.7426万美元
伊利诺伊州德斯普兰斯市
铝生产的双电解质和电解膜萃取。美国天然气技术研究院将开发一种新的电化学过程,在接近室温的温度下使用丰富的国内矿石生产铝粉。目前,国内的铝冶炼厂使用昂贵的国外采购的矿石生产铝,并在高温下进行操作,这使得生产过程具有显著的热能量损失。美国天然气技术研究院(GTI)独特的电化学过程将比传统的冶炼厂需要更少的能源,并产生更少的二氧化碳排放。
3
Infinium公司
100万美元
马萨诸塞州的内蒂克市
使用纯氧阳极的高效铝生产工艺。Infinium公司将开发一个使用纯氧阳极的电化铝提取工艺。与常规提取方法相比,Infinium公司的阳极技术将消除毒性和腐蚀性的污染,并现住地减少能量损失。如果成功的话,Infinium公司将在小型钢铁厂或大型工厂部署这种低成本和高效节能的铝生产技术。
“METALS”计划技术途径(Approach):主要生产—镁
1
太平洋西北国家实验室(PNNL)
243万美元
华盛顿州里奇兰德市
海水中提取镁的催化有机复分解工艺。美国太平洋西北国家实验室(PNNL)将从海水中提取镁盐,并使用金属有机工艺将其转换成镁。由于海水中含有低浓度的镁,传统的海水提镁是一个困难的、能耗高、昂贵的过程。美国太平洋西北国家实验室的新型金属有机工艺能更有效地从海水中提取镁。
2
科罗拉多大学
360万美元
科罗拉多州的博尔德市
用于生产镁的太阳能/电动混合碳热反应器。美国科罗拉多大学将开发一种新的气化工艺。该工艺采用集中式的太阳能发电来生产镁和合成气(合成油的前段过程)。
3
瓦尔帕莱索大学
230.1379万美元
印第安纳州的瓦尔帕莱索市
从矿石中生产镁的太阳能热电解工艺。瓦尔帕莱索大学将开发一种新型的电化学电池。该电池使用太阳能光热能源和电化学工艺来生产镁。瓦尔帕莱索大学的先进混合动力电池采用集中式太阳能发电供热,最大化地减少镁分离过程的电力需求。与传统的镁生产过程相比,瓦尔帕莱索大学的系统可以减少二氧化碳的排放和电力消耗。
“METALS”计划技术途径(Approach):主要生产—钛
1
凯斯西储大学
67.5573万美元
俄亥俄州的克利夫兰市
使用分段隔膜电解钛。凯斯西储大学将开发一个单流程工艺,使用多膜电化学反应器从钛盐中提取钛。薄的、非极性的膜技术可以防止意外化学反应发生,并使得钛盐转换成钛粉的过程更为简单。传统的钛生产过程是昂贵的,并且消耗大量能源,这就限制了钛(是一种多用途的、耐用的金属)的广泛使用。如果成功的话,与传统生产工艺相比,凯斯西储大学的单流程钛生产工艺仅为其能源成本的1/3。
2
iMetalx集团有限责任公司
268.016万美元
宾夕法尼亚州的匹兹堡市
使用Chinuka工艺电解钛。iMetalx集团将开发一个先进的电化学系统,从丰富的国内铁矿石中生产钛。钛是一种灵活和强大的金属,在先进能源中广泛采用,但是由于其高昂的生产成本而制约了其消费类应用。如果成功的话,与传统工艺相比,iMetalx集团开发的方法将显著降低能源投入和开发成本。
3
SRI国际公司
90.7853万美元
加利福尼亚州的门洛帕克
钛合金的直接低成本生产工艺。SRI国际公司将开发一种先进的热化学反应器,在一个单流程中把钛和其他金属氯化物转换成钛合金。在当前的转换过程中,生产钛合金过程中的氢气和金属氯化物之间的反应将消除一系列昂贵的和高耗能的熔融步骤。如果成功,SRI集团的生产工艺将会降低成本和能源消耗,并减少钛合金生产过程中的二氧化碳排放量。
4
钛金属公司(TIMET)
165.8305万美元
内华达州的亨德森市
先进钛生产的电化学过程。钛金属公司(TIMET)将采用一个多流程系统,通过一系列的热和电化学过程从钛矿石中提取钛。如果成功的话,钛金属公司的能源成本仅为传统工艺的1/3。
5
犹他州立大学
300万美元
犹他州的盐湖城市
钛生产的新型化学途径。犹他州立大学将开发一个新的、简化的热化学制造工艺从国内丰富的矿石中生产钛。犹他州立大学的新热化学工艺将使用氢化镁提取钛,比常规方法需要更少的能源,并可以大大简化提取过程。如果成功的话,与常规钛提取方法相比,犹他州立大学的新工艺将显著减少能源投入和成本。
“METALS”计划技术途径(Approach):主要生产—储能器
1
三角研究所(RTI)
312.14万美元
北卡罗纳州的三角研究园
轻金属生产的高温传输和存储系统。三角研究所(RTI)将为金属制造设施开发一个热存储系统。该系统可以替代化石燃料作为能量的来源。三角研究所(RTI)的技术采用了高温热传输系统从一个集中式的太阳能发电系统到熔炼反应器中来存储和输送热能。如果成功的话,三角研究所(RTI)的技术将使得国内金属制造过程中可再生能源的使用成本大大降低。
“METALS”计划技术途径(Approach):辅助生产—回收
1
BlazeTech公司
27.4026万美元
马萨诸塞州的Woburn市
轻金属合金的高光谱(Hyperspectral)成像识别。BlazeTech公司将开发一种先进的分拣技术。该技术使用专门照射器(Lamp)的反射来区分多个型号的轻金属废料。目前的轻金属分拣技术效率低下,成本高昂,这主要是因为现有技术难以区分不同类型的合金。如果成功,BlazeTech公司的分拣技术将大幅提升通常被丢弃的废金属的回收利用率。这种先进的反射回收工艺将可以减少能源消耗和二氧化碳排放量,以及与轻金属部件制造的相关成本。
2
能源研究公司
(ERCO)
300万美元
新泽西州的Plainfield市
废料中提取铝的一体化短流程工艺。能源研究公司(ERCO)将开发一个新的自动化制造工艺,可以在单一流程中从混合废金属中生产出成品。不像目前的大多数做法,能源研究公司(ERCO)的工艺将能够区分和排序多种型号的铝废料,从而便于回收。目前从废料中提取铝是一个昂贵的、高耗能的生产过程,并显著增加了二氧化碳的排放量。如果成功的话,能源研究公司(ERCO)的新制造工艺将使得分拣和回收废旧铝的效率和成本效益大幅提升。
3
帕罗奥多研究中心(PARC)
99.2129万美元
加利福尼亚州的帕罗奥多市
能快速分拣废金属的电化学探头。美国帕罗奥多研究中心(PARC)将开发一种新的电化学诊断探头,从而能有效分拣轻金属废料的组成成分。目前传统的轻金属分选技术是昂贵的,并且效率低下,因为该技术无法区分不同类型的金属。如果成功的话,帕罗奥多研究中心(PARC)的电化学诊断探头将使得那些通常被丢弃的废金属能得以回收利用。
4
Phinix有限责任公司
60.8863万美元
肯塔基州的列克星敦市
从废料中提取高品质镁的电化学电池(Electrochemical Cell)技术。Phinix有限责任公司将开发一种新的电化学电池技术,从而可以从铝镁合金废料中提取高品质镁。这项技术可以显著地降低成本和能源消耗,并减少镁生产中的二氧化碳排放,扩大其在交通运输行业中的应用。通过铝镁合金废料的回收和再利用,Phinix有限责任公司的技术可以减少对昂贵的初级金属(如镁)的使用,同时发展了一种可持续发展和低成本的先进制造工艺。
5
UHV(超高真空)技术公司
41.6189万美元
德克萨斯州的沃斯堡市
低成本的X射线荧光废旧金属分拣机。UHV技术公司将开发一种创新的X射线荧光分拣技术。该技术可以区分多种类型的废金属。目前的轻金属分拣技术不能区分不同类型的合金。如果成功的话,UHV技术公司的分选技术将通过分析从废金属中发出的电磁波谱进行排序从而能够辨别各类不同合金,从而使得通常被丢弃的轻金属废料得以回收和再利用。
6
犹他州立大学
100万美元
犹他州的盐湖城市
轻金属和合金的电磁分拣技术。犹他州立大学将开发一种新的电磁轻金属分拣技术。该技术可以区分多个档次的各类废金属。如果成功的话,犹他州立大学的分拣技术将确定废金属中的各类合金,这可以显著降低制造过程中对新金属的需求。
“REMOTE”计划技术途径(Approach):高效率的生物甲烷活化(Methane Activation)
1
Arzeda公司
100万美元
华盛顿州的西雅图市
甲烷活化的新金属酶(Metalloenzymes)。Arzeda公司将利用计算机算法创造新合成酶来激活甲烷,这是从天然气中生产液体燃料的第一步。这些全新的酶可以改变甲烷被激活的方式,这就比目前的化学和生物方法更有效率。如果成功的话,Arzeda公司的技术可以在燃料生产中具有成本效益地激活甲烷,这也可以被应用到其他各种燃料和化学品合成工艺中去。
2
劳伦斯伯克利国家实验室
350万美元
加利福尼亚州的伯克利市
甲烷直接(Direct)转化的酶工程。劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)将重新设计一种酶来直接“甲基化”,或者绑定甲烷,构成一个共同的燃料前体,以生产液体燃料。甲基化是一种新技术,该技术并需要氧气或者能量的输入,但从来没有被应用于有效的甲烷转化。如果成功的话,劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)的新工艺将使得天然气生产液体燃料成本更低,并更加高效节能。
3
MOgene绿色化工有限责任公司
144.9327万美元
密苏里州的圣路易斯市
甲烷转化为丁醇的阳光辅助工艺。MOgene绿色化工有限责任公司将开发一种利用光合作用促进生物甲烷转化的新技术。太阳能可再生能源的使用降低了设备成本和温室气体排放。如果成功的话,MOgene绿色化工有限责任公司将开发一种低二氧化碳排放技术,通过光合作用的辅助,使得从天然气中生产液体燃料成本更低,效率更高。
4
西北大学
81.8132万美元
伊利诺伊州的埃文斯顿市
甲烷活化的多铜氧化酶技术。西北大学将开发一个全新的生物催化剂,以使得甲烷活化更加高效,这是把甲烷转化为液体燃料的第一步。西北大学将调整和重新改编某一类铜基天然酶的化学性质,使得其在没有能量输入的前提下激活甲烷。西北大学的新技术可以可以提供一个低成本的解决方案,这是甲烷转化的第一步,同时这也一直是一个长期存在的技术挑战。
5
宾夕法尼亚州立大学
300万美元
宾夕法尼亚州的大学园
甲烷转化为液体燃料的醋酸途径。宾夕法尼亚州立大学将开发一种新的生物催化剂。该催化剂将使用甲烷作为共反应物,以此生成液体燃料的化学前体。不像其他的转换方法,这种方法将探索醋酸中生产甲烷的自然发生的一系列反应,从而从如果成功的话,宾夕法尼亚州立大学的新技术将使得天然气转化为液体燃料变得更具性价比,也更加高效节能。
6
密歇根大学
300万美元
密歇根州的安娜堡市
甲烷制甲醇的厌氧生物转化工艺。密歇根大学将开发一种新的激活甲烷的生物方法。目前甲烷活化的方法需要额外的能量和氧气,但密歇根大学的甲烷活化途径却不需要额外的能源和氧气输入。如果成功的话,密歇根大学的厌氧生物催化剂将使得天然气转化为液体燃料的方式更具有成本效益。
“REMOTE”计划技术途径(Approach):液体燃料的高效率的生物合成
1
Coskata公司
94.1726万美元
伊利诺伊州的沃伦威尔市
甲烷转化为丁醇的激活技术。Coskata公司将开发一种在厌氧微生物中甲醇发酵技术。这是一种低成本的生物液体燃料生产方法。Coskata公司的技术如果成功,将能使微生物高能效、低二氧化碳排放的快速转化为甲醇燃料。此外,Coskata公司的新技术还可以与甲烷发酵转化为甲醇的其他技术相结合。
2
麻省理工学院
300万美元
马萨诸塞州的剑桥市
甲烷活化与转化为液体燃料的单步工艺。麻省理工学院将开发一种全面的工艺,咋一个单一流程中,直接将甲烷转化成可用的运输燃料。麻省理工学院的独特技术将集成甲烷活化和燃料合成这两个通常是分开进行的不同过程。如果成功的话,麻省理工学院的新工艺将使得偏远地区能具有成本效益地获取天然气。
3
加州大学戴维斯分校
150万美元
加利福尼亚州的戴维斯市
乙烯生物合成转换为丁醇技术。加州大学戴维斯分校(UCD)将设计一种把乙烯转换成液体燃料的新细菌生物催化途径。目前,乙烯是现成的,并被化工和塑料等行业广泛应用,但是乙烯却不能经济性地转化为液体燃料。如果成功的话,加州大学戴维斯分校的新的生物催化剂将使得乙烯转换为液体燃料更加具有成本效益。
4
加州大学洛杉矶分校
300万美元
加利福尼亚州的洛杉矶市
甲醇转换成液体燃料的高效冷凝循环技术。加州大学洛杉矶分校(UCLA)将开发一种独特的、非天然的高效合成燃料技术。与其他技术不同的是,这种新技术使用的代谢成分可以有效避免二氧化碳的产生(脱羧)反应。如果成功的话,加州大学洛杉矶分校的新技术将使得甲醇转换成为丁醇更加高效,并无二氧化碳排放。
5
特拉华大学
300万美元
特拉华州的纽瓦克市
甲醇成为液体燃料的工程生物转化技术。特拉华大学将使用新的代谢途径,设计一种新的合成甲醇利用(Methylotrophic)有机体,使甲醇更高效地转化为丁醇。与目前的生物转化技术不同,特拉华大学的新技术在甲醇转化为丁醇过程中,没有二氧化碳的排放并且具有更高的转化效率。
“REMOTE”计划技术途径(Approach):生物甲烷转化强化工艺
1
Calysta能源公司
79.7646万美元
加利福尼亚州的门洛帕克
快速沼气发酵的新型生物反应器设计。Calysta能源公司将开发一种新的生物反应器,使得甲烷高效地生物转化为液体燃料。与当前技术不同,Calysta能源公司的新型生物反应器将使得甲烷快速地转化为运输燃料。如果成功的话,Calysta能源公司将使得天然气在偏远地区具有更低的转换成本,同时减少生产液体燃料的能源投入。
2
绿光生物科技(Green Light Biosciences)公司
450万美元
马萨诸塞州的梅德福市
远程天然气气源的无细胞生物转化技术。绿光生物科技(Green Light Biosciences)公司,将开发一个无细胞的生物反应器,一步到位地把大量甲烷转换成液体燃料,通过远程控制移动发酵过程使得甲烷成为低成本天然气制油技术的主要来源。
3
LanzaTech公司
400万美元
伊利诺伊州的Roselle市
提高甲烷传输到微生物速率的生物反应器的设计。LanzaTech公司将设计一种气体发酵系统,将显著提高甲烷气体被输送到生物催化剂的速率。与其他气体转化为液体技术相比,目前的气体发酵过程并不具有成本效益特征,因为它们用于大规模生产时,传输速度太慢。如果成功的话,LanzaTech公司的系统将以一个较高的速度处理大量的甲烷,从而减少与甲烷转化有关的能源投入和成本。
4
俄勒冈州立大学
63.0867万美元
俄勒冈州的Corvalis市
增强传质传热的生物叶片板生物反应器。俄勒冈州立大学(OSU)将开发一个全新的生物反应器设计,使甲烷转化为液体燃料更加低成本。俄勒冈立大学的超薄、叠板系统将提高甲烷转移到生物催化剂的整体速度。如果成功的话,这种新的设计可以替代目前美国国内最先进的甲烷生物反应器。
 
注:上面项目已经列入计划支持,但最终的资助金额可能会有所不同。
资料来源:APRA-E“Modern Electro/Thermochemical Advances In Light-Metal Systems(METALS)”,and“Reducing Emissions Using Methanotrophic Organisms For Transportation Energy(REMOTE)”.
 
 
参考资料:
Modern Electro/Thermochemical Advances In Light-Metal SystemsMETALS)”,and Reducing Emissions Using Methanotrophic Organisms For Transportation EnergyREMOTE)”,Advanced Research Projects Agency-EnergyARPA-E),September,19,2013.

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