【編者按】美國能源部（DOE）日前發布《四年度技術評估》報告，詳細評估了能源系統六大核心領域（電網、發電、建筑、制造業、燃料、交通）的技術發展現狀，提出了每個領域以及領域間12項交叉技術的未來研究、開發、示范和部署（RDD＆D）機遇，以推動實現安全、經濟、環境友好的能源系統這一國家能源戰略目標。本報摘取部分內容以供業內參考。

美國正處在能源革命進程中，而先進技術是革命的主要推動力。隨著技術的快速發展，許多技術主題已不僅限制在特定的能源領域，而應通過新的研究計劃或促進現有各類研究活動的溝通以集成化方式進行，一個領域的技術進步同時會使其他領域受益。

電網現代化

電網正在從中央控制、可預測、單相配電流動的系統向多點分布、混沌、動態、配電雙向流動的系統轉變。各種發電、電力轉化、數字通信和控制技術的發展正深刻影響著電力系統的核心特征。

電網相關技術需要隨著供電和用電技術的變化而發展。同樣，與電網技術相關的RDD＆D機遇（例如可再生能源供電、高效電機控制和智能負載）應該考慮與電網的交互。如果電力能夠替代石油和天然氣在交通和供熱中的應用，電網將會在未來能源系統中發揮更核心的作用。這一快速發展領域的RDD＆D機遇包括：規劃模型、運營工具、輸電設備、配電硬件、控制系統、電能儲存和網絡安全。

系統集成合理應用

能源系統間的互聯日益增多，與其他系統如水資源和原材料供應等聯結也在增加。系統集成的合理應用需要理解、控制和優化多個部門、多個時間尺度（從以秒計的運行到以年計的規劃）、多個空間尺度（設備、建筑、園區、城市、地區、國家）及多種功能（數據、分析、控制、市場等）。集成還需要充分理解成本，也包括部署和運行的財務影響。

各技術的集成如燃料電池、儲能、屋頂太陽能和微電網等都會受到系統集成策略的影響。這一領域的RDD＆D機遇將使系統設計者和運營商通過合理的系統設計和斷開連接策略，優化互聯、消除風險。

嚴格網絡安全

廣泛應用的數字技術能夠顯著改善新能源系統，但也增加了網絡干擾的風險。能源行業正在積極探索促進網絡安全的機遇，包括發電和石油與天然氣生產、用來自動控制建筑能源使用的監督控制和數據獲取系統、信息技術使能制造業及車輛互聯與自動化。

嚴格應用網絡安全最佳實踐和工具來度量能源系統安全性和彈性以及運用面對網絡威脅能夠適應和自調整的網絡和系統，將有助于確保整個能源系統供應鏈各部件的完整性。

能源和水資源機遇

水資源使用和石油與天然氣生產、生物質生長與處理、熱電廠冷卻、眾多制造過程以及人類直接使用緊密相關。另一方面，水資源的獲取、運輸、凈化、保持以及最終返還大自然需要消耗大量能源。

下列RDD＆D機遇可以提高這些過程的效率，或者尋找低廉的少用水/不用水的替代方案，包括新型納米結構薄膜以及新型化學和生物處理技術以及廣泛的機遇促進數據庫、模型和分析技術的發展，以更好地解決水質量、可利用性和災害問題。另外，氣候科學和整體評估的進步能夠幫助理解這些未知因素。

地下環境非常關鍵

石油和天然氣生產、地熱能源、碳捕集與封存以及核廢料處理依賴于有效控制和管理地下環境。基礎科學研究和技術進步能夠促進這些應用中對地下環境的表征和控制。在各種空間和時間尺度上定量預測和控制地下斷層、流體流動、復雜物理化學和巖石對控制的響應非常關鍵。由于大部分地下環境無法直接觀測，需要依靠傳感技術、建模仿真的進步來改善這種狀況。這需要在高壓、高溫和強腐蝕性環境中，通過有效地持續監控儲層完整性在低風險條件下完成。

材料應滿足性能需求

材料特性代表了能源技術的性能限制。下一代能源技術的新材料會更復雜，包含更多成分和新型納米結構。材料機遇需要調動實驗和計算工具。設計材料以滿足特殊的性能需求需要結合理論、建模、仿真以及原位和過程表征的研究。利用生物信息學設計的新材料結構需要新型納米合成工藝和運行條件下的表征以驗證計算模型。將新材料應用于能源技術需要推動規模化制造工藝、實時過程表征、過程控制以及性能驗證能力的發展。這些能力有潛力極大地促進新技術的發展，并降低其成本。

燃料—發動機協同優化

發動機性能會受到可用燃料特性的限制。通過利用生物基燃料或其他合成燃料，能夠優化終端燃料—發動機系統，以提高效率和減少環境影響。協同優化燃料—發動機系統有潛力提高系統效率，并減少交通行業溫室氣體排放。利用低碳、零碳或負碳原料制造的燃料會進一步減少排放。開展燃料和交通行業多學科的基礎科學研究和技術開發有望實現這些目標。

高效經濟的儲能

高效經濟的儲能對交通領域以及電網都非常重要。電動汽車需要更高重量和體積能量密度的儲能技術來與傳統車輛技術相競爭。對于電網來說，低成本儲能對于可再生能源的高比例應用是非常重要的，結合快速作用技術可以提供電壓支持、頻率調節和其他電網服務。高效、耐用和安全儲能技術的RDD＆D機遇，能夠實現運輸、電力和建筑業的革命性變化。