2月14日，美国能源部先进能源研究计划署（ARPA-E）宣布为OPEN 2021计划提供1.75亿美元的项目资助，旨在开发颠覆性技术以加强美国先进的能源企业^[1]。OPEN 2021计划资助了建筑效率、分布式能源等13个研发方向，支持国家实验室、高校和企业协同开展电动汽车、海上风能、储存与核回收等领域具有潜在颠覆性影响的变革性清洁能源技术研发，从而支持拜登总统的气候目标，即增加国内清洁能源技术的产量，加强国家的能源安全，并通过创造高薪工作来提升经济。

1、建筑能效。研究新型基于氮化镓半导体的直接发射绿光的发光二极管，以加速固态照明光源的使用和普及，从而可以减少约25%的与照明相关的能源需求和温室气体排放。

2、分布式能源。设计和建造一个能利用可再生能源的高性能反应装置，它可直接将烟道气中的二氧化碳电催化还原为高价值化学品（如乙醇、丙醇等），实现以绿色高效的方法消除烟道气产生的二氧化碳。

3、提高电子器件和设备效率。开发一种突破性的无线充电系统，用于电动汽车的静态和动态充电；开发基于氮化镓（GaN）的二极管和晶体管的新一代电力电子产品，其性能将大大超过目前的氮化镓电力器件；研究通过增材制造技术制造出具有网络状结构的非晶金属氧化物软磁复合材料；为电力电子模块开发3D打印陶瓷封装；为数据中心开发一种节能的两相冷却系统，以减少冷却能耗并减少用水；开发一种高性能冷却板，以提高数据中心未来服务器的能源效率；开发一种高效、资源节约的热能建筑，它将同时提高服务器冷却能源效率，并提供可直接用于加热和冷却建筑的高质量热能；开发能量高达数十兆电子伏特的氮化硼快中子探测器，用于反应堆高温高辐照的极端环境中直接监测反应堆和燃料状态。

4、发电和产能。开展核能利用的相关技术改进和材料研究，包括利用先进的增材制造技术来开发新型钨基高熵合金，利用简单的熔盐方法在聚变电厂中培养氚的可行性，开展新型的氢硼（硼-11元素）核聚变研究，利用高能非中子粒子开发高效、经济处理高放长寿命裂变产物（LLFP）嬗变技术，研究激光等离子体不稳定饱和机制及其抑制方法，开发关键技术以从先进反应堆用过的核燃料中回收和循环利用有价值的核材料；改进先进燃气轮机燃烧技术，包括研究用于使用氢气和天然气混合燃料的先进燃气轮机的新的无焰燃烧法；开展海上可再生能源利用的相关研究，研究如何使用海上浮式风力涡轮机和海洋流体动力系统能部署在现有系泊和锚定技术无法到达或成本过于昂贵的地区，以降低海上可再生能源的成本；开展地热能利用的相关研究，包括提出“电-水力压裂”（E-HF）技术用以提高增强型地热系统的发电效率，开发下一代长时储热技术以实现地热能多天的长时存储；开发基于光纤诊断平台以优化监测地下动态过程；开展熔盐反应堆和太阳能热发电系统研究，包括开发具有抗蠕变、辐照和耐腐蚀性强的沉淀强化合金，开发耐高温、耐化学腐蚀的基于金刚石的微流控阿尔法谱仪。

5、电网。开发高比例可再生能源并网下的电网高效稳定运营技术，包括开发100千伏的氮化镓光导半导体开关取代传统硅技术制造的半导体开关，创建紧密、一体化的结构以取代当今电网中笨重、不灵活的变电站，为逆变器主导的电力系统开发创新的保护方案；围绕电网开发相关的算法、模型、软件和控制技术，优化电网运行效能，包括开发演示结构化的微电网协调/控制协同设计流程，开发和演示模块化弹性微电网控制集成平台等。

6、针对制造业开发先进的节能技术，提高生产制造过程的能源效率。包括：开发有潜力的氢等离子体-回转窑零碳炼铁工艺来替代传统工业，该工艺无需使用焦炭或天然气，所需消耗能源比目前的工艺更少，并可能使钢铁行业每年减少超过10亿吨碳排放；开发无表面活性剂多相成形生产纤维复合材料产品的技术，减少生产纤维复合材料（如纸、纸巾、纸板、非织造布和新型纤维产品）的能耗和碳排放；开发熔模铸造技术，该技术可能从根本上改变工业燃气轮机高价值金属部件的生产工艺流程，可比现有的铸造方法节省90%的能源，同时将生产周期从一年多缩短到三个月以下；利用电化学将废旧产品和低价值矿物转化为有价值的碳中性材料；创建可扩展的用于氨氧化的高熵合金催化剂制造工艺，以提高催化活性、选择性和稳定性；利用低成本的可再生电力、垃圾废弃物原料生产可循环利用的建筑材料。

7、提高资源利用效率以及碳捕集技术的研发以减少碳排放。开展碳捕集技术研发，包括使用无碳电力驱动直接空气捕集（DAC）或海洋直接捕集（DOC）环境中的二氧化碳，设计、建造并演示一种改造平台以有效封堵泄漏的废弃油气井，开发利用海水矿化二氧化碳的新型电化学过程，开发用于二氧化碳的直接空气捕集的新型固体吸附剂材料，开发碳封存工艺以使二氧化碳矿化成为碳酸盐稳定存储在地质地层中；针对电源系统和新能源研发能源技术，包括开发基于氮化镓的小型脉冲电源系统架构，研发成本更低且能够以超快的方式去除移动和固定电气系统上的冰/雪/霜堆积新技术。

8、储能技术的相关研发。包括：研究将非活跃的油气井转换为名为“重力井”的能源存储设备，以创造新的能源存储解决方案；开发能使用可再生能源的混合电化学/光催化方法直接产生高压氢气技术，其在700 bar的压缩条件下生产氢气的成本有望低于2美元/千克；开发新型筒管式架构的锂电池，该设计将增加电极材料的厚度，从而存储超过目前研究的同等尺寸下储存的能量，以降低每千瓦时能源存储的总成本。

9、交通运输中的能量转换相关技术研究。包括：研发全新的固体氧化物燃料电池（SOFC）架构，该架构可实现更小体积更高功率密度，适用于交通运输应用，解决传统SOFC的缺点，包括质量、体积大、启动时间长、成本高等问题；研发新型的磁性和绝缘材料，即新型复合磁粉材料与陶瓷电泳沉积绝缘材料，来改变电动汽车电机的设计和制造过程；开发新型的无离子聚合物电极，以实现铂合金催化剂的超高氧还原反应活性，获得高功率密度聚合物电解质膜燃料电池。

10、能源生产和脱碳技术研究。开展生产生物能源以及生物固碳研究，包括开发可利用太阳能光谱中以前未充分利用光谱来生产太阳能燃料的新光合系统，开发首个负碳生物精炼厂以将多种有机废物原料转化为挥发性脂肪酸，开发能实现直接从环境空气中捕获二氧化碳并将其转化为丁醇的可扩展技术，研究大型藻类快速高产的培育技术，开发新的生物碳固定途径以实现利用更有效的羧化酶来更好地利用二氧化碳，利用植物或相关细菌对当前和未来的合成氮源进行生物固定，开发由低成本无线传感器阵列组成、用于测量N₂O浓度和排放驱动因素的新技术，利用工业级无人机示范适用于大型农业用地的高分辨率时空远程N₂O监测技术；通过其他的可再生方式产生低碳能源或者降低生产工艺中的碳排放，包括开发使用质子传导氧化膜的低温电解槽，开发变革性的自热式氧化还原脱氢技术，使用增材制造技术为化学反应器打印3D陶瓷组件。

11、交通运输网络。将人工智能与多尺度模拟和实时控制结合起来，创建名为AutonomIA交通管理系统，以减少交通拥堵、提高能源效率，并减少区域交通系统的二氧化碳。

12、交通运输储能技术研究。包括：研发镁负极代替锂负极，用有机材料代替过渡金属正极，这种替代方式可以增强国家能源供应链的安全；开发一种新型电池隔膜，可以有效防止枝晶的形成；开发由纤维素离子导体组成新型电解质，在此基础上设计开发快速充电电池。

13、交通工具的研究。开展高性能的电动交通工具相关研究，包括开发新型磁体以提高磁体的运行能量密度和电机效率，开发高功率密度的电机以促进功率高达10兆瓦及以上的电动飞机推进系统的研发，开发自动、电池驱动的轨道车辆运输系统，为电动飞机开发超轻、高效的直流-直流电源转换器；利用轻量化材料开发设计更加先进的车辆架构，包括开发新的复合材料成形路线以提供一种快速经济的复合材料轻量化车辆架构结构制造过程；开发高效的氢动力涡轮发动机，包括为商用航空设计一种新颖、高效的氢动力涡轮机，以减少二氧化碳以及氮氧化物排放；设计新的化学催化剂，以减少能源的使用和大量化学反应产生的碳足迹。                                       （刘莉娜 郭楷模）