Fracking Hammers Clean Energy Research


ARTIFICIAL LEAF: Sun Catalytix håpet å snu sin sollys og splitt-vann-system til en billig kraftkilde for boliger med hjelp fra ARPA-E. En enkelt flaske skittent vann forvandlet til strømkilden til et hjem, slik var løftet om en teknologipakke som ble kjent som det "kunstige bladet". Og slik ble visjonen introdusert av oppfinneren Daniel Nocera ved innledende toppmøte av Advanced Research Projects Agency-Energy i 2010. Det

ARTIFICIAL LEAF: Sun Catalytix håpet å snu sin sollys og splitt-vann-system til en billig kraftkilde for boliger med hjelp fra ARPA-E.

En enkelt flaske skittent vann forvandlet til strømkilden til et hjem, slik var løftet om en teknologipakke som ble kjent som det "kunstige bladet". Og slik ble visjonen introdusert av oppfinneren Daniel Nocera ved innledende toppmøte av Advanced Research Projects Agency-Energy i 2010.
Det kunstige bladet lovet å lagre 30 kilowatt-timer elektrisitet etter bare fire timer med å splitte vann inn i oksygen og hydrogen, eller nok til å drive en gjennomsnittlig amerikansk "McMansion" for en dag. Det var akkurat den typen høyrisiko, høy belønningsteknologi som ble spurt av president Obama da han lanserte byrået i 2009 (en ide som ble overført fra George W. Bush-epoken). Slike teknologier kan bidra til landets energi, miljø og økonomisk sikkerhet ved å skape nye næringer og arbeidsplasser, samt ved å redusere forurensningen knyttet til energiproduksjon og bruk i dag. Mer kortfattet, "ARPA-E gjør ting som er plausible i ting som er mulig, " proklamerte fungerende direktør Cheryl Martin på 2014-toppmøtet.
Av 37 prosjekter som mottok den første ARPA-E-finansieringen, var Sun Catalytix, et selskap grunnlagt av Nocera, plakaten barn - eller heller en video som er favoritt i et US Department of Energy (DoE) -klipp som snakker opp potensialet for transformasjonsendring. "Nesten all solenergi er lagret i vanndeling, " introduserte Nocera, et kjemisk institutt for kjemisk institutt i Massachusetts, ved det innledende ARPA-E-toppmøtet. "Skift skjer."
Det kunstige bladet viste seg å være mulig, men uansett. Det vil ikke splitte vann ved å bruke sollys på masseskala når som helst snart, dets hydrogendrømmer blåser bort med en bølge av billig naturgass som også lett kan omdannes til det letteste elementet. Så Sun Catalytix har satt det kunstige bladet til side og skiftet fokus for å flyte batterier, oppladbare brenselceller som bruker flytende kjemi til å lagre elektrisitet. Et bedre strømningsbatteri kan ikke skifte det grunnleggende brennstoffet i den amerikanske drømmen, men det kan hjelpe verktøyene takle vagariene til vind og solenergi - og er mer sannsynlig å bli et salgbart produkt i nær fremtid.
For fem år har ARPA-E sine prioriteringer også skiftet av samme grunn. Den billige naturgassen som befries fra skifer ved horisontal boring og hydraulisk brudd (eller fracking) har bidratt til å drepe blødende programmer som Elektrobrensel, et bud om å bruke mikrober for å slå billig elektrisitet til flytende brensel og innlevere programmer som REMOTE, et bud å bruke mikrober til å slå billig naturgass til flytende brensel. Selv på det første toppmøtet i 2010, så fullt av alternativt energiløfte, ble denne flotte revolusjonen åpenbar. Konsulentfirmaet Black & Veatch forutslo at brennende naturgass ville gi nesten halvparten av all amerikansk elektrisitet innen 2034, en prognose oppfylt noen tiår tidlig i 2012. "Vi har mye billig gass, " sa ARPA-E Programdirektør Dane Boysen på 2014-toppmøtet. "Spørsmålet er: Hva skal vi gjøre med det?"
Boysens Metan Opportunities for Vehicular Energy, eller MOVE-programmet fokuserer på å bygge en bedre tank for den gassen. Og ARPA-Es fokus ser ut til å ha skiftet fra innovasjoner som kan oppveie det eksisterende energisystemet. En hydrogenøkonomi eller brensel stikker ut av elektrisitet til de som kan ende opp med eksisterende teknologier - biler som kjører på naturgass eller bedre batterier. Er det mulig å overføre energi til et annet fossilt brensel, skal formelen transformasjon ARPA-E fremskynde? Og hvis det ikke er, betyr det at ARPA-E svikter?
Målet for suksess
ARPA-E peker på oppfølgingsfinansiering fra andre enheter (enten bedrifts-, regjerings- eller risikovillig kapital) som et tidlig mål for suksess. Hittil har byrået investert mer enn 900 millioner dollar i 362 forskjellige forskningsprosjekter. Av disse prosjektene har 22 fått en ekstra $ 625 millioner fra kapitalister av en eller annen type; Det er en gruppe som inkluderer Sun Catalytix. ARPA-E-finansiering har også gitt 24 prosjekter til å danne spin-off-selskaper, mens 16 prosjekter har funnet en ny finansieringskilde fra andre myndigheter, inkludert DoE, som driver ARPA-E og Forsvarsdepartementet.
De største suksessene er Makani Power, som lager suppe til vindkraft, og ble kjøpt av Google etter at ARPA-E hadde investert $ 6 millioner på å utvikle teknologien. Det er også Ambri, som lager flytende metallbatterier for billig energilagring i massiv skala og utvikler nå enheter som er i stand til å lagre 20 kilowatt-timer for testing senere i år. Og det er 1366 Technologies, som ble den første (og bare på den tiden i 2009) ARPA-E-stipendiat i fotovoltaik med en ny produksjonsmetode som spilder mindre silisium. Selskapet vil begynne byggingen i år på sin første fabrikk.
De direkte feilene har for det meste vært mindre fremtredende: Alger avl for biodrivstoff og ulike CO2-fangstteknologier, sammen med innsats for å knytte sammen hydrokarboner fra sol, karbondioksid og vann. Men noen har vist seg mer iøynefallende. ARPA-E feted en gjennombrudd batterimaskin kalt Envia i 2012. Men i 2014, mens minst en av entreprenørene støttet selskapet fortsatt blandet i toppmøtet haller på Gaylord National Resort & Convention Center i Maryland, ble Envia mired i søksmål og mislyktes med å levere de energidrevne batteriene det lovet General Motors. «Jeg kaller dem ikke feil, jeg kaller dem muligheter til å lære, » hevdet ARPA-Es første regissør, Arun Majumdar, i et intervju i 2012 med feilprosjekter generelt. "Hvis 100 prosent av prosjektene jobbet, jobber vi ikke."
ARPA-E jobber definitivt med jobben da: Biodrivstoff har ikke helt gitt på sitt løfte, selv engineering tobakk planter for olje, mens elektrobrensel var en "gal ide", å bruke en betegnelse ansatt av William Caesar, president for resirkuleringsvirksomhet ved avfallshåndtering, på toppmøtet i 2014 for å beskrive noen av konseptene hans firma har vurdert for investering. Og ARPA-Es budsjett har alltid vært for lite til å takle innovasjon på enkelte områder. "Mitt virkelige håp var å ha nok av et budsjett til å prøve noe annet enn det vi gjør på atomfeltet i dag, " for eksempel en prototype for en ny type reaktor, sa Majumdar i et intervju med 2013.
"Hvis du løser for klimaendringer, og du er en seriøs person, starter strategien din med atomkraft, " sa David Crane, konsernsjef for NRG, på årets toppmøte. Men ARPA-Es budsjett har alltid vært for lite til å omfatte for eksempel de hundrevis av millioner dollar som Crane mistet i løpet av sin tid i et mislykket bud på å bygge nye standard kjernereaktorer i Texas.
En analyse av de største programmene etter år og finansiering viser at elektrobrenselene utgjorde den største investeringen (på over 41 millioner dollar) i regnskapsåret 2010 etterfulgt av bedre maskinvare og programvare for det amerikanske nettverket for å bidra til å integrere vedvarende energikilder i 2011. Men i regnskapsåret 2012 Den største tranchen av finansiering til et enkelt program gikk til Boysens MOVE-prosjekter (omtrent $ 30 millioner) og i regnskapsåret 2013, like bak de 36 millioner dollarene som ble investert i bedre batterier for elektriske biler, var REMOTE-programmet for prosjekter som ga $ 34 millioner. "Det kan ha et lite miljømessig fotavtrykk, " hevder Ramon Gonzalez, programleder for reduksjon av utslipp ved bruk av metanotrofiske organismer for transportenergi (REMOTE). "Vi kan utvikle noe som er en bro til fornybar energi eller til og med fornybar i fremtiden."
Naturgass synes neppe å trenge ARPA-Es hjelp til å bli allestedsnærværende. Og selv om naturgass kan bidra med klimaendringer på kort sikt, kull som gir mer forurensning når det blir brent for å generere elektrisitet, er det også et fossilt brensel og en drivhusgass selv. Brennende metan for elektrisitet vil også en dag kreve fangst og lagring av det resulterende karbondioksidet for å bekjempe klimaendringer. ARPA-E har ikke lykkes med å levere et teknologisk gjennombrudd som vil tillate det å skje billig eller effektivt, til tross for å investere mer enn 30 millioner dollar i sine innovative materialer og prosesser for avansert karbonfangstteknologi (IMPACCT) i 2010. "ARPA-E behov for å gjenoppta karbonfangst og -lagring, "sa Michael Matuszewski fra Nasjonalt energiteknologilaboratorium ved årets toppmøte.
Langt spill
Vesentlige endringer i energikilder - si fra tre til kull eller nåværende skifte fra kull til gass - ta minst 50 år, dømme etter posten til dags dato. "Vi ser på klimarisikringsreduserende dagsorden, vi har ikke 50 til 60 år, " sa amerikanske energiminister Ernest Moniz på toppmøtet 2014. "Vi må kutte [den tiden] i halvparten", og det vil kreve gjennombruddsteknologi som er billigere, renere og raskere å skalere.
Det er også akkurat i tider med overreliance på en energikilde at finansiering til alternativer ikke bare er nødvendig, men nødvendig. ARPA-E bør fortsette å fokusere på transformerende energiteknologier som kan være rene og billige, selv om det politiske presset hælder det fortsatt unge og potensielt sårbare byrået for å lete etter en bedre bensintank. Tross alt, hvis ARPA-E og andre lykkes med å finne måter å bruke stadig mer naturgass, leverer ny skifer til å vare i et århundre i dag, forbrukstakten kan bli oppbrukt mye før. "Før denne såkalte" shale gale "kom over oss, hadde groupthink de fleste av oss med fokus på energibrist, " advarte Alaska Sen. Lisa Murkowski (R) på toppmøtet i 2013. "Konsensusen er nå en av rikelig energi. Ikke fall inn i fellesskapet på nytt."
Feil er en nødvendig del av forskningen på grunnlag av plausibilitet. Som ARPA-Es Martin sa på årets toppmøde: "Det er en del av prosessen." Mange av ideene agenturet først finansierte var ideer som hadde satt ubrukt på en hylle siden oljekrisen på 1970-tallet. Og ideene som går tilbake på hyllen nå, som det kunstige bladet, gir de grunnleggende konseptene-designer, metallbaserte molekyler-for nye applikasjoner som strømningsbatterier.
Det kunstige bladet, for en, kan være til nytte av ARPA-E eller andre undersøkelser for å redusere kostnadene for fotovoltaiske celler som gir strømmen til at bladets designmolekyler kan gjøre vannavspaltningsarbeidet. Allerede, billigere fotovoltaics kan være ushering i en energi overgang av seg selv, beskjære opp på tak over hele landet fra California til New Jersey.
Når slike fornybare energikilder blir en betydelig kilde til elektrisitet, vil det bli behov for mer lagring for når solen ikke skinner eller vinden ikke blåser - og at lagringen må være billig og rikelig. I Tyskland, hvor vinden og solen nå gir omtrent en fjerdedel av all den nasjonens elektrisitet, er den langsiktige planen å konvertere overskytende til gass som deretter kan brennes i underskuddstidens såkalte kraft til gass, hvilket er en fledgling teknologi i beste fall. Og hvorfor kunne ikke rent hydrogen være den gassen, som Nocera har foreslått?
Så den kunstige bladet bider sin tid, mens forskningen fortsetter ved Joint Center for Artificial Photosynthesis etablert med DoE penger i California. Feil er en investering i fremtidig suksess. "Utfordringen er ikke at teknologien ikke virker, men økonomien virker ikke, " observerte Waste Management's Caesar på 2014 ARPA-E Summit. "Jeg liker ikke å snakke om døde ender. Det er ting som deres tid bare ikke har kommet ennå."

"Jesu evangeliums ektemann" vist å være ekte i testSecretive Bezos-Funded Group avslører Spacecraft Plan DetaljerGiant Antarctic Ice Shelf Crack truer med å bli et massivt isbergHurtigvoksende hav som er satt for å frigjøre varme inn i atmosfærenNye EPA-bensinregler hjelper presidentens klimagruppeVellykket malariavaksine viser også effektive hos spedbarnForskere lager ny solcelle4 nye innovasjoner for å energisere verden