2025年回顧：電力行業的未來

來源：市場資訊

（來源：電能革新）

隨著技術基于科學知識的發展，研究對于改進能源領域的工具和工藝變得至關重要。2025年，大學、國家實驗室和智庫共同推動了知識和應用的擴展，這些應用有望改善電動汽車和電池、數據中心運營、電網管理以及可再生能源和核能。

電動汽車

電動汽車似乎已經成熟，但仍存在一些問題，包括電池安全、充電和續航。一些研究利用深度學習預測鋰離子電池熱失控風險：人工智能警告電動車熱失控的迫在眉睫。來自University of Arizona的研究人員通過多物理場與機器學習集成預測鋰離子電池熱失控，其研究融合了多物理模型與機器學習技術，共包含兩個主要模塊：

- 多物理建模：利用COMSOL Multiphysics軟件構建鋰離子電池的三維多物理模型，結合P2D（pseudo two-dimensional model）電化學模型，模擬單元模塊在不同充放電和駕駛循環條件下的熱-電化學行為。

- 機器學習建模：開發了結合圖神經網絡（Graph Neural Network, GNN）與長短時記憶網絡（Long Short-Term Memory, LSTM）的預測框架，基于電池表面熱電偶傳感器的數據，模擬電池溫度的時空分布并預測潛在的熱失控。

圖1. 用于早期預警的LSTM-TCN模型

研究人員還關注了穩定和延長電池壽命的方法：研究發現電動汽車電池能提升30%能量的方法 - 富鋰陰極比現代鋰鎳錳鈷氧化物（NMC）陰極多儲存約30%的能量。

圖2. 電池電壓衰落機制

充電一直是科學家們關注的問題。密歇根大學團隊研究人員聚焦于寒冷天氣下的充電和續航里程：寒冷天氣電動車電池設計充電速度提升500%。這項創新結合了兩項關鍵進展：重新設計的內部電池結構和保護性納米涂層。團隊開發了一種厚度僅20納米的超薄涂層，由硼酸鹽鋰碳酸酯制成，起到保護殼的作用。這層玻璃層防止了這種不需要的屏障形成，使離子即使在遠低于冰點時也能自由移動。與三維通道結合使用，結果非常顯著。測試電池在14°F時充電速度是標準電池的五倍，同時在100次冷快充后仍保留97%的容量。

圖3. 鋰離子在充放電時的活動。

影響電動汽車續航里程的因素有很多，但電池是主要影響因素：這項電池技術能幫助電動汽車每次充電行駛3000英里嗎？韓國浦項技術和西江大學的研究人員開發了一種鋰離子電池設計，解決了下一代電池系統中最頑固的局限之一：硅的膨脹問題。韓國研究團隊開發了一種原位互鎖電極-電解質（IEE）系統，旨在克服這些挑戰。通過在電極上的丙烯酸功能結合劑與QSSE中的交聯劑之間形成共價鍵，IEE系統形成了一個化學糾纏界面，即使在極端體積變化下也能保持完整。基于IEE的雙層袋裝電池展示了403.7 Wh/kg的重力能量密度和1300 Wh/L的體積密度，分別比商用鋰離子電池高出60%以上和近100%。這些數據表明，配備此類電池的電動汽車理論上一次充電續航可達3000英里。

圖4. 電動車電池。圖片由Adobe Stock提供

數據中心

過去一年，AI數據中心的功耗、電力架構和效率是研究人員和開發者的首要關注點。美國節能經濟委員會分析了數據中心趨勢和電網負荷，并提出了數據中心將電力回饋電網的方法：將數據中心能源消耗轉化為電網資產的三步方法。

• 分享關于人工智能中心設計和運營的知識

• 提升能源效率并與本地電網基礎設施整合

• 制定需求側政策以優化能源使用

圖5. 預計未來十年，AI數據中心的能源需求將大幅上升。圖片由ACEEE提供

ZincFive的研究可能為科學家們提供潛在研究方向的指導。他們分析了數據中心開發者和運營商的主要需求和愿望：數據中心專業人員對高效運營有什么期望？ZincFive的新報告揭示了數據中心在應對功率密度、備用電源、可擴展性和可持續性挑戰方面的趨勢。96%的受訪者預見到定制數據中心電力架構的推動，表明現成設計已無法跟上AI的需求。在評估儲能解決方案時，數據中心表示他們最關心的是生命周期成本（包括資本和運營費用），其次是電池安全性、可持續性和監管批準。長壽命、可靠性、可持續性和成本降低是目前的四大優先事項。模塊化是另一個關鍵趨勢，集裝箱和滑架安裝系統提供了靈活性和可擴展性。近70%的受訪者已在使用模塊化電力解決方案，22%計劃推廣至所有站點。

電網管理

人工智能、數字系統及其他技術正在改變電力運營和管理，重新定義我們對“智能”電網的定義。NREL利用人工智能增強了可再生能源整合時電網的韌性：自主能源系統顛覆電網管理。智能電網技術可以平滑波動并簡化電網管理，但同時應對多重DER仍是一項持續的任務。國家可再生能源實驗室（NREL）建議擁抱去中心化并使用自主能源系統（AES）可能是解決方案。自主能源系統利用算法調整電網以應對波動，優化能量流動并提高可靠性。自主能源解決方案（AES）方法顛覆了電網管理，將電網視為一組產生和/或使用能源的單元。然后，這些單元被聚合成更大的單元格，形成完整的網格圖像。人工智能和機器學習能在幾秒鐘內處理和分析數據，提供近乎即時的信息并自動調整變化。AES可以優化互作性，并檢測和防止故障和故障。

圖6. AES管理電網單元。圖片由NREL提供

電網的可靠性依賴于維護必要的基礎設施。橡樹嶺國家實驗室的研究評估了無人機監控：無人機如何讓智能電網更智能？為應對停電問題，智能電網正在開發中，以提供更好的網絡連接，并在停電期間更有效地利用分布式能源，確保電力仍能在電網內流動。橡樹嶺國家實驗室（ORNL）提出，無人機可以有效地與智能電網結合使用，以提升電網效率和安全性。ORNL正在測試能夠提升智能電網安全性、效率和成本效益的無人機。ORNL國家實驗室使用配備先進感測能力的無人機，如熱感傳感器、紫外線（UV）攝像頭和高分辨率攝像頭。這些無人機能夠快速且準確地掃描電力線路，檢測輸電網絡中過熱、腐蝕或損壞的區域。

ORNL的無人機使用自主智能測量傳感器，能夠響應異常電網行為，尤其是在偏遠地區。這些無人機還利用紫外線攝像頭檢測任何可能導致設備損壞和無線電干擾的電暈放電。具備先進傳感能力的無人機有助于提升智能電網的數據收集和分析能力。與傳統電網不同，智能電網可以將無人機實時傳輸的監控數據傳輸到控制中心，操作員可根據無人機檢測到的任何潛在問題做出即時決策。許多智能電網網絡也在考慮整合人工智能和機器學習能力，因此這些實時數據還可以用于優化維護計劃，并預先預測潛在的電網故障。

圖7. 電網可視化。圖片由ORNL提供

可再生能源

太陽能、風能、地熱、氫能和水電在2025年經歷了起伏，但研究仍在推動。

一項研究是眾多探討鈣鈦在光伏技術中有效性的研究之一：研究推動鈣鈦礦和太陽能達到新高度。薩里大學研究人員與美國國家物理實驗室和謝菲爾德大學最近開發了一種方法，通過將氧化鋁（Al?O?）納米顆粒嵌入鈣鈦層，從而延長鈣鈦胞元的壽命。該技術促進了更均勻的晶體結構，減少缺陷，并提高了電導率。在極端高溫和濕度條件下，改裝電池保持了超過1530小時的高性能，幾乎是未改裝電池僅160小時壽命的10倍。這些可量化的耐久性提升是在模擬現實條件下實現的。

圖8. AL2O3被添加到鈣鈦太陽能電池中。圖片由Perera等人提供

制造氫氣是一個熱烈的話題，但這項研究提出天然氫氣可能已經綽綽有余：地下氫氣可以供電17萬年。盡管綠氫可獲得，但其成本至少是生產灰氫和藍氫的兩倍。盡管隨著產量提升和技術效率提升，綠色氫氣的生產成本預計將下降，但支持行業脫碳努力仍需更具規模化的解決方案。據英國研究團隊介紹，天然存在的氫氣是通過化學和放射性過程在地殼中產生的。過去十億年積累的天然氫氣，可能滿足當前全球石油消耗量17萬年的水平。天然氫氣儲備的提取預計將實現低碳足跡。雖然具體成本取決于天然氣純度、流量和氣田規模等因素，但可行的天然氫氣儲備可能為全球能源轉型提供低碳、具有商業競爭力的氫氣來源。

圖9. 天然氫儲地的全球分布。黑色圓圈表示每種已知有顯著氫聚集地塊的土地類型。圖片由Ballentine等人提供。

然而，天然氫并非可再生資源，其再生過程需要數十年到數百年。其目的是彌補綠色氫氣價格過高的供應缺口，而非長期解決方案。

核能

雖然核能可能不可再生，但它是一種低排放能源，并且正處于大量研發領域。電力需求正在迅速增長，尤其是隨著人工智能、數據中心和電動汽車的普及。盡管風能和太陽能等可再生能源近年來主導了新能源，核能卻再次獲得動力。

根據國際能源署報告，全球約有440座核電反應堆在運行，總裝機容量約為400吉瓦時。這些反應堆生產的電力占全球電力的不到10%。它們分布在40個國家，美國擁有最多的反應堆，有94座，法國第二，有56座，中國第三，有58座，俄羅斯第四，有29座。

《世界核工業現狀報告》顯示，截至2025年1月1日，13個國家共有61座核電站在建。中國在全球擴張中領先，目前有25至29座反應堆正在建設中。其他擁有重要核建設項目的國家還包括俄羅斯，其在國內建設六座反應堆，在其他國家建設25座。印度還有多座反應堆在建，韓國至少在建設兩座，土耳其有四座。

中國擁有57座在運行的反應堆和30座在建，使其成為全球核能發展的領導者。該國計劃每年增加6至8座反應堆，年容量增加5000至8000兆瓦。它還計劃到2030年向“一帶一路”伙伴國出售30座核反應堆。中國開發了華龍一號，這是一種擁有完全專有知識產權的第三代核反應堆設計。

中國為其核電計劃設定了雄心勃勃的目標。短期內，計劃于2025年底達到65吉瓦的核能運轉容量，并批準并啟動更多沿海核電項目的建設。中國中期目標（2030-2035年）包括到2035年將核電在能源結構中的占比提高到10%，高于2021年的約5%。這將意味著到2035年，核電容量有望達到145 GW。從長遠來看（2050-2060年），中國希望到2060年實現核能總發電量占總發電量18%，并于2060年前用包括核能在內的清潔能源解決方案取代全部2990座燃煤電廠。

中國核計劃的另一個目標是開發小型模塊化反應堆（SMR）。小型模塊化反應堆（SMR）代表了核能發電的另一種方式。它們相比傳統大型核電站有若干優勢。這些緊湊型工廠制造的反應堆旨在提供靈活、可擴展且潛在更具成本效益的核能解決方案。中國在小型模塊化設施方面取得了顯著進展。其靈龍一號（ACP100）SMR是中國首座陸上商用模塊化加壓水反應堆。施工于2021年開始，預計2025年完工。該電站每年可發電約10億千瓦時。它是全球首個獲得國際原子能機構批準的小型模塊化反應堆（SMR）。

美國也在積極推進小型模塊化反應堆（SMR），美國能源部（DOE）已向美國開放高達9億美元的申請，以支持小型模塊化反應堆的國內部署。能源部此前通過SMR許可技術支持計劃，在五年內撥款4.52億美元支持美國輕水反應堆設計。NuScale Power正在開發一套77兆瓦的壓水反應堆設計，該設計已獲得美國核監管委員會認證，田納西河流域管理局正領導能源部8億美元的投標，以加快SMR部署，目標于2033年啟動商業運營。其他參與SMR開發的美國公司還包括西屋電氣、合泰克和BWXT先進技術。

圖10. 藝術家對慣性聚變能源電廠目標艙的概念。圖片由勞倫斯利弗莫爾國家實驗室/埃里克·史密斯提供

與商業裂變反應堆通過分解鈾燃料產生能量不同，聚變反應堆將氫同位素結合生成氦原子，并在過程中釋放能量。目前沒有商業化聚變反應堆。事實上，最早的原型機預計至少要到2035年才會問世。

實際的核聚變需要解決廣泛的技術難題，才能確定是否能建造聚變反應堆。這并沒有阻礙科研資金的獲得。美國政府在2023年為聚變項目撥款約7.6億美元，另有4.15億美元授權用于公私合營項目，直至2027年。 中國的核聚變預算估計每年約為15億美元，2023年對中國核融合公司的股權投資超過了所有其他國家的總和。 英國政府承諾為國家科研項目投入6.5億英鎊，包括STEP聚變電站項目。歐盟繼續投資于法國南部的ITER項目，該項目涉及30多個國家。 私營公司扮演著越來越重要的角色，目前有45家公司在13個國家致力于核聚變商業化。

如今，聚變能源研究已成為一項數十億美元的企業，主要由中國、美國和歐洲的努力主導。“熱”聚變方法——如ITER和JET等大型反應堆——利用極端壓力和溫度將氫同位素核強制排列。這些項目面臨巨大的工程、成本和規模障礙，但其原理被充分理解并基于物理學。

除此之外，一些研究人員仍在研究冷聚變，將其重新定義為“低能核反應”或“凝聚態核科學”。這些研究是在凝聚態物質（如固體和液體）中發生的核反應和過程，而非傳統核物理中典型的高能等離子體環境。

冷聚變的吸引力在于其巨大的潛力：一種清潔、豐富的能源來源的可能性。近期的實驗，如不列顛哥倫比亞大學的實驗，強調可重復技術和系統研究，明確避免了夸大的能源突破宣稱。相反，這類工作旨在揭示新的物質狀態和材料科學的改進，這些改進可能帶來更廣泛的益處——即使冷聚變永遠不會成為可擴展的能源解決方案。

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