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一瓶髒水轉化為一個家庭的電力來源——這就是一項被稱為“人工葉”的技術方案所承諾的。這也是其發明者丹尼爾·諾塞拉在2010年能源高階研究計劃署的首屆峰會上提出的願景。
人工葉承諾在短短四個小時內將水分解為氧氣和氫氣後，儲存30千瓦時的電力，足以為一個普通美國家庭的“豪宅”供電一天。這正是奧巴馬總統在2009年啟動該機構時所宣揚的“高風險、高回報”技術（這一想法延續自喬治·W·布什時代）。這些技術可以透過創造新的產業和就業機會，以及減少當今能源生產和使用相關的汙染，來幫助國家實現能源、環境和經濟安全。更簡潔地說，正如代理主任謝麗爾·馬丁在2014年峰會上宣稱的那樣，“ARPA-E將貌似合理的轉化為可能的事情。”
在最初獲得ARPA-E資助的37個專案中，由諾塞拉創立的公司Sun Catalytix是宣傳的典型——或者更確切地說是美國能源部 (DoE) 的影片中宣傳變革潛力的寵兒。“幾乎所有的太陽能都儲存在水分解中，”麻省理工學院化學家諾塞拉在首屆ARPA-E峰會上說道，“轉變正在發生。”
然而，事實證明，人工葉是可能的，但卻不切實際。它不會在短期內大規模地利用陽光分解水，其氫能夢想被廉價天然氣的狂風吹散，天然氣也很容易轉化為最輕的元素。因此，Sun Catalytix已將人工葉擱置一旁，轉而專注於液流電池，這是一種利用液體化學物質儲存電力的可充電燃料電池。更好的液流電池可能不會改變美國夢的根本燃料，但它可以幫助公用事業公司應對風能和太陽能的變幻莫測，並且更有可能在不久的將來成為可銷售的產品。
五年過去了，由於同樣的原因，ARPA-E的優先事項也發生了變化。透過水平鑽井和水力壓裂（或壓裂）從頁岩中釋放出來的廉價天然氣，已經扼殺了像電燃料這樣的前沿專案，該專案旨在利用微生物將廉價電力轉化為液體燃料，並催生了像REMOTE這樣的專案，該專案旨在利用微生物將廉價天然氣轉化為液體燃料。即使在2010年充滿替代能源希望的首屆峰會上，這場天然氣革命也開始顯現。諮詢公司Black & Veatch預測，到2034年，燃燒天然氣將提供美國近一半的電力，這一預測在2012年提前了幾十年實現。“我們有很多廉價天然氣，”ARPA-E專案主管戴恩·博伊森在2014年峰會上說，“問題是：我們應該如何利用它？”
博伊森的“甲烷用於車輛能源”（Methane Opportunities for Vehicular Energy）或MOVE專案側重於為該天然氣建造更好的儲罐。而且，ARPA-E的重點似乎已從可能顛覆現有能源系統的創新（氫經濟或電力編織的燃料）轉移到可能最終用於現有技術（使用天然氣或更好的電池的汽車）的創新。支援另一種化石燃料在能源領域佔據主導地位是否是ARPA-E應該加速的那種轉型？如果不是，這是否意味著ARPA-E正在失敗？
成功的衡量標準
ARPA-E將來自其他實體（無論是企業、政府還是風險資本）的後續資金作為其成功的早期衡量標準。到目前為止，該機構已在362個不同的研究專案中投資了超過9億美元。在這些專案中，有22個專案從各種資本家那裡獲得了額外的6.25億美元；其中包括Sun Catalytix。ARPA-E的資金還允許24個專案成立衍生公司，而16個專案則從包括運營ARPA-E的能源部和國防部在內的其他政府機構獲得了新的資金來源。
最大的成功案例包括Makani Power，該公司製造用於風力發電的改良風箏，在ARPA-E投資600萬美元開發該技術後被谷歌收購。還有Ambri，該公司製造大規模廉價儲能的液態金屬電池，目前正在開發能夠儲存20千瓦時的裝置，以便在今年晚些時候進行測試。還有1366 Technologies，該公司憑藉一種新的減少矽浪費的製造方法，成為第一個（也是當時2009年唯一的）光伏ARPA-E受資助者。該公司將於今年開始建設其第一家工廠。
徹底的失敗大多不太引人注目：用於生物燃料的藻類繁殖和各種二氧化碳捕獲技術，以及從陽光、二氧化碳和水中編織碳氫化合物的努力。但有些專案更為突出。ARPA-E在2012年為一家名為Envia的有希望的電池製造商舉行了慶祝活動。但在2014年，儘管至少有一位支援該公司的企業家仍在馬里蘭州蓋洛德國家度假會議中心的峰會大廳裡走動，但Envia深陷訴訟，未能交付其承諾給通用汽車的高能量密度電池。“我不稱它們為失敗，我稱它們為學習的機會，”ARPA-E的首任主任阿倫·馬朱姆達爾在2012年接受大眾科學採訪時就一般失敗的專案辯稱。“如果這些專案100%都成功了，那我們就沒有做好本職工作。”
那麼，ARPA-E絕對是在履行其職責：生物燃料並沒有完全實現其承諾，即使是為石油工程化的菸草植物，而電燃料是一個“瘋狂的想法”，用廢物管理公司回收業務總裁威廉·凱撒在2014年峰會上使用的一個詞來描述他公司為投資評估的一些概念。而且，ARPA-E的預算一直太小，無法解決某些領域的創新問題。“我真正的希望是擁有足夠的預算來嘗試一些與我們今天在核領域所做的事情不同的事情，”例如新型反應堆的原型，馬朱姆達爾在2013年接受大眾科學採訪時說道。
“如果你正在解決氣候變化問題，並且你是一個認真的人，那麼你的戰略從核能開始，”電力公司NRG的執行長大衛·克萊恩在今年的峰會上說。但ARPA-E的預算一直太小，無法涵蓋例如克萊恩在其任期內為在得克薩斯州建造新的標準核反應堆的失敗嘗試中損失的數億美元。
對按年份和資金劃分的最大專案進行的分析表明，電燃料在2010財年吸引了最大的投資（超過4100萬美元），其次是美國電網的更好的硬體和軟體，以幫助在2011年整合可再生能源。但在2012財年，對單個專案的最大一筆資金流向了博伊森的MOVE專案（大約3000萬美元），而在2013財年，僅次於對電動汽車的更好的電池投資的3600萬美元的是REMOTE專案，該專案獲得了3400萬美元的投資。“它可能對環境的影響很小，”減少甲烷營養生物用於運輸能源排放（REMOTE）專案主管拉蒙·岡薩雷斯認為，“我們可以開發出一種可再生能源的橋樑，甚至在未來本身就是可再生的。”
天然氣似乎根本不需要ARPA-E的幫助就能變得無處不在。儘管天然氣在短期內可以幫助應對氣候變化——取代燃燒時排放更多汙染的煤炭來發電——但從長遠來看，它也是一種化石燃料，而且本身也是一種溫室氣體。為了應對氣候變化，燃燒甲烷發電也有一天需要捕獲和儲存由此產生的二氧化碳。儘管ARPA-E早在2010年就在其先進碳捕獲技術創新材料和工藝（IMPACCT）專案上投資了超過3000萬美元，但它並未成功交付一種能夠以低成本或高效的方式實現這一目標的技術突破。“ARPA-E需要重新審視碳捕獲和儲存，”國家能源技術實驗室的邁克爾·馬圖舍夫斯基在今年的峰會上說。
長期博弈 根據迄今為止的記錄，能源來源的重大變化——例如從木材到煤炭或目前從煤炭到天然氣的轉變——至少需要50年時間。“從應對氣候風險的角度來看，我們沒有50到60年的時間，”美國能源部長歐內斯特·莫尼茲在2014年峰會上說，“我們必須將[那個時間]縮短一半”，這將需要更便宜、更清潔、更快地實現規模化的突破性技術。
正是在過度依賴單一能源的時候，對替代能源的投資不僅是必要的，而且是必須的。ARPA-E（美國能源高階研究計劃署）應該繼續專注於具有變革性的清潔且廉價的能源技術，即使政治壓力傾向於讓這個仍然年輕且可能脆弱的機構去尋找更好的天然氣來源。畢竟，如果ARPA-E和其他機構成功找到利用更多天然氣的方法，那麼目前宣稱可以滿足當前消耗水平一個世紀的新頁岩氣供應可能會更快耗盡。“在所謂的‘頁岩氣熱潮’來臨之前，我們大多數人的集體思維都集中在能源短缺上，”阿拉斯加州參議員麗莎·穆爾科夫斯基（共和黨）在2013年峰會上警告說。“現在的共識是能源豐富。不要再次陷入集體思維的陷阱。”
在探索可行性邊界的研究中，失敗是必要的一部分。正如ARPA-E的馬丁在今年的峰會上所說：“這是過程的一部分。” 該機構最初資助的許多想法都是自20世紀70年代石油危機以來一直被擱置的。而現在又被擱置的想法，比如人工樹葉，為新的應用提供了基本概念——定製的、金屬基分子，例如液流電池。
例如，人工樹葉可以從ARPA-E或其他機構的降低光伏電池成本的研究中獲益，這些光伏電池提供電力，使樹葉的定製分子能夠進行水分解工作。 已經，更便宜的光伏電池可能正在開啟它們自己的能源轉型，從加利福尼亞到新澤西，在全國各地的屋頂上湧現。
當這種可再生能源成為重要的電力來源時，將需要更多的儲能來應對太陽不照耀或風不吹的時候——而且這種儲能需要便宜且充足。在德國，風能和太陽能現在提供了該國大約四分之一的電力，長期計劃是將任何多餘的電力轉化為可以在短缺時燃燒的氣體——即所謂的“電力制氣”，這充其量只是一項新興技術。正如諾塞拉所建議的那樣，為什麼清潔氫氣不能成為那種氣體呢？
因此，人工樹葉在等待時機，而使用美國能源部資金在加利福尼亞州建立的人工光合作用聯合中心的研究仍在繼續。失敗是對未來成功的投資。“挑戰不在於技術行不通，而在於經濟上行不通，”廢物管理公司的凱撒在2014年ARPA-E峰會上指出。“我不喜歡談論死衚衕。有些事情只是時機未到。”