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一瓶脏水转化为一个家庭的电力来源——这就是一项被称为“人工叶”的技术方案所承诺的。这也是其发明者丹尼尔·诺塞拉在2010年能源高级研究计划署的首届峰会上提出的愿景。
人工叶承诺在短短四个小时内将水分解为氧气和氢气后，储存30千瓦时的电力，足以为一个普通美国家庭的“豪宅”供电一天。这正是奥巴马总统在2009年启动该机构时所宣扬的“高风险、高回报”技术（这一想法延续自乔治·W·布什时代）。这些技术可以通过创造新的产业和就业机会，以及减少当今能源生产和使用相关的污染，来帮助国家实现能源、环境和经济安全。更简洁地说，正如代理主任谢丽尔·马丁在2014年峰会上宣称的那样，“ARPA-E将貌似合理的转化为可能的事情。”
在最初获得ARPA-E资助的37个项目中，由诺塞拉创立的公司Sun Catalytix是宣传的典型——或者更确切地说是美国能源部 (DoE) 的视频中宣传变革潜力的宠儿。“几乎所有的太阳能都储存在水分解中，”麻省理工学院化学家诺塞拉在首届ARPA-E峰会上说道，“转变正在发生。”
然而，事实证明，人工叶是可能的，但却不切实际。它不会在短期内大规模地利用阳光分解水，其氢能梦想被廉价天然气的狂风吹散，天然气也很容易转化为最轻的元素。因此，Sun Catalytix已将人工叶搁置一旁，转而专注于液流电池，这是一种利用液体化学物质储存电力的可充电燃料电池。更好的液流电池可能不会改变美国梦的根本燃料，但它可以帮助公用事业公司应对风能和太阳能的变幻莫测，并且更有可能在不久的将来成为可销售的产品。
五年过去了，由于同样的原因，ARPA-E的优先事项也发生了变化。通过水平钻井和水力压裂（或压裂）从页岩中释放出来的廉价天然气，已经扼杀了像电燃料这样的前沿项目，该项目旨在利用微生物将廉价电力转化为液体燃料，并催生了像REMOTE这样的项目，该项目旨在利用微生物将廉价天然气转化为液体燃料。即使在2010年充满替代能源希望的首届峰会上，这场天然气革命也开始显现。咨询公司Black & Veatch预测，到2034年，燃烧天然气将提供美国近一半的电力，这一预测在2012年提前了几十年实现。“我们有很多廉价天然气，”ARPA-E项目主管戴恩·博伊森在2014年峰会上说，“问题是：我们应该如何利用它？”
博伊森的“甲烷用于车辆能源”（Methane Opportunities for Vehicular Energy）或MOVE项目侧重于为该天然气建造更好的储罐。而且，ARPA-E的重点似乎已从可能颠覆现有能源系统的创新（氢经济或电力编织的燃料）转移到可能最终用于现有技术（使用天然气或更好的电池的汽车）的创新。支持另一种化石燃料在能源领域占据主导地位是否是ARPA-E应该加速的那种转型？如果不是，这是否意味着ARPA-E正在失败？
成功的衡量标准
ARPA-E将来自其他实体（无论是企业、政府还是风险资本）的后续资金作为其成功的早期衡量标准。到目前为止，该机构已在362个不同的研究项目中投资了超过9亿美元。在这些项目中，有22个项目从各种资本家那里获得了额外的6.25亿美元；其中包括Sun Catalytix。ARPA-E的资金还允许24个项目成立衍生公司，而16个项目则从包括运营ARPA-E的能源部和国防部在内的其他政府机构获得了新的资金来源。
最大的成功案例包括Makani Power，该公司制造用于风力发电的改良风筝，在ARPA-E投资600万美元开发该技术后被谷歌收购。还有Ambri，该公司制造大规模廉价储能的液态金属电池，目前正在开发能够储存20千瓦时的设备，以便在今年晚些时候进行测试。还有1366 Technologies，该公司凭借一种新的减少硅浪费的制造方法，成为第一个（也是当时2009年唯一的）光伏ARPA-E受资助者。该公司将于今年开始建设其第一家工厂。
彻底的失败大多不太引人注目：用于生物燃料的藻类繁殖和各种二氧化碳捕获技术，以及从阳光、二氧化碳和水中编织碳氢化合物的努力。但有些项目更为突出。ARPA-E在2012年为一家名为Envia的有希望的电池制造商举行了庆祝活动。但在2014年，尽管至少有一位支持该公司的企业家仍在马里兰州盖洛德国家度假会议中心的峰会大厅里走动，但Envia深陷诉讼，未能交付其承诺给通用汽车的高能量密度电池。“我不称它们为失败，我称它们为学习的机会，”ARPA-E的首任主任阿伦·马朱姆达尔在2012年接受大众科学采访时就一般失败的项目辩称。“如果这些项目100%都成功了，那我们就没有做好本职工作。”
那么，ARPA-E绝对是在履行其职责：生物燃料并没有完全实现其承诺，即使是为石油工程化的烟草植物，而电燃料是一个“疯狂的想法”，用废物管理公司回收业务总裁威廉·凯撒在2014年峰会上使用的一个词来描述他公司为投资评估的一些概念。而且，ARPA-E的预算一直太小，无法解决某些领域的创新问题。“我真正的希望是拥有足够的预算来尝试一些与我们今天在核领域所做的事情不同的事情，”例如新型反应堆的原型，马朱姆达尔在2013年接受大众科学采访时说道。
“如果你正在解决气候变化问题，并且你是一个认真的人，那么你的战略从核能开始，”电力公司NRG的首席执行官大卫·克莱恩在今年的峰会上说。但ARPA-E的预算一直太小，无法涵盖例如克莱恩在其任期内为在得克萨斯州建造新的标准核反应堆的失败尝试中损失的数亿美元。
对按年份和资金划分的最大项目进行的分析表明，电燃料在2010财年吸引了最大的投资（超过4100万美元），其次是美国电网的更好的硬件和软件，以帮助在2011年整合可再生能源。但在2012财年，对单个项目的最大一笔资金流向了博伊森的MOVE项目（大约3000万美元），而在2013财年，仅次于对电动汽车的更好的电池投资的3600万美元的是REMOTE项目，该项目获得了3400万美元的投资。“它可能对环境的影响很小，”减少甲烷营养生物用于运输能源排放（REMOTE）项目主管拉蒙·冈萨雷斯认为，“我们可以开发出一种可再生能源的桥梁，甚至在未来本身就是可再生的。”
天然气似乎根本不需要ARPA-E的帮助就能变得无处不在。尽管天然气在短期内可以帮助应对气候变化——取代燃烧时排放更多污染的煤炭来发电——但从长远来看，它也是一种化石燃料，而且本身也是一种温室气体。为了应对气候变化，燃烧甲烷发电也有一天需要捕获和储存由此产生的二氧化碳。尽管ARPA-E早在2010年就在其先进碳捕获技术创新材料和工艺（IMPACCT）项目上投资了超过3000万美元，但它并未成功交付一种能够以低成本或高效的方式实现这一目标的技术突破。“ARPA-E需要重新审视碳捕获和储存，”国家能源技术实验室的迈克尔·马图舍夫斯基在今年的峰会上说。
长期博弈 根据迄今为止的记录，能源来源的重大变化——例如从木材到煤炭或目前从煤炭到天然气的转变——至少需要50年时间。“从应对气候风险的角度来看，我们没有50到60年的时间，”美国能源部长欧内斯特·莫尼兹在2014年峰会上说，“我们必须将[那个时间]缩短一半”，这将需要更便宜、更清洁、更快地实现规模化的突破性技术。
正是在过度依赖单一能源的时候，对替代能源的投资不仅是必要的，而且是必须的。ARPA-E（美国能源高级研究计划署）应该继续专注于具有变革性的清洁且廉价的能源技术，即使政治压力倾向于让这个仍然年轻且可能脆弱的机构去寻找更好的天然气来源。毕竟，如果ARPA-E和其他机构成功找到利用更多天然气的方法，那么目前宣称可以满足当前消耗水平一个世纪的新页岩气供应可能会更快耗尽。“在所谓的‘页岩气热潮’来临之前，我们大多数人的集体思维都集中在能源短缺上，”阿拉斯加州参议员丽莎·穆尔科夫斯基（共和党）在2013年峰会上警告说。“现在的共识是能源丰富。不要再次陷入集体思维的陷阱。”
在探索可行性边界的研究中，失败是必要的一部分。正如ARPA-E的马丁在今年的峰会上所说：“这是过程的一部分。” 该机构最初资助的许多想法都是自20世纪70年代石油危机以来一直被搁置的。而现在又被搁置的想法，比如人工树叶，为新的应用提供了基本概念——定制的、金属基分子，例如液流电池。
例如，人工树叶可以从ARPA-E或其他机构的降低光伏电池成本的研究中获益，这些光伏电池提供电力，使树叶的定制分子能够进行水分解工作。 已经，更便宜的光伏电池可能正在开启它们自己的能源转型，从加利福尼亚到新泽西，在全国各地的屋顶上涌现。
当这种可再生能源成为重要的电力来源时，将需要更多的储能来应对太阳不照耀或风不吹的时候——而且这种储能需要便宜且充足。在德国，风能和太阳能现在提供了该国大约四分之一的电力，长期计划是将任何多余的电力转化为可以在短缺时燃烧的气体——即所谓的“电力制气”，这充其量只是一项新兴技术。正如诺塞拉所建议的那样，为什么清洁氢气不能成为那种气体呢？
因此，人工树叶在等待时机，而使用美国能源部资金在加利福尼亚州建立的人工光合作用联合中心的研究仍在继续。失败是对未来成功的投资。“挑战不在于技术行不通，而在于经济上行不通，”废物管理公司的凯撒在2014年ARPA-E峰会上指出。“我不喜欢谈论死胡同。有些事情只是时机未到。”