科學(xué)家縱論能源和環(huán)境

在“人類的和諧與發(fā)展”的永久性主題之下，“2007年諾貝爾獲得者北京論壇”的主題為“能源與環(huán)境”。與會世界各國的科學(xué)家們就能源與環(huán)境問題提出了他們的見解與設(shè)想。

本刊記者將他們的發(fā)言整理成篇，以饗讀者。

給地球涂上“防曬霜”

全球變暖現(xiàn)在已是一個(gè)不爭的事實(shí)：在過去的半個(gè)世紀(jì)當(dāng)中，世界上幾乎所有地方的氣溫都有所上升；喜馬拉雅山的冰川每年正以10～15米的速度消融；而北極冰層在過去近30年中消融了約22％。全球變暖到底是好事還是壞事呢?對一個(gè)農(nóng)民來說，如果農(nóng)作物的生長期增加了十幾天，這對他來說應(yīng)該是好事，但是對于居于海平面附近的國家的人來說，則可能使他們面臨滅頂之災(zāi)。

如果人類不加限制地繼續(xù)排放出大量的二氧化碳，溫室氣體會對全球變暖產(chǎn)生什么樣的影響呢?兩位美國科學(xué)家認(rèn)為，在本世紀(jì)全球氣溫將升高3℃——這是一個(gè)全球氣候敏感度中間值。對于平均海平面來說，氣溫上升3℃就會有25±10米的反應(yīng)，也就是說海平面在未來100年會增長25±10米的程度。僅在印度、斯里蘭卡等地，就會影響到1.46億人口，美國也會有4700萬人受到影響。

我們能不能規(guī)避氣候變化帶來的這些風(fēng)險(xiǎn)取決于我們對全球變暖采取什么樣的應(yīng)對策略。當(dāng)然根本的原則是要減少二氧化碳和其他溫室氣體的排放，另外還要設(shè)法“捕捉”大氣中的二氧化碳。除此之外，科學(xué)家還提出了各種各樣的想法。比如，減少地球表面所接收的陽光，這可以通過控制太陽的亮度或者控制地球?qū)τ陉柟獾姆瓷鋪韺?shí)現(xiàn)，科學(xué)家形象地將其比喻成要給地球涂上一層“防曬霜”。聽起來似乎有些異想天開，但并不是不可能完成的任務(wù)，只是現(xiàn)在成本還太高。美國西雅圖的一家公司就在嘗試把氣球放在平流層，讓它們釋放二氧化硫，其顆粒通過反射作用阻擋部分陽光的熱量，而且二氧化硫不會像二氧化碳那樣在大氣層中長期停留。類似的還有，在沙漠上覆蓋反射膜，或用白色塑料制品做成島嶼漂浮在海面上，以反射更多陽光，甚至給地球打一把巨大的遮陽傘……實(shí)際上，早在上世紀(jì)60年代科學(xué)家們就在嘗試了。

總之，我們已經(jīng)擁有了足夠的科學(xué)技術(shù)來減少全球變暖帶來的威脅，關(guān)鍵看我們有沒有意愿和決心去做。全球變暖是一個(gè)全球性的問題，它關(guān)乎我們每一個(gè)人。

捕捉二氧化碳

加拿大由于其地域廣闊，氣候寒冷，因而成為世界上人均能源消耗最多的國家。在釋放的所有的溫室氣體中，有77％是二氧化碳，12％是甲烷，10％是二氧化氮，還有一些其他溫室氣體組分。

目前條件下，完全通過減少需求、節(jié)約能源消耗來實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排是不現(xiàn)實(shí)的，離再生能源的大規(guī)模普及使用也還有一定距離，所以現(xiàn)在可行的方式應(yīng)該是設(shè)法捕捉和封存二氧化碳，防止其釋放到大氣當(dāng)中。

如果進(jìn)行二氧化碳捕捉和封存，70％的成本要花在濃縮=氧化碳上，而一旦能夠?qū)崿F(xiàn)二氧化碳的順利濃縮，其后的步驟則相對容易。因此，如何盡可能地濃縮更高純度的二氧化碳便是個(gè)大問題。

石灰石和白云石是自然界大量存在的鈣基材料。高溫加熱時(shí)，石灰石和白云石會釋放出二氧化碳，如果加熱溫度不夠高時(shí)，所產(chǎn)生的石灰可以被碳化而重新捕獲=氧化碳。因此，鈣基吸附劑可用于在較低溫度條件下捕捉二氧化碳，并在吸附劑再生器中釋放出純度較高的二氧化碳。

這個(gè)概念聽起來簡單，但實(shí)際上，在循環(huán)煅燒和碳化的過程中，吸附劑的鈣使用效率將嚴(yán)重下降。因此，科學(xué)家正在研究鈣基吸附劑分離二氧化碳過程中導(dǎo)致可逆性損失的原因、硫在反應(yīng)過程中的作用、吸附劑選取、吸附劑性能的改進(jìn)及吸附劑壽命等問題。

石灰石等鈣基材料除了可以在較低溫度條件下產(chǎn)生作用，從而節(jié)約能源消耗外，成本低廉是它的優(yōu)點(diǎn)之一。吸附二氧化碳的石灰石可以進(jìn)行填埋封存，或者用于石油的回收或者是進(jìn)行光合作用。

應(yīng)對2050年能源危機(jī)

科學(xué)家預(yù)測，世界石油和天然氣的產(chǎn)量會在2050年達(dá)到一個(gè)頂峰。當(dāng)油氣產(chǎn)量達(dá)到頂峰的時(shí)候，也是它開始下降的時(shí)候。對于能源的需求，特別是對于中國、印度以及其他發(fā)展中國家來說，能源需求還會繼續(xù)上漲。除非我們現(xiàn)在就做好準(zhǔn)備，否則2050年就會不可避免地發(fā)生能源供應(yīng)的危機(jī)。

科學(xué)家提醒人們關(guān)注煤和鈾這兩種東西，它們將在能源的近期、中期過渡過程中發(fā)揮重要作用。

現(xiàn)在全球約有450個(gè)核電站，平均每個(gè)國家有兩個(gè)核電站。如果要想在全球范圍內(nèi)使核能能夠替代油氣資源，現(xiàn)在的這個(gè)數(shù)字是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。也許到了本世紀(jì)中我們需要的是一萬甚至兩萬個(gè)核反應(yīng)堆。但是，這也需要人類有足夠的智慧來處理這樣一種狀況，也就是說核能的和平以及安全應(yīng)用，而不是被恐怖分子或野心家用于制造核武器。發(fā)展核能可以作為未來100年到150年能源發(fā)展的一個(gè)橋梁。如果核能被大量使用，地球上鈾的儲備大概可以持續(xù)200年左右。在此之后，太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕哪茉磳⒆阋阅軌蛱娲四艿奈恢谩?/p>

與對待核能的態(tài)度一樣，人們對于煤炭也抱著懷疑的態(tài)度。的確，煤的燃燒在一定程度上加劇了全球氣候變暖，處理不好還會造成環(huán)境污染。今年內(nèi)，中國很有可能超過美國，成為對全球變暖造成影響最大的一個(gè)國家，當(dāng)然，中國人均能源消費(fèi)還是比美國低得多。因?yàn)橹袊?jīng)濟(jì)的規(guī)模，特別是中國很大程度上依賴于煤炭，才使中國成為影響全球氣候變暖的一個(gè)重要因素。

如何緩解煤炭使用帶來的負(fù)面效應(yīng)呢?前面提到了捕捉和封存二氧化碳。這的確是我們現(xiàn)在能夠采用的最好的方式了，也是今后5-10年內(nèi)一個(gè)非常重要的發(fā)展項(xiàng)目。從燃燒煤炭的火電站捕捉二氧化碳，把它存儲在地球的深處，而不讓其釋放到大氣當(dāng)中。中國、俄國、美國、德國等國如果從地質(zhì)條件上進(jìn)行研究的話，都可以發(fā)現(xiàn)安全存儲地點(diǎn)的。除此之外便是資金的投入了，因?yàn)楝F(xiàn)在的成本還是比較高的。

發(fā)揮太陽的威力

可再生能源一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而太陽能又是其中重中之重。科學(xué)家根據(jù)目前世界太陽能技術(shù)及市場的發(fā)展，提出到2050年可通過太陽能發(fā)電滿足全球1／4的能源需求。

利用太陽能的技術(shù)主要有3種：一是現(xiàn)在應(yīng)用最普遍也是相對最成熟的太陽能水加熱技術(shù)，這種方式提供最多的能量且環(huán)保效益最佳，全世界大約一半的太陽能系統(tǒng)安裝在中國，而且其市場年增長率居世界首位；二是太陽能聚熱發(fā)電(CSP)；三是太陽能光伏發(fā)電(PV)。增長最迅速是最有活力的太陽能利用領(lǐng)域是太陽能電池，隨著技術(shù)的創(chuàng)新和成本的下降，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)可能成為21世紀(jì)最大的產(chǎn)業(yè)之一。

光伏發(fā)電(PV)是利用太陽能電池將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，轉(zhuǎn)換過程中不需要透過電解質(zhì)來傳遞導(dǎo)電離子，而是采用半導(dǎo)體產(chǎn)生PN結(jié)來獲得電位。

現(xiàn)有的太陽能電池是基于多晶硅薄膜，大概每平方米300美元，能量轉(zhuǎn)化的效率約為40％。折合成每瓦的發(fā)電成本還很昂貴。隨著制造規(guī)模的不斷擴(kuò)大，或者找到其他材料，比如塑料來代替硅，光伏產(chǎn)業(yè)的成本將不斷降低。現(xiàn)在的問題是，這些材料的耐用性如何，火面積使用會不會分解產(chǎn)生毒素滲入地層等等，尚纈時(shí)間來檢驗(yàn)。

與PV相比，CSP并不是一個(gè)新技術(shù)。所謂太陽能聚熱發(fā)電，其原理簡單說來就是利用鏡子將太陽光線聚焦在一個(gè)裝有某些氣體或液體的管道或容器上，將氣體或液體加熱，然后帶動(dòng)傳統(tǒng)的汽輪機(jī)發(fā)電。經(jīng)歷的是太陽能一熱能一電能這樣一個(gè)轉(zhuǎn)換過程。

美國、西班牙、澳大利亞甚至是瑞士都充分利用豐富的太陽能建立了類似的發(fā)電站。之所以有意義，是因?yàn)樗某杀据^低，而且非常適用于日照長的沙漠地區(qū)。以現(xiàn)有例子來說，64兆瓦的設(shè)備，占地幾百平方千米，它的成本只有兩億美元，可以產(chǎn)生大量的電力。有科學(xué)家測算，理論上只要將鏡子覆蓋地球上沙漠地帶的0.5％面積就能滿足全球的電力需要，而且能夠同時(shí)給沙漠地區(qū)提供豐富的淡化水，讓沙漠附近城市享受舒服的空調(diào)。

CSP利用大規(guī)模鏡面收集太陽熱能，通過換熱裝置提供蒸汽，結(jié)合傳統(tǒng)汽輪發(fā)電機(jī)的工藝，避免了昂貴的硅晶光電轉(zhuǎn)換工藝，可以大大降低太陽能發(fā)電的成本。而且，這種形式的太陽能利用還有一個(gè)其他形式的太陽能轉(zhuǎn)換所無法比擬的優(yōu)勢，就是可以來調(diào)節(jié)不同時(shí)間段太陽能的使用。有太陽的時(shí)候可以產(chǎn)生電能把它儲存起來，這是比光伏發(fā)電更先進(jìn)的地方，因?yàn)楣夥l(fā)電只能用于有太陽光照的時(shí)候。

責(zé)任編輯 龐 云