如何讓我們的家園變成可持續(xù)星球

文／朱棣文

8月10-12日，世界科技創(chuàng)新論壇在北京會議中心舉辦，1997年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、斯坦福大學(xué)物理學(xué)教授、美國第12任能源部部長朱棣文教授發(fā)表題為“氣候變化和未來創(chuàng)新之路”的演講。

提及氣候變化，朱棣文教授表示，自1975年以來，溫度上升了一度左右，溫度升高導(dǎo)致了冰川融化、海平面上升等。通過衛(wèi)星，他們精確測量了南極冰川的溫度變化，發(fā)現(xiàn)冰川溫度在不斷升高。未來地球溫度再上升一度的話，海平面將上升6到9米左右，全球10%的人口將被迫離開他們的家園。如果我們不控制二氧化碳的排放的話，溫度將再次升高。

以下是演講全文：

我今天不想講科學(xué)研究的理論，我的科學(xué)研究現(xiàn)在做得不錯，我們現(xiàn)在有一些新的發(fā)現(xiàn)，我們也合成了一些新的物質(zhì)。同時進行了細胞中的神經(jīng)傳輸，那么第一次的幾厘米內(nèi)，可以在這樣一個神經(jīng)元上進行傳輸。這里面會有兩個、四個和六個，這樣一個動力，使用的就是一種新的平衡的動力學(xué)來實現(xiàn)的。

那么正是這樣一種研究，就可以讓我們通過一種和傳統(tǒng)不同的方式來分析數(shù)據(jù)，來展示出二、四、六，動力的不同的分支。這就是我最近做的一個研究，非常令人激動。

今天我想講另外一個話題，這個話題讓我感到激動，也讓我感到很郁悶。首先我跟大家講一下氣候變化方面我們的發(fā)展，以及在科學(xué)技術(shù)和工程方面，我們究竟可以做哪些事情來改變我們的世界。（詳見PPT）首先來看一下氣候變化的風(fēng)險，這是1850年-2017年的全球溫度變化，從這上面可以看到自從1975年以來，全球大部分的新聞升高是在1975年以后，基本上上漲了0.95攝氏度，接近1攝氏度了。那么盡管科學(xué)表明在70年代、80年代以前，很多氣溫的升高也有一些展示，但往往是一種噪音。但是在1975年之后這個氣溫的升高比較明確，到現(xiàn)在已經(jīng)升高了1攝氏度左右了。

你可能會說溫度升高就會使得冰川融化、海平面上升，確實如此。那你可以在其他的地方，比如說阿拉斯加的冰川照片，一個是1941年、一個是2001年，這兩個冰川的圖片完全不一樣。但是對于氣候變化最準確的測量方法就是使用衛(wèi)星，隨著冰川的變化，尤其是格林藍島和南極冰川的融化，可以用衛(wèi)星進行識別，這是我們最新的數(shù)據(jù)。這就是2002年-2009年的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，藍色是說明南極和北極的冰川的融化，在我們做這樣一個測算之前，我們當時有一種感覺，就是南極的冰川會增加，因為溫度升高就意味著水更多的會被蒸發(fā)，更多的蒸發(fā)就意味著會有更多的雨雪，而且南極很冷，按道理說冰川應(yīng)該是在增加的。但是我們現(xiàn)在通過我們的衛(wèi)星測算卻發(fā)現(xiàn)，南極的冰川卻在減少。

那么我們回到人類上一個溫暖的時代，比今天大概到1攝氏度。當時海平面上升了多少呢？如果是溫度升高1攝氏度，我們現(xiàn)在海平面升高多少？通過地質(zhì)的數(shù)據(jù)顯示，如果溫度再升高1度的話，海平面會上漲6米到9米。這樣的增長，我們過去可能認為需要幾百年才會發(fā)生，但是在最近的幾百年以內(nèi)，有可能由于溫度的上升會使得海平面上升6-9米。如果海平面上升6-9米的話，差不多全球人口的10%將要被迫遷移，這是聯(lián)合國的目標。

我們可以有哪些期望呢？這是美孚的出版物，展望未來2040年，上面一條就是一切不改變，當然現(xiàn)在我們已經(jīng)有所改進了。而下面這些是一直持續(xù)到2100年，也就是我們的碳排放不斷減少帶來的結(jié)果。看這個縱軸，上面有個零，美孚、殼牌和其他所有的油氣公司，他們就決定為了實現(xiàn)聯(lián)合國的目標，全球總的碳排放量，包括物流、交通、處理，等等，必須在2070年、2080年變成負值，才能滿足聯(lián)合國兩攝氏度的目標。

那我們現(xiàn)在的進展如何呢？有一個相對比較樂觀的預(yù)測，就是紅線，和上面的這條線不太一樣。但是毫無疑問，這和聯(lián)合國目標所實現(xiàn)的碳開放還是有很大的差距。我們把所有累計的排放加在一起，到2100年，這就是聯(lián)合國排放的目標。你可能會說，有50%的可能性，全球的溫度上證1.7-1.8攝氏度，有2/3的可能性溫度維持在兩攝氏度以內(nèi)。還有50%的可能性，全球的溫度提升超過2攝氏度以上。這是聯(lián)合國設(shè)計的紅線，這邊講的是累計的排放，為什么累計排放這么重要呢？而不是年度排放。因為一旦大氣中有二氧化碳的話，其中一半很快會被土地和海洋吸收，所以有一半的排放已經(jīng)被處理和吸收掉了。另外一半在地面和海洋會不斷地循環(huán)，這樣的循環(huán)需要幾千年、幾萬年。也就是說我們今天碳排放會在未來幾千年、幾萬年帶來影響。從全球來看，我們看到有更多的熱浪、更多的缺水、更多的干旱，美國的加州在去年就有17次森林大火，而且在加州冬天的時間也越來越短，在過去30年始終看到這樣一個現(xiàn)象。所以這些事實就變得越來越明確，而且在世界上不同的地區(qū)都逐漸的展示出來，包括歐洲也有越來越多的熱浪。我們的感覺就是，這些極端的氣候現(xiàn)象在未來將繼續(xù)，并且將變得更為頻繁。

下面講講好消息，那就是科學(xué)和創(chuàng)新。如何讓我們的世界變成可持續(xù)的星球呢？

我想將的一個關(guān)鍵點就是在世界上那些可再生能源發(fā)展最好的地方，在沒有補貼的情況下，比如說我供電給你，給你定一個電價，當然這個電價對于這個供電公司是有著利潤的。那在世界上可持續(xù)能源發(fā)展最好的地方，現(xiàn)在的成本已經(jīng)降到了2分-2.5分/度，在中東的有些地方的太陽能的成本，包括利潤在內(nèi)只有2美分了。在有些地方，這個價格會進一步的下降，風(fēng)能和太陽能的單位成本會下降到每度，2030年的時候2美分以下。而且我們看到風(fēng)力發(fā)電機越來越大、效率越來越高，這樣它們就可以產(chǎn)生更多的能源。而且在2023年，每一個風(fēng)力發(fā)電機可以產(chǎn)生的電能可以達到50兆瓦，大家可以看到風(fēng)輪的直徑、半徑也越來越大，中間是空客的380，大家可以看一下這個風(fēng)力發(fā)電機越來越大，相當于是空客380翼展的3倍，而且60%的時間這個風(fēng)力發(fā)電機都可以進行發(fā)電，也就是說，這是技術(shù)帶來的進步。盡管60%的時間可以發(fā)電，但這也并不能保證時時刻刻都有電，所以這需要有著非常復(fù)雜的發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)施、儲電設(shè)施、配電設(shè)施、輸電設(shè)施，中國在長距離的發(fā)電配電方面是全球領(lǐng)先的國家。黑色是高壓輸電，要么是100萬伏，要么就是直流高壓輸電，黑色是交流輸電，紅色是直流輸電，尤其在中國東北，也到了中國的中部，在輸電的過程中損耗只有5%，所以這邊雖然不是超導(dǎo)，但是它是一個非常高壓的直流輸電線，可以減少電能的損失。

也就是說使用這些高壓輸電的網(wǎng)絡(luò)，能夠給我們帶來巨大的機遇，中國就在這方面取得了巨大的成就。如果沒有這些輸電網(wǎng)絡(luò)，那就要做儲電了，這張圖反映了最好的儲電系統(tǒng)，有太陽的時候和風(fēng)的時候，就用這個能源，把水抽到罐子里面，沒有太陽、沒有風(fēng)的時候要用電的話就打開水閥，這就是水能儲電。中國在這樣一個領(lǐng)域也希望成為全球的領(lǐng)先者，水能儲電，這是中國到2020年之前的“五年計劃”，水電的發(fā)電將達到380GW，同時水利儲能將達到40GW，到2025年水能儲電將達到90GW。其實水儲藏在一個比較高的一種位置，它所產(chǎn)生的這種電能能夠達到90幾瓦，但是儲能的度數(shù)要比這個高很多了。

再看一下電池，在澳大利亞南部，最大的電池儲能廠也就是100MW，90GW和100MW的差別還是很大的，水能儲電的成本只有電池的1/10。所以長距離的高壓輸電網(wǎng)絡(luò)，再加上風(fēng)能、太陽能、水能儲電確實給我們帶來巨大的機會。同時中國也希望把這種水力發(fā)電站，歐洲也在把挪威、北歐的一些水能發(fā)電站與風(fēng)能、太陽能發(fā)電聯(lián)系在一起。

所以說雖然可再生能源是時斷時續(xù)的，但是你可以通過儲能的方法來實現(xiàn)全天的電力供應(yīng)。這個系統(tǒng)當然是非常的復(fù)雜，講到機器學(xué)習(xí)、人工智能，尤其是非結(jié)構(gòu)化的機器學(xué)習(xí)，也在應(yīng)用到非常復(fù)雜的能源輸電以及配電的系統(tǒng)中。我們知道機器學(xué)習(xí)，尤其是非結(jié)構(gòu)化的機器學(xué)習(xí)，它并不是由圍棋大師教它們怎么下圍棋，而是由機器自己對弈，下幾百萬次之后就知道如何獲勝。這就是機器學(xué)習(xí)，通過這樣一種學(xué)習(xí)機器就可以狂勝世界上頂尖的圍棋大師。我們可以看到圍棋大師下第一場的時候都要哭了，他說我是在和后院下棋，但是AlphaGo是在和整個宇宙下棋。這是Deep Learning通過機器學(xué)習(xí)的AlphaGo，我們可以通過這種研究用到風(fēng)能的開發(fā)，可以避免很多的能源損耗。中國在這方面做得很好，在加州我們的可再生能源是30%，到2030年會占到50%。同時，能源的使用將有50%來自于可再生能源，所以說全球而言30%的能源可以來自于可再生能源，比如說中國和歐洲都是可以實現(xiàn)的，美國也是可以實現(xiàn)的，但是我們需要機器學(xué)習(xí)在這方面發(fā)揮作用。

電動汽車，電池的價格大幅度下降，從2005年到2016年大幅度下降。特斯拉的巨型電池廠，可以把電池的儲能成本大幅度降低。而通用汽車到2020年，每一度的成本可以達到100，而且電池的原理沒有發(fā)生大的變化，但是其實有一些新的創(chuàng)新，我們知道第三代、第四代的電池很多研究員正在努力地探究，這是斯坦福大學(xué)的崔屹教授，我在和他合作，他想打造一個硫鋰電池，現(xiàn)在還沒有問世，但是它的是高于現(xiàn)有的電池的，現(xiàn)在的電池是每千克250的能量密度，但是如果使用這種新電池的話，可以達到750。所以說比現(xiàn)有的電池首先要輕3到4倍，用這個電池來推動電機的話，如果放在汽車上，那么這樣一個車比兩升的內(nèi)燃機車的重量還要輕。通過使用這種電池你可以做這種小型車，而且還可以一次充電跑好遠，當然我們也正在做這方面的研究。

這樣一來，我們也可以減少電池電量的損失，這樣一來還可以使得充電的速度加快。而且在充電的時候不會讓電池過熱，這樣一種新型的電池只要5分鐘就可以讓電池充電跑150英里。這個連接器和我們現(xiàn)在的加油的油槍其實是差不多的，也不會做得過大。我們現(xiàn)在所需要的就是讓電池讓充電的時候減少內(nèi)部的一個阻力，我們現(xiàn)在也正在努力，正在研究這種材料。我們想用硫來做這個材料，因為硫的成本非常低。可以降低電池成本。如果用鈷來做的話，鈷的價格很高，所以沒有辦法量產(chǎn)。

我和崔屹很快會出版一個論文，這個論文中我們將研究從鹽水中來提取鋰。這個能源的成本非常低，而現(xiàn)在鋰的市價還是比較高的，所以如果通過這種方式提取鋰的話，它可以極大的降低成本，可以把鋰的供給提升四個量級，可以讓鋰在未來很長一段時間保持一個低的成本。所以說這樣一種技術(shù)也給我們帶來了新的機會，使得這個電化學(xué)領(lǐng)域帶來了新的機會。什么意思呢？我們說氫氣現(xiàn)在用的最多的，如果是你跟原油在煉油廠聯(lián)合起來加工的話，就可以產(chǎn)生高質(zhì)量的成品油，包括航空燃油、汽油、柴油，但現(xiàn)在經(jīng)濟主要是來自于甲烷，但是產(chǎn)生氫氣的過程中也產(chǎn)生大量的二氧化碳。你可以通過簡單的化學(xué)辦法，把水轉(zhuǎn)化成氫氣和氧氣，如果水轉(zhuǎn)成電的成本每一度是4美分的話，那么這個生產(chǎn)氫氣的成本是很高的。但是如果每度的成本只有2美分的話，那么氫氣將成為一個非常有前景的能源，因為我們知道現(xiàn)在在未來可以使用可再生能源實現(xiàn)電的成本達到2美分/度，這樣一來就給分解氫氣帶來了一個非常巨大的機會。因為在未來電價，尤其是來自于風(fēng)能和太陽能的電價會大幅度降低，所以給我們打開了很多的機遇。

給大家舉個例子，這是我們一個學(xué)生Jun Li。這是人的肺部，我們吸入氧氣，然后把氧氣傳輸給身體的細胞里面，產(chǎn)生二氧化碳。這就是人的一種新陳代謝的現(xiàn)象，然后二氧化碳再回到肺部，通過薄膜再呼出。我們想象一下電化學(xué)，這里有兩個電極，其中正極會有電子、有氫。另外一個電極有氧氣。

我們舉個例子，假設(shè)說這里面有一個催化劑產(chǎn)生氫氣和氧氣，這里面的分子會逐漸的形成一個氣泡，逐漸的增大。你需要能源打破氣泡表面的張力，隨著氣泡的增大它也會阻礙催化的作用，讓這樣一種反應(yīng)的速度減緩。所以，這個氣泡其實對于這種水的電解是不利的，但如何把這種氣泡消除呢？我們來看看人的肺部是如何工作的。這就是肺部的隔膜，有水、有催化劑，正是由于這樣一種物質(zhì)的存在，可以使產(chǎn)生的這種氣泡，不管是什么樣的氣體都可以從這種溶液中出來。這樣的話就不會產(chǎn)生氣泡，它就可以避免對于表面張力的這種克服。它是如何運作的呢？如果你使用這種廉價的聚合物，它就可以在很多程度上消除這種氣泡的現(xiàn)象，讓這個氫氣和氧氣加速它的一種化學(xué)反應(yīng)，所以比我們現(xiàn)在最優(yōu)狀況下的這種電極作用效率提升四倍。但是此外還有一些其他的好處，因為講到氫氣和氧氣，你想到它的一個幾何的形狀，可以從這張圖上看出，這邊有催化劑，一邊是產(chǎn)生氫氣，一方面產(chǎn)生氧氣，這是我們所需要的。那也可以使用不同的催化劑，所以這里面我們更多的考慮的是表面的一種幾何形狀。如果你使用這種纖維素的話，它也會讓這種催化的作用減緩。

所以最好的一個系統(tǒng)就是使用這種微觀的物質(zhì)，大概只有1毫米的1/10，用一個網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，為什么是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)呢？當然這個成本很低。因為首先你希望它的高度達到10米，但是又希望通過100微米的間距把電極隔離開，因為你發(fā)現(xiàn)如果你這種電極做得大的話，帶來的這種成本就會很高，產(chǎn)生的催化的成本就很高。但是你通過這樣一種設(shè)計，就可以形成一種3D結(jié)構(gòu)，來增加催化面積，使得化學(xué)反應(yīng)的效率更高。由于電在未來會越來越便宜，同時加上這樣一種新的結(jié)構(gòu)，就可以通過電解的方式產(chǎn)生氧氣和氫氣，一方面獲得氧氣，一方面獲得燃料。

在我講下一個話題之前，我想先提醒各位，一旦有了氫氣、有了氫，氫是一種很好的燃料，因為它的產(chǎn)物只是水。但是氫，你要進行存儲和輸送，尤其是高密度的存儲和輸送是非常困難的，現(xiàn)在如果你買氫能源汽車的話，你可能會在這個罐子里面充這種高壓的氫。彼得，他是德國的一個科學(xué)家，他就在思考這種有機的液體來儲藏氫，這里有3個苯環(huán)，你在這里面加入氫的話，你可以在有機液體中加入6個氫原子，如果用這種方式儲存的話，那么氫的儲存的密度和液氫的儲存密度非常的類似，我們知道NASA火箭的航天飛機使用的燃料就是液氫，但是要求的存儲問題非常低，但是在室溫條件下它的儲存容量和液氫基本上持平，這樣的話就可以把有機液體放在油箱中或者放在管道中進行輸送，使用氫的話就做一個反向的化學(xué)反應(yīng)就好了。在常溫下、室溫下可以把氫再提取出來，這是我們氫電池未來的一個目標?？梢詫崿F(xiàn)氫的引擎，效率達到95%，接近現(xiàn)有的內(nèi)燃機的燃燒效率。

講到液氫的儲存，前面提到了幾個前提條件，首先就是太陽能、風(fēng)能的成本越來越低，同時有新的電解技術(shù)。另外又可以在罐中，通過這種新的方式進行儲存和傳輸，保證傳輸?shù)陌踩枰褂玫臅r候就可以把氫提取出來。為什么這些都這么重要呢？因為21世紀所面臨的挑戰(zhàn)就是要把二氧化碳和水產(chǎn)生的這種產(chǎn)品通過熱學(xué)，通過電學(xué)，各種各樣的辦法，再把它變成我們所需要的比如說氫氣、氧氣，最后還可以讓氫氣和氧氣通過業(yè)態(tài)的方式儲存，如果能進行儲存的話，這比化學(xué)電池的儲能要好得多。我們可以把它想象成一個長距離的航線，它是在太平洋中間輸送能源的，現(xiàn)在的原油就是通過這種油輪進行輸送的。比如說中國進口石油，需要的時候進行精煉，那可能會說從其他各國進口石油的成本是多少呢？那就是每加侖兩美分，非常低。所以我們說如果把能源以液態(tài)的形式、以高密度的形式進行儲存的話，是能源儲存的關(guān)鍵。很多地方?jīng)]有辦法中做水利儲能，這很好，但是很多國家沒有辦法做水利儲能。如果能源能夠以液態(tài)的方式進行輸送儲存的話就可以完全改變我們的世界。

前面我已經(jīng)談到了這個紅線是我們未來的展望、預(yù)測。也可能是10年之后、20年之后，全世界，甚至包括美國在內(nèi)終于清醒了，認識到氣候變化是我們面臨的一個嚴峻的挑戰(zhàn)。但是請記住，別說要保持兩攝氏度了，在三攝氏度以下，我們首先一定要進行碳的捕獲。從化工廠、發(fā)電站進行碳捕捉，從空氣中進行碳捕捉，我覺得也可以通過自然的方式來實現(xiàn)。為什么呢？因為考慮到世界排放的二氧化碳，30億噸-50億噸。再看一下農(nóng)作物和植物通過光合作用，還有草地上的草來吸收的二氧化碳，它們其實是空氣中產(chǎn)生二氧化碳的兩倍。當然大部分的植物它死亡之后，又會產(chǎn)生二氧化碳，又會產(chǎn)生甲烷。但是如果你把這些死亡植物的殘余收集起來，把它捕捉起來，把它變成一些其他的物質(zhì)，在這樣一種過程你也可以把碳來進行一個封存和捕獲。這樣以來就會真正的實現(xiàn)負的碳排放，這就是我們面臨的另外一個挑戰(zhàn)，如何讓這樣一種過程在經(jīng)濟上也具有可行性，當然技術(shù)上它是可行的了，當然在經(jīng)濟上如何進行可行呢？這就是未來科學(xué)家所面臨的挑戰(zhàn)了。