闵应骅的博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/ymin 一位IEEE终身Fellow对信息科学及其发展的看法

博文

复杂一点看能源和环境问题(141229)

已有 5869 次阅读 2014-12-29 08:49 |个人分类:杂谈|系统分类:科研笔记|关键词:能源,,环境污染| 能源, 环境污染

复杂一点看能源和环境问题(141229

闵应骅

 

   近几年,国人开始重视环境问题。因为北京及许多地区的空气污染人人都感受得到,包括有各种特供的人,空气总是要大家共享的。这就牵涉到二氧化碳排放的问题。有人说,APEC蓝,关了工厂就好,汽车限行就好,只要政府采取果断措施就能解决。其实不然,这问题远比这些思考要复杂,应该多想一想,而且需要深刻的科学研究。它不是某一个国家的问题,而是全球性的大问题。当然,各国对这个问题严重性的贡献是不一样的,污染的分布也不是均匀的,各地严重程度不同,靠风可以吹跑,但独善其身是不可能的。本月IEEE Spectrum 发表“Energy's Creative Destruction”,帮助我们复杂一点、深入一点思考这个问题。

   谷歌的创始人之一拉里.佩奇常说:“假如你选择一个困难问题,你将面临较少的竞争。”像登月计划、80种语言的翻译器、自驾驶汽车、可穿戴计算机、谷歌眼镜都是这样的例子。从2007年开始,谷歌开始研究气候和能源问题,已有所成就。譬如建立能源高效的数据中心、购买大量可再生能源、减少碳排放量等。他们是假定RE<C,即开发可再生能源(RE)比燃煤发电(C)既省又少污染。他们要研究在几年内生产千兆瓦的可再生能源比燃煤发电更便宜。可是,只搞了5年,到2011年公司取消了这个计划。现在大家认识到,即使大规模采用可再生能源,这个过程也无法有效减少二氧化碳排放。单纯用可再生能源技术解决不了气候变化的问题。我们需要重新审视这个问题,以防人类的灾难。

   气候科学家肯定大气中二氧化碳的增加蕴含着危险。可再生能源研究了许多创新技术,譬如自组装的风力发电机塔尖、地热钻具系统、太阳能热电力系统等。但是,没有一个系统在经济上能和煤发电相比,一味反对煤电是不可取的。所以,谷歌结束了RE<C的研发项目。

   预计到2050年,电力部门还是会大量使用天然气。因为可再生能源受地形的限制,而且间隙性的产生功率。譬如风电场只有在强风和稳定的风地区才有经济意义。即使如此,气候就真的会好吗?NASA的权威专家说,大气中CO2浓度超过百万分之350(350ppm)就会有灾难性后果(1ppm=1mg/kg)。我们现在已经超过了这个极限。现在,环境监控表明大概在400ppm。这就有问题,因为二氧化碳保留在大气中已经多于一个世纪,即使现在关闭所有矿物燃料发电厂,已有的二氧化碳还会继续使地球变暖。问题是如果到2050年减少排放55%能否保证低于350ppm?不能,即使可再生能源很快上马,而且广泛采用,大气中的二氧化碳水平还会高于350ppm,而且由于矿物燃料的使用而按指数律增加,气候还会改变,气候带移动,淡水减少,海岸被侵蚀,海洋酸化等等。扭转这种趋势既要廉价的零碳能源技术的进步,也需要从大气中抽取二氧化碳和隔离碳的方法。

   现在美国用煤或天然气发电的花费大概是每千瓦小时4-6美分。达不到这个水平,商家就不会采用。另一个巨大的花费是电力的传输和调度,约为$0.09/kWh-$0.20/kWh。遗憾的是现在清洁能源不具备分布和调度能力。譬如太阳能板可以放在任何地方,但是太阳落下,它就发不了电。商家需要的解决办法是不要政府补贴,不要政府的燃煤使用惩罚条例,也能提供清洁能源。

   另一个问题是大气中二氧化碳的清除。即使现在能源零碳排放,大气中仍然保留了大量的二氧化碳,需要上百年才能回到正常状态。下图表明四种方案下,各年二氧化碳浓度(每千克多少毫克)。蓝色曲线表明,按现在的发电模式搞下去,空气中二氧化碳浓度将按指数律增长,到2150年将达到1000。如果大量采用可再生能源,减少碳排放,按红色曲线走,到2150年可达到600。这仍然是一个可怕的数字。一般认为,350ppm是安全阈值,如赭色所示。一位NASA科学家James Hansen提出的模型表明,我们不但要停止二氧化碳排放,而且需要从空气中排除二氧化碳,并且把碳用稳定的形式存储起来,譬如重新造林。有望在百多年后低于350,达到安全水平。如图中黄色曲线所示。

   破坏性的聚变技术可以产生高能粒子直接转变为电力。沼气可以代替天然气,或者新技术可以改变经济的游戏规则,不但产生电力,而且产生肥料、燃料或淡化水。在碳存储方面,生物工程师可以发明农作物,从空气中吸取二氧化碳,把碳存在土地里。我们需要在科学研究中产生一些奇理古怪的想法,来跟踪严重的气候变化问题。那就是创新。




http://blog.sciencenet.cn/blog-290937-854660.html

上一篇:忆阻器与计算机(141222)
下一篇:磁带要复活了(150105)

19 邹斌 胡俊 赵美娣 赵凤光 王小平 孟津 张骥 赵建民 肖海 杨正瓴 蒋大和 黄永义 汪晓军 黄世臣 陈冬生 李健 何宏 于仲波 yunmu

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (28 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2020-4-1 22:54

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部