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。