论文部分内容阅读
比尔·盖茨曾经说过，他一生中有三大梦想：第一个梦想是希望每个人都能拥有一台电脑——这个梦想他已经实现；第二个梦想是希望每个人都能拥有平等的医疗机会，包括世界上最贫穷的地区——他成立的比尔和梅琳达·盖茨基金会每年投入大量资金用于消灭艾滋病、结核病和疟疾，这个梦想他正在努力实现中；第三个梦想是希望能让最贫穷地区的人用上廉价的清洁能源——他成立的泰拉能源公司（Terrapower）正在紧锣密鼓地开展科技研发，这个梦想他才刚刚开始。
能源与气候问题
能源对于改善人类的生活具有重要意义。现代文明是建立在先进能源技术基础上的，推动人类的历史进程向前需要能源技术不断取得突破。20世纪初，在能源价格快速下降后（图1），人类才用上冰箱和空调，才能拥有各种现代化的事物，才能够真正享受现代文明给我们带来的美妙生活。因而，人类如果希望拥有更加美好的生活，就必须在能源技术上取得突破，进一步降低能源价格。
然而，人类在努力降低能源价格时，面临着一个新的挑战——气候问题。人们目前大量使用的能源，如煤炭、石油、天然气等，都属于化石能源。它们在使用过程中会释放出大量二氧化碳（图2），导致气温上升及剧烈的全球气候变化，破坏现有的生态环境。生态环境的破坏意味着庄稼将无法正常生长，洪涝和干旱等灾害频繁发生。这些变化将会摧毁原本已经非常脆弱的自然环境，带来饥荒、动荡，以及更多的贫困。因此，我们必须给能源的利用增加一个新的限制，这个限制就是二氧化碳排放量。
减少二氧化碳排放
能源消耗与二氧化碳排放之间的关系，可以通过一个公式说明（图3）。这个计算二氧化碳排放量的公式有4个要素，分别是人口总数（P），人类使用的服务量（S），每项服务所消耗的能源量（E）和每单位能源所排放的二氧化碳量（C）。接下来，我们将逐个要素进行分析。
首先是人口总数（P）。目前全世界有68亿人，并且人口总数还在不断增加，最终会增长到90亿左右。随着科技发展，如果我们在新疫苗开发、医疗服务、生殖健康方面的工作卓有成效，也将促进这个因子的增长。所以，我们无法通过降低这个因素来减少二氧化碳的排放。
第二个因子是我们使用的服务量（S），它包括我们吃的食物、穿的衣服、电视、空调、暖气等。这个因子越大，说明我们拥有更多、更好的服务，我们的生活品质更好。所以，我们也不可能通过减低这一因子来减少二氧化碳的排放。
第三个因子是每项服务所消耗的能源量（E），也就是能源效率。这个因子不会持续上升，我们可以通过发明新技术，采用新材料等方法，来减低每项服务所消耗的能源量。但是，能源效率的提高是有限的，通过提高能源效率来减少二氧化碳的排放也是非常有限的。所以，我们并不能在这个因子上寄予太多的期望。
第四个因子，也是最关键的一个，是每单位能源所排放的二氧化碳量（C）。在这个因子上，人类可以大有作为。我们可以通过采用清洁能源，降低二氧化碳的排放，甚至可以将排放量降为零。这意味着，我们要改变现在以化石能源为基础的能源系统，在全球范围内建立一个以清洁能源为基础的新的能源系统，这是一个非常严峻的挑战。我们只有这样去做，才能进一步提高生活质量，实现人类的可持续发展。
换句话说，我们需要能源奇迹来实现梦想。
五大能源奇迹
在众多的清洁能源技术中，科学家们目前较为看好的有5个方向，它们分别是碳捕集、核能、风能、光伏太阳能和太阳能热利用。这5种清洁能源技术都可以实现二氧化碳零排放的目标。只是目前都还不够成熟，存在诸多需要解决的难题，需要投入大量资金、人力，在技术上不断取得突破。
碳捕集是指将化石燃料燃烧产生的二氧化碳通过烟囱收集、加压、液化和储存。目前的试验已经能够做到捕集60%～80%二氧化碳排放量的水平；但这一数值还不理想，需要进一步提高。此外，在一个地方长期大量储存二氧化碳也会引起争议，并且存在一些安全隐患。如何提高碳捕集效率、解决二氧化碳废料的存储问题，都是目前需要解决的关键问题。
核能是一种能够实现大规模利用的清洁能源，但它的发展同样面临很多困难：首先是安全问题。科学家必须发展出相关技术，让核电站运行得更加安全，真正杜绝核事故的发生；同时，还要确保核燃料不会被用于制造核武器，防止核扩散。其次是核废料处理问题。核废料的数量虽然不大，但处理起来却存在诸多难题。
5种能源的后3种（包括风能、光伏太阳能和太阳能热利用），人们通常称它们为可再生能源。它们都不需要燃料，取之于大自然，是非常清洁和可持续发展的技术，但这3种能源的发展也面临同样的问题：首先，这些技术所收集到的能源密度非常低，远远小于电厂。其次，这些能源是间歇性的，太阳光不是一整天都有，风也不是一直在吹。如果完全依赖这些能源，我们还得有其他渠道来获取能源，以度过间歇期。最后，这些能源都面临巨大的成本问题和传输方面的挑战。因为适合建立风力发电场和太阳能电站的地方一般都是人口稀疏的地方，这些地方发出来的电需要输送到人口密集的城市，而电力传输的距离通常是非常遥远的。
比尔·盖茨的努力
以上5种能源中的每一种，都需要投入大量的材料和研究人员，才有可能取得进展。值得欣慰的是，现在已经有很多团队投身其中，开展了实质性的行动，比尔·盖茨的团队就是其中之一。
比尔·盖茨的泰拉能源公司正在开发一种新的核反应堆。这种新的核反应堆被称为行波堆，这种反应堆不燃烧常规的核燃料铀235，而是燃烧核废料中的铀238。铀235非常稀少，其存量还不到天然铀的1%，而铀238的储量非常丰富，占天然铀的99%，且开采非常容易。由于这种方法使用的燃料是原本被丢弃的核废料，所以技术成本可以极大地降低。而且，他们把核废料变成燃料，再也不用担心核废料的处理问题。据估算，只需要采用储存在美国肯塔基州核废料场的现有核废料，就可以为全美国供应数百年的能源。另外，仅仅通过简单的开采程序，就可以得到足以供应地球上的人们下半辈子使用的燃料了。
寻找能源奇迹，面临诸多挑战，不过人类没有放弃，人们正在不断地努力中。
【责任编辑】赵 菲
能源与气候问题
能源对于改善人类的生活具有重要意义。现代文明是建立在先进能源技术基础上的，推动人类的历史进程向前需要能源技术不断取得突破。20世纪初，在能源价格快速下降后（图1），人类才用上冰箱和空调，才能拥有各种现代化的事物，才能够真正享受现代文明给我们带来的美妙生活。因而，人类如果希望拥有更加美好的生活，就必须在能源技术上取得突破，进一步降低能源价格。
然而，人类在努力降低能源价格时，面临着一个新的挑战——气候问题。人们目前大量使用的能源，如煤炭、石油、天然气等，都属于化石能源。它们在使用过程中会释放出大量二氧化碳（图2），导致气温上升及剧烈的全球气候变化，破坏现有的生态环境。生态环境的破坏意味着庄稼将无法正常生长，洪涝和干旱等灾害频繁发生。这些变化将会摧毁原本已经非常脆弱的自然环境，带来饥荒、动荡，以及更多的贫困。因此，我们必须给能源的利用增加一个新的限制，这个限制就是二氧化碳排放量。
减少二氧化碳排放
能源消耗与二氧化碳排放之间的关系，可以通过一个公式说明（图3）。这个计算二氧化碳排放量的公式有4个要素，分别是人口总数（P），人类使用的服务量（S），每项服务所消耗的能源量（E）和每单位能源所排放的二氧化碳量（C）。接下来，我们将逐个要素进行分析。
首先是人口总数（P）。目前全世界有68亿人，并且人口总数还在不断增加，最终会增长到90亿左右。随着科技发展，如果我们在新疫苗开发、医疗服务、生殖健康方面的工作卓有成效，也将促进这个因子的增长。所以，我们无法通过降低这个因素来减少二氧化碳的排放。
第二个因子是我们使用的服务量（S），它包括我们吃的食物、穿的衣服、电视、空调、暖气等。这个因子越大，说明我们拥有更多、更好的服务，我们的生活品质更好。所以，我们也不可能通过减低这一因子来减少二氧化碳的排放。
第三个因子是每项服务所消耗的能源量（E），也就是能源效率。这个因子不会持续上升，我们可以通过发明新技术，采用新材料等方法，来减低每项服务所消耗的能源量。但是，能源效率的提高是有限的，通过提高能源效率来减少二氧化碳的排放也是非常有限的。所以，我们并不能在这个因子上寄予太多的期望。
第四个因子，也是最关键的一个，是每单位能源所排放的二氧化碳量（C）。在这个因子上，人类可以大有作为。我们可以通过采用清洁能源，降低二氧化碳的排放，甚至可以将排放量降为零。这意味着，我们要改变现在以化石能源为基础的能源系统，在全球范围内建立一个以清洁能源为基础的新的能源系统，这是一个非常严峻的挑战。我们只有这样去做，才能进一步提高生活质量，实现人类的可持续发展。
换句话说，我们需要能源奇迹来实现梦想。
五大能源奇迹
在众多的清洁能源技术中，科学家们目前较为看好的有5个方向，它们分别是碳捕集、核能、风能、光伏太阳能和太阳能热利用。这5种清洁能源技术都可以实现二氧化碳零排放的目标。只是目前都还不够成熟，存在诸多需要解决的难题，需要投入大量资金、人力，在技术上不断取得突破。
碳捕集是指将化石燃料燃烧产生的二氧化碳通过烟囱收集、加压、液化和储存。目前的试验已经能够做到捕集60%～80%二氧化碳排放量的水平；但这一数值还不理想，需要进一步提高。此外，在一个地方长期大量储存二氧化碳也会引起争议，并且存在一些安全隐患。如何提高碳捕集效率、解决二氧化碳废料的存储问题，都是目前需要解决的关键问题。
核能是一种能够实现大规模利用的清洁能源，但它的发展同样面临很多困难：首先是安全问题。科学家必须发展出相关技术，让核电站运行得更加安全，真正杜绝核事故的发生；同时，还要确保核燃料不会被用于制造核武器，防止核扩散。其次是核废料处理问题。核废料的数量虽然不大，但处理起来却存在诸多难题。
5种能源的后3种（包括风能、光伏太阳能和太阳能热利用），人们通常称它们为可再生能源。它们都不需要燃料，取之于大自然，是非常清洁和可持续发展的技术，但这3种能源的发展也面临同样的问题：首先，这些技术所收集到的能源密度非常低，远远小于电厂。其次，这些能源是间歇性的，太阳光不是一整天都有，风也不是一直在吹。如果完全依赖这些能源，我们还得有其他渠道来获取能源，以度过间歇期。最后，这些能源都面临巨大的成本问题和传输方面的挑战。因为适合建立风力发电场和太阳能电站的地方一般都是人口稀疏的地方，这些地方发出来的电需要输送到人口密集的城市，而电力传输的距离通常是非常遥远的。
比尔·盖茨的努力
以上5种能源中的每一种，都需要投入大量的材料和研究人员，才有可能取得进展。值得欣慰的是，现在已经有很多团队投身其中，开展了实质性的行动，比尔·盖茨的团队就是其中之一。
比尔·盖茨的泰拉能源公司正在开发一种新的核反应堆。这种新的核反应堆被称为行波堆，这种反应堆不燃烧常规的核燃料铀235，而是燃烧核废料中的铀238。铀235非常稀少，其存量还不到天然铀的1%，而铀238的储量非常丰富，占天然铀的99%，且开采非常容易。由于这种方法使用的燃料是原本被丢弃的核废料，所以技术成本可以极大地降低。而且，他们把核废料变成燃料，再也不用担心核废料的处理问题。据估算，只需要采用储存在美国肯塔基州核废料场的现有核废料，就可以为全美国供应数百年的能源。另外，仅仅通过简单的开采程序，就可以得到足以供应地球上的人们下半辈子使用的燃料了。
寻找能源奇迹，面临诸多挑战，不过人类没有放弃，人们正在不断地努力中。
【责任编辑】赵 菲