如何让我们的家园变成可持续星球

文／朱棣文

8月10-12日，世界科技创新论坛在北京会议中心举办，1997年诺贝尔物理学奖获得者、斯坦福大学物理学教授、美国第12任能源部部长朱棣文教授发表题为“气候变化和未来创新之路”的演讲。

提及气候变化，朱棣文教授表示，自1975年以来，温度上升了一度左右，温度升高导致了冰川融化、海平面上升等。通过卫星，他们精确测量了南极冰川的温度变化，发现冰川温度在不断升高。未来地球温度再上升一度的话，海平面将上升6到9米左右，全球10%的人口将被迫离开他们的家园。如果我们不控制二氧化碳的排放的话，温度将再次升高。

以下是演讲全文：

我今天不想讲科学研究的理论，我的科学研究现在做得不错，我们现在有一些新的发现，我们也合成了一些新的物质。同时进行了细胞中的神经传输，那么第一次的几厘米内，可以在这样一个神经元上进行传输。这里面会有两个、四个和六个，这样一个动力，使用的就是一种新的平衡的动力学来实现的。

那么正是这样一种研究，就可以让我们通过一种和传统不同的方式来分析数据，来展示出二、四、六，动力的不同的分支。这就是我最近做的一个研究，非常令人激动。

今天我想讲另外一个话题，这个话题让我感到激动，也让我感到很郁闷。首先我跟大家讲一下气候变化方面我们的发展，以及在科学技术和工程方面，我们究竟可以做哪些事情来改变我们的世界。（详见PPT）首先来看一下气候变化的风险，这是1850年-2017年的全球温度变化，从这上面可以看到自从1975年以来，全球大部分的新闻升高是在1975年以后，基本上上涨了0.95摄氏度，接近1摄氏度了。那么尽管科学表明在70年代、80年代以前，很多气温的升高也有一些展示，但往往是一种噪音。但是在1975年之后这个气温的升高比较明确，到现在已经升高了1摄氏度左右了。

你可能会说温度升高就会使得冰川融化、海平面上升，确实如此。那你可以在其他的地方，比如说阿拉斯加的冰川照片，一个是1941年、一个是2001年，这两个冰川的图片完全不一样。但是对于气候变化最准确的测量方法就是使用卫星，随着冰川的变化，尤其是格林蓝岛和南极冰川的融化，可以用卫星进行识别，这是我们最新的数据。这就是2002年-2009年的卫星数据，蓝色是说明南极和北极的冰川的融化，在我们做这样一个测算之前，我们当时有一种感觉，就是南极的冰川会增加，因为温度升高就意味着水更多的会被蒸发，更多的蒸发就意味着会有更多的雨雪，而且南极很冷，按道理说冰川应该是在增加的。但是我们现在通过我们的卫星测算却发现，南极的冰川却在减少。

那么我们回到人类上一个温暖的时代，比今天大概到1摄氏度。当时海平面上升了多少呢？如果是温度升高1摄氏度，我们现在海平面升高多少？通过地质的数据显示，如果温度再升高1度的话，海平面会上涨6米到9米。这样的增长，我们过去可能认为需要几百年才会发生，但是在最近的几百年以内，有可能由于温度的上升会使得海平面上升6-9米。如果海平面上升6-9米的话，差不多全球人口的10%将要被迫迁移，这是联合国的目标。

我们可以有哪些期望呢？这是美孚的出版物，展望未来2040年，上面一条就是一切不改变，当然现在我们已经有所改进了。而下面这些是一直持续到2100年，也就是我们的碳排放不断减少带来的结果。看这个纵轴，上面有个零，美孚、壳牌和其他所有的油气公司，他们就决定为了实现联合国的目标，全球总的碳排放量，包括物流、交通、处理，等等，必须在2070年、2080年变成负值，才能满足联合国两摄氏度的目标。

那我们现在的进展如何呢？有一个相对比较乐观的预测，就是红线，和上面的这条线不太一样。但是毫无疑问，这和联合国目标所实现的碳开放还是有很大的差距。我们把所有累计的排放加在一起，到2100年，这就是联合国排放的目标。你可能会说，有50%的可能性，全球的温度上证1.7-1.8摄氏度，有2/3的可能性温度维持在两摄氏度以内。还有50%的可能性，全球的温度提升超过2摄氏度以上。这是联合国设计的红线，这边讲的是累计的排放，为什么累计排放这么重要呢？而不是年度排放。因为一旦大气中有二氧化碳的话，其中一半很快会被土地和海洋吸收，所以有一半的排放已经被处理和吸收掉了。另外一半在地面和海洋会不断地循环，这样的循环需要几千年、几万年。也就是说我们今天碳排放会在未来几千年、几万年带来影响。从全球来看，我们看到有更多的热浪、更多的缺水、更多的干旱，美国的加州在去年就有17次森林大火，而且在加州冬天的时间也越来越短，在过去30年始终看到这样一个现象。所以这些事实就变得越来越明确，而且在世界上不同的地区都逐渐的展示出来，包括欧洲也有越来越多的热浪。我们的感觉就是，这些极端的气候现象在未来将继续，并且将变得更为频繁。

下面讲讲好消息，那就是科学和创新。如何让我们的世界变成可持续的星球呢？

我想将的一个关键点就是在世界上那些可再生能源发展最好的地方，在没有补贴的情况下，比如说我供电给你，给你定一个电价，当然这个电价对于这个供电公司是有着利润的。那在世界上可持续能源发展最好的地方，现在的成本已经降到了2分-2.5分/度，在中东的有些地方的太阳能的成本，包括利润在内只有2美分了。在有些地方，这个价格会进一步的下降，风能和太阳能的单位成本会下降到每度，2030年的时候2美分以下。而且我们看到风力发电机越来越大、效率越来越高，这样它们就可以产生更多的能源。而且在2023年，每一个风力发电机可以产生的电能可以达到50兆瓦，大家可以看到风轮的直径、半径也越来越大，中间是空客的380，大家可以看一下这个风力发电机越来越大，相当于是空客380翼展的3倍，而且60%的时间这个风力发电机都可以进行发电，也就是说，这是技术带来的进步。尽管60%的时间可以发电，但这也并不能保证时时刻刻都有电，所以这需要有着非常复杂的发电基础设施、储电设施、配电设施、输电设施，中国在长距离的发电配电方面是全球领先的国家。黑色是高压输电，要么是100万伏，要么就是直流高压输电，黑色是交流输电，红色是直流输电，尤其在中国东北，也到了中国的中部，在输电的过程中损耗只有5%，所以这边虽然不是超导，但是它是一个非常高压的直流输电线，可以减少电能的损失。

也就是说使用这些高压输电的网络，能够给我们带来巨大的机遇，中国就在这方面取得了巨大的成就。如果没有这些输电网络，那就要做储电了，这张图反映了最好的储电系统，有太阳的时候和风的时候，就用这个能源，把水抽到罐子里面，没有太阳、没有风的时候要用电的话就打开水阀，这就是水能储电。中国在这样一个领域也希望成为全球的领先者，水能储电，这是中国到2020年之前的“五年计划”，水电的发电将达到380GW，同时水利储能将达到40GW，到2025年水能储电将达到90GW。其实水储藏在一个比较高的一种位置，它所产生的这种电能能够达到90几瓦，但是储能的度数要比这个高很多了。

再看一下电池，在澳大利亚南部，最大的电池储能厂也就是100MW，90GW和100MW的差别还是很大的，水能储电的成本只有电池的1/10。所以长距离的高压输电网络，再加上风能、太阳能、水能储电确实给我们带来巨大的机会。同时中国也希望把这种水力发电站，欧洲也在把挪威、北欧的一些水能发电站与风能、太阳能发电联系在一起。

所以说虽然可再生能源是时断时续的，但是你可以通过储能的方法来实现全天的电力供应。这个系统当然是非常的复杂，讲到机器学习、人工智能，尤其是非结构化的机器学习，也在应用到非常复杂的能源输电以及配电的系统中。我们知道机器学习，尤其是非结构化的机器学习，它并不是由围棋大师教它们怎么下围棋，而是由机器自己对弈，下几百万次之后就知道如何获胜。这就是机器学习，通过这样一种学习机器就可以狂胜世界上顶尖的围棋大师。我们可以看到围棋大师下第一场的时候都要哭了，他说我是在和后院下棋，但是AlphaGo是在和整个宇宙下棋。这是Deep Learning通过机器学习的AlphaGo，我们可以通过这种研究用到风能的开发，可以避免很多的能源损耗。中国在这方面做得很好，在加州我们的可再生能源是30%，到2030年会占到50%。同时，能源的使用将有50%来自于可再生能源，所以说全球而言30%的能源可以来自于可再生能源，比如说中国和欧洲都是可以实现的，美国也是可以实现的，但是我们需要机器学习在这方面发挥作用。

电动汽车，电池的价格大幅度下降，从2005年到2016年大幅度下降。特斯拉的巨型电池厂，可以把电池的储能成本大幅度降低。而通用汽车到2020年，每一度的成本可以达到100，而且电池的原理没有发生大的变化，但是其实有一些新的创新，我们知道第三代、第四代的电池很多研究员正在努力地探究，这是斯坦福大学的崔屹教授，我在和他合作，他想打造一个硫锂电池，现在还没有问世，但是它的是高于现有的电池的，现在的电池是每千克250的能量密度，但是如果使用这种新电池的话，可以达到750。所以说比现有的电池首先要轻3到4倍，用这个电池来推动电机的话，如果放在汽车上，那么这样一个车比两升的内燃机车的重量还要轻。通过使用这种电池你可以做这种小型车，而且还可以一次充电跑好远，当然我们也正在做这方面的研究。

这样一来，我们也可以减少电池电量的损失，这样一来还可以使得充电的速度加快。而且在充电的时候不会让电池过热，这样一种新型的电池只要5分钟就可以让电池充电跑150英里。这个连接器和我们现在的加油的油枪其实是差不多的，也不会做得过大。我们现在所需要的就是让电池让充电的时候减少内部的一个阻力，我们现在也正在努力，正在研究这种材料。我们想用硫来做这个材料，因为硫的成本非常低。可以降低电池成本。如果用钴来做的话，钴的价格很高，所以没有办法量产。

我和崔屹很快会出版一个论文，这个论文中我们将研究从盐水中来提取锂。这个能源的成本非常低，而现在锂的市价还是比较高的，所以如果通过这种方式提取锂的话，它可以极大的降低成本，可以把锂的供给提升四个量级，可以让锂在未来很长一段时间保持一个低的成本。所以说这样一种技术也给我们带来了新的机会，使得这个电化学领域带来了新的机会。什么意思呢？我们说氢气现在用的最多的，如果是你跟原油在炼油厂联合起来加工的话，就可以产生高质量的成品油，包括航空燃油、汽油、柴油，但现在经济主要是来自于甲烷，但是产生氢气的过程中也产生大量的二氧化碳。你可以通过简单的化学办法，把水转化成氢气和氧气，如果水转成电的成本每一度是4美分的话，那么这个生产氢气的成本是很高的。但是如果每度的成本只有2美分的话，那么氢气将成为一个非常有前景的能源，因为我们知道现在在未来可以使用可再生能源实现电的成本达到2美分/度，这样一来就给分解氢气带来了一个非常巨大的机会。因为在未来电价，尤其是来自于风能和太阳能的电价会大幅度降低，所以给我们打开了很多的机遇。

给大家举个例子，这是我们一个学生Jun Li。这是人的肺部，我们吸入氧气，然后把氧气传输给身体的细胞里面，产生二氧化碳。这就是人的一种新陈代谢的现象，然后二氧化碳再回到肺部，通过薄膜再呼出。我们想象一下电化学，这里有两个电极，其中正极会有电子、有氢。另外一个电极有氧气。

我们举个例子，假设说这里面有一个催化剂产生氢气和氧气，这里面的分子会逐渐的形成一个气泡，逐渐的增大。你需要能源打破气泡表面的张力，随着气泡的增大它也会阻碍催化的作用，让这样一种反应的速度减缓。所以，这个气泡其实对于这种水的电解是不利的，但如何把这种气泡消除呢？我们来看看人的肺部是如何工作的。这就是肺部的隔膜，有水、有催化剂，正是由于这样一种物质的存在，可以使产生的这种气泡，不管是什么样的气体都可以从这种溶液中出来。这样的话就不会产生气泡，它就可以避免对于表面张力的这种克服。它是如何运作的呢？如果你使用这种廉价的聚合物，它就可以在很多程度上消除这种气泡的现象，让这个氢气和氧气加速它的一种化学反应，所以比我们现在最优状况下的这种电极作用效率提升四倍。但是此外还有一些其他的好处，因为讲到氢气和氧气，你想到它的一个几何的形状，可以从这张图上看出，这边有催化剂，一边是产生氢气，一方面产生氧气，这是我们所需要的。那也可以使用不同的催化剂，所以这里面我们更多的考虑的是表面的一种几何形状。如果你使用这种纤维素的话，它也会让这种催化的作用减缓。

所以最好的一个系统就是使用这种微观的物质，大概只有1毫米的1/10，用一个网状的结构，为什么是网状结构呢？当然这个成本很低。因为首先你希望它的高度达到10米，但是又希望通过100微米的间距把电极隔离开，因为你发现如果你这种电极做得大的话，带来的这种成本就会很高，产生的催化的成本就很高。但是你通过这样一种设计，就可以形成一种3D结构，来增加催化面积，使得化学反应的效率更高。由于电在未来会越来越便宜，同时加上这样一种新的结构，就可以通过电解的方式产生氧气和氢气，一方面获得氧气，一方面获得燃料。

在我讲下一个话题之前，我想先提醒各位，一旦有了氢气、有了氢，氢是一种很好的燃料，因为它的产物只是水。但是氢，你要进行存储和输送，尤其是高密度的存储和输送是非常困难的，现在如果你买氢能源汽车的话，你可能会在这个罐子里面充这种高压的氢。彼得，他是德国的一个科学家，他就在思考这种有机的液体来储藏氢，这里有3个苯环，你在这里面加入氢的话，你可以在有机液体中加入6个氢原子，如果用这种方式储存的话，那么氢的储存的密度和液氢的储存密度非常的类似，我们知道NASA火箭的航天飞机使用的燃料就是液氢，但是要求的存储问题非常低，但是在室温条件下它的储存容量和液氢基本上持平，这样的话就可以把有机液体放在油箱中或者放在管道中进行输送，使用氢的话就做一个反向的化学反应就好了。在常温下、室温下可以把氢再提取出来，这是我们氢电池未来的一个目标。可以实现氢的引擎，效率达到95%，接近现有的内燃机的燃烧效率。

讲到液氢的储存，前面提到了几个前提条件，首先就是太阳能、风能的成本越来越低，同时有新的电解技术。另外又可以在罐中，通过这种新的方式进行储存和传输，保证传输的安全，需要使用的时候就可以把氢提取出来。为什么这些都这么重要呢？因为21世纪所面临的挑战就是要把二氧化碳和水产生的这种产品通过热学，通过电学，各种各样的办法，再把它变成我们所需要的比如说氢气、氧气，最后还可以让氢气和氧气通过业态的方式储存，如果能进行储存的话，这比化学电池的储能要好得多。我们可以把它想象成一个长距离的航线，它是在太平洋中间输送能源的，现在的原油就是通过这种油轮进行输送的。比如说中国进口石油，需要的时候进行精炼，那可能会说从其他各国进口石油的成本是多少呢？那就是每加仑两美分，非常低。所以我们说如果把能源以液态的形式、以高密度的形式进行储存的话，是能源储存的关键。很多地方没有办法中做水利储能，这很好，但是很多国家没有办法做水利储能。如果能源能够以液态的方式进行输送储存的话就可以完全改变我们的世界。

前面我已经谈到了这个红线是我们未来的展望、预测。也可能是10年之后、20年之后，全世界，甚至包括美国在内终于清醒了，认识到气候变化是我们面临的一个严峻的挑战。但是请记住，别说要保持两摄氏度了，在三摄氏度以下，我们首先一定要进行碳的捕获。从化工厂、发电站进行碳捕捉，从空气中进行碳捕捉，我觉得也可以通过自然的方式来实现。为什么呢？因为考虑到世界排放的二氧化碳，30亿吨-50亿吨。再看一下农作物和植物通过光合作用，还有草地上的草来吸收的二氧化碳，它们其实是空气中产生二氧化碳的两倍。当然大部分的植物它死亡之后，又会产生二氧化碳，又会产生甲烷。但是如果你把这些死亡植物的残余收集起来，把它捕捉起来，把它变成一些其他的物质，在这样一种过程你也可以把碳来进行一个封存和捕获。这样以来就会真正的实现负的碳排放，这就是我们面临的另外一个挑战，如何让这样一种过程在经济上也具有可行性，当然技术上它是可行的了，当然在经济上如何进行可行呢？这就是未来科学家所面临的挑战了。