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开源节流，构想零碳地球

能源危机和环境问题是目前面对的两大问题。而这两大热点在现实来说似乎又彼此矛盾。本文尝试破解这两大难题，构想可持续发展的和谐家园。
一、能源危机加剧环境问题
大自然本是一个有序而和谐的体系。动植物呼吸产生的二氧化碳被植物通过光合作用吸收，然后释放出氧气。植物被动物吃掉或者被微生物分解又消耗氧气，产生二氧化碳。多余的碳被埋藏在了地下……
随着社会的发展，人类对能源的需求量日益增大，对埋藏在地下的化石能源的开采和使用有增无减。据资料：目前化石燃料的使用量占据全球能源总消费量的80%以上。而这些化石燃料的使用除了产生一氧化碳、二氧化硫、氮的氧化物、固体粉尘等污染物外，还很大程度上破坏了自然界的碳循环，使大气中的二氧化碳含量大增，带来令人恐慌的温室效应。
二、开发零碳新能源
目前人类使用的常规能源中，除水电外几乎都含碳。人们除了大量开采和使用煤、石油、天然气而外，还在大力研究可燃冰、页岩油的开采和生物质能的开发应用。但这些对抑制温室效应来说仍显南辕北辙之势。
当然，也有不少目光长远的有识学者提出了很多零碳新能源开发方案，而且不少项目已付诸实施。
核能应该说在新能源中是开发较早、技术相对成熟、发展规模较大的一个项目。1千克铀235相当于2500吨煤，1千克氘和氚相当于1万吨煤。世界上已探明的铀储量约490万吨，钍储量约275万吨。这些裂变燃料足够使用到聚变能时代。聚变燃料主要是氘和氚，海水中氘的含量为0.034克/升，据估计地球上总的水量约为138亿亿立方米，其中氘的储量约40万亿吨，地球上的锂储量有2000多亿吨，锂可用来制造氚，足够人类在聚变能时代使用。按目前世界能源消费的水平，地球上可供原子核聚变的氘和氚，能供人类使用上千亿年。因此，有些能源专家认为，只要解决了核聚变技术，人类就将从根本上解决能源问题。
风能尽管在能源比例中所占份额很小，但是一种使用很早的能源。有一种荷兰创造了风车，风车创造了荷兰的说法就是一个典型的例证。地球吸收的太阳能有1%到3%转化为风能，总量相当于地球上所有植物通过光合作用吸收太阳能转化为化学能的50到100倍。上了高空就会发现风的能量，那儿有时速超过160公里的强风。全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。我国目前正重点建设甘肃河西走廊，苏北沿海和内蒙古三个1000万千瓦级的大风场，大力打造“风电三峡工程”,将使中国成为世界上最大风力发电国家。目前的风能利用几乎都是在50米高度以下，其效率不高。如果能通过风筝或者氦气球将风能动力装置送到几百米、上千米或者更高的空间，所生产的电能完全能够满足人类目前的能源消耗。
地热能是人类又一大开发前景看好的新能源。目前绝大多数是利用天然的地表缺口流出的地热能。有人提出采用深度钻孔技术于任何地方钻至靠近地底熔岩附近300度以上的区域，至少钻2井一井注入热水一井收回地热蒸气发电。届时地热能不受位置和气候影响能提供24小时稳定基载电量的特性，建设时间、成本又远低于核能；很有望成为最具竞争力绿色能源和全球暖化的解救方案。离地球表面5000米深，150℃以上的岩石和液体的总含热量，据推算约为14.5×1025焦耳，约相当于4948万亿吨标准煤的热量。地热来源主要是地球内部长寿命放射性同位素热核反应产生的热能。地热活动的典型寿命从最低5000年到100万年以上。这么长的寿命使地热源成为一种再生能源。此外，地热库的天然补充率从几兆瓦到1000兆瓦(热)以上。显然，地热资源能够可靠、安全和可持续性地运行。在美国加州的喷泉热田，热含量保守估计至少相当于燃烧280亿桶石油或62亿短顿(1短顿=907公斤)煤所得的能量。
太阳能目前的开发和使用程度还很低，但从长远的角度来看，他可以说是发展前景最广阔的一种新能源。太阳的能量主要来源于氢聚变成氦的聚变反应，能连续产生3.90×1023kW能量。地球只接受到太阳总辐射的二十二亿分之一，即有1.77×1014kW达到地球大气层上边缘，由于穿越大气层时的衰减，最后约8.5×1013kW到达地球表面,这个数量相当于全世界发电量的几十万倍。地球上除核能、潮汐能、地热能等外，如化石能源、生物能、水能、风能、波浪能、海流能等都是由太阳能转换来的。另外还有相当大一部分以热能和光能的形势白浪费。根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的储量足够维持600亿年。从这个意义上讲，可以说太阳的能量是取之不尽、用之不竭的。如果能把这部分转化成可利用的能量，将是一个极大的数字，人类完全不必再为能源担心。但是，目前面临的问题是：1、太阳能太分散，必须寻找足够大的场地来收集和转化太阳能（如海洋、沙漠、太空等）。2、太阳能产电量随昼夜更替和季节变化而波动很大，如果能做到全球并网，可保平稳供电。3、由于技术问题，太阳能转化效率不高（14%～27%），且投入成本较大，与常规能相比缺乏价值优势。我国是太阳能制备的生产大国，但很大一部分却出口西欧诸国。4、太阳能利用形式多样化有待进一步研究和推广，如家庭太阳能利用，太阳能光解水生产氢气，人工光合作用等。
反物质的说法最近再度升温，有科学家预言：如果能找到并俘获反物质，让它与正物质接触并产生持续的强大能量供人类所用，应该是可能实现的。但不管成功与否，它都引领着人们去思考与探索。
三、力推节能措施
（一）节约能源的重要性
1、延缓能源枯竭危机
目前煤、石油、天然气的使用量占据全球能源总消费量的80%以上。据统计，世界煤炭、石油以及天然气基础储量静态可供开采的年限分别为162年、40年以及65年。当然也有其它不同的说法，但数字都是悲观的，至少最终都会枯竭的。根据目前的发展进度，要让零碳新能源占据主导地位至少要50～100年的时间，如果要完全脱离对化石能源的依赖则需要更长的时间。如果在新旧能源交替之际出现供求危机，后果不甚设想。再则，煤、石油和天然气是重要的化工原料，如果枯竭，很多产品的生产成本将大大提高。
2、减少污染物的排放
大量使用化石燃料会产生一氧化碳、二氧化硫、氮的氧化物、固体尘埃等污染物。虽然目前有不少原料和尾气的净化技术，但也难保污染物不出现，只能说是在一定程度上减少污染而已，况且原料和尾气的净化是需要成本的。此外，还很大程度上破坏了自然界的碳循环，使大气中的二氧化碳含量大增，带来令人恐慌的温室效应。
3、控制环境“熵增”
熵指的是体系的混乱的程度，在不同的学科中也有引申出的更为具体的定义，对环境来说同样如此。简单的说，熵值越大，情况越糟。人类在掘取资源，消耗能源就是在破坏环境的有序性，增大环境的混乱度，即制造“熵增”。不管我们怎样绞尽脑汁地去弥补，情况是不会逆转的。所以，不管是现在，还是科技高度发达的将来，节约能源，节约资源都是每一个地球人应该谨守的规则。
（二）节约能源的措施
能源紧缺的原因除了人类生产生活实际需求而外，还有一个重要的原因就是能源浪费，能源利用效率不高。关于人们的生活习惯问题、责任心及科学素养问题在此我不想赘述，但以下几个方面不得不思考。
1、提高能源转化效率
能源在转化和传递过程中都有损耗，所以我们提倡多用一次能源，少用二次能源。在使用二次能源时尽量提高能源转化效率。我国目前的火力发电效率偏低，还停滞在35%左右，如果能提高锅炉压力和传热性能，热电联供，余热回收，配合燃料电池可望大幅提高能源转化效率。汽车是化石燃料消耗的一个重头，然而国产内燃机热功利用效率偏低，同等条件下平均比进口车多耗油30%，如果此项技术得以提升，将为我国省下不少的石油。有资料提出，只要在汽油中加入4% 的氢气，就可使内燃机节油40%。我国及其他国家正在研发陶瓷内燃机，陶瓷内燃机能耐高温，且保温性能好，质量轻。如果真能实现并普及，用在汽车和飞机上，这也将是一个节省能源和金属资源的双赢举措。2006年我国工业用电高达21354亿千瓦时，工业企业是我国能源消费的大户，能源消费量占全国能源消费总量的70%左右。其中钢铁、有色、煤炭、电力、石油石化、化工、建材、纺织、造纸等九大重点耗能行业，其用电占整个工业用电的60%以上，但单位能耗平均却比国外先进水平高出40%。工业设计是国民经济的软肋，很多先进的生产设备依赖于进口。工业设计（特别是节能设计）如果能走在世界前列，中国的煤碳使用期限可望延长100年或者更长。
2、降低能源传递损耗
（1）电能传输
电在超导材料中传输没有电阻，也就没有电能损耗。目前科学家已经研制出不少具有超导性能的材料，但都只能在低温的环境下才产生超导性能，缺乏实用性。如果能提高材料的超导临界温度，或者能在常温下实现超导，用于电路传输，消除常规电路对电能的损耗，将带来巨大的节能效益；同时可以大大减小导线横截面积，降低材料消耗。另外，电压越高，电能在传输过程中的损耗就越小。加强超高压变压器的研究也是提高电能传输效率的重要措施。
（2）物料传输
煤在运输过程中要消耗能源和钢铁资源。如果能在低成本的条件下将煤液化或者气化，然后利用管道运输既能提高燃料的燃烧效率（固体燃烧效率低于液体，液体燃烧效率低于气体）又能大大降低运输能耗。将煤转化成电能传输也是节能的重要方法。
（3）分散化
不管是电能还是物料，运输距离越长，消耗就越大。因地制宜，在不降低生产效率的前提下建设中小型的发电站或发电装置（如家用太阳能电池），缩短距离，减少消耗。家用小型沼气池也是节省消耗的一个不错的方案。
3、研发节能技术和产品
合成氨是人工固氮的一个重要途径，然而在这个过程中要消耗大量的能源。如果能找到一种高效催化剂，让固氮在温和环境下得以实现，或者让氮气与水反应来实现固氮，减少工艺流程，将会大大减少能源消耗。以此为契机，我们会想到很多化工生产都可以用恰当的催化剂和廉价的原料在温和条件下进行。在内燃机热能很大一部分损失在金属的热传导上，如果能陶瓷来生产燃烧室，就可以提高耐热温度和保温性能，提高燃烧温度和热功效率。空调的散热器改风冷为水冷，或者将散热器与热水器联合运行，提高散热效果，减少能源浪费。厨房的锅做得更薄一些也会提高传热效果，减少燃料消耗。房屋建筑利用空心砖、双层玻璃和保温涂料，会降低空调运行时间。如果分子芯片研制成功，代替现在的常规产品，不仅能大大降低能源消耗，还能让计算机运行速度得到跨越式的提升。室内安装电子控制节能设备，人来灯自亮，人走灯自灭，人在不同的位置亮不同的灯；电视机也能感应人的存在，如果人走后会自动进入休眠状态。
四、构想零碳地球
由于目前大气中的二氧化碳含量偏高，所以我们的任务不仅仅是控制二氧化碳的排放，还要想法减少。要实现这一想法的前提条件是零碳能源极大的富余。零碳能源极大富余之后，将核能、水能、风能、潮汐能、太阳能、地热能等直接利用，或者转化成电能供给生活生产，或者转化成化学能（包括氢气）驱动汽车、飞机、火箭等交通工具。钢铁生产不再用煤，而是电解铝，再将红热的铝液倒入高度精选的铁矿中直接还原出高纯度的钢铁，其中放出的热量可用于发电，产生的氧化铝再次电解，循环使用，电解铝过程中产生的高纯度氧气又可被其他行业所用。合成塑料、合成橡胶、合成纤维等有机合成工业不再以煤、石油、天然气为原料，而是以动植物为原料。地球表面将大量种植光合作用效率高的植物，长大后除作工业原料外，不是作燃料，而是碳化后填埋在采矿下的空洞中，防止二氧化碳再次危害地球，同时防制地质灾害发生。

要实现零碳地球的构想，不仅仅是专家学者的事，还需要政府的支持和维护，国际、洲际的合作，更需要我们从生活工作中的点点滴滴做起，去践行，去宣传。相信我们的地球将天更蓝，水更绿；我们的功德将永载史册。
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