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回顾人:飞树先生

科学一课 A Class, A Moment of Science.

酝酿思考,互相轰炸,享受这一刻。

2011年11月21号,星期一,北京气温在刚刚过去的这个周末降到了零下,很多人选择在下班或者放学以后赶去参加一场叫做《草梗里的能量小宇宙》的讲座,来讨论一个能产生温暖的话题——新能源。

这场讲座同时也是科学松鼠会“科学一课”的第15课,本期的课代表田不野先带大家复习了一下新能源的概况。新能源大致可以分为三个类别:太阳光能源、地外引力能源和地球能源。

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首先是太阳光能源,其实我们目前常用的传统能源,比如石油和煤炭,也可以认为是太阳能,只不过是远古时候的太阳能,是不可再生的。除了直接利用太阳照射发电以外,风能、水能和生物质能,也都是来自太阳的能源。

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上面的示意图画的是我们生活的环境,有天有地有水有河流,这个是以太阳为主的能量的循环。大部分的太阳光能到达地球,之后会加热空气,空气的流通会形成风,风能已经成为现在比较流行的新能源之一。太阳还会使海洋、河流的水蒸发,上升形成云,下降形成雨,进而在陆地形成地表径流,产生我们可以利用的水能。太阳同样支持了地球上各种生物的生长,如果对这些生物质能加以利用,同样也是新能源的一种。至少到现在为止,太阳能都被认为是一个取之不尽用之不竭的能源。

除了太阳还有没有别的能源?有人会想到月亮能源——当然不是白月光,而是潮汐能,也就是我们说的地外引力能源。

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地球上的海洋有潮涨潮落,是因为月亮绕着地球的旋转和地球的自转。月球和太阳对海水的引力方向跟着三者的相对位置变化,引起了水圈的涨落,形成的潮汐能早就被我们利用了。

当然了,地球也不是只会靠别人提供能源,还有一些能源就是地球自身携带的,地热就是其中一种。地热是由地球内部的一些核反应产生的,我们不满足于地热的效率,所以想办法开采地球上的放射元素,利用这些放射元素去发电,这就是核能。

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“能源危机”的说法已经提出很久了,但是我们真的“缺乏”能源吗?其实不缺,无论是太阳的、月亮的还是地球上,都有很多能源。以太阳能为例,人类一年所消耗的能量,大概相当于7分钟时间内照射到地球上的太阳光的能量。我们缺乏的,其实是“可以利用的能源”,我们守着太阳光能、潮汐能、地热能这些“能源宝库”,却不能很好地开采、储存和运输,这是我们需要研究的内容。

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上面这张图的横座标是单位质量的物质含有的能量,纵座标是单位体积的物质含有的能量。当然越靠近右上角的能源越好,比如液态的氢和汽油、柴油;越靠近零点的越差,比如木头和草梗,都不是很好的材料,但是他们的量很大,如何把这些大量存在的低能量密度的能源,加工转化成高能量密度的能源,这是目前新能源研究中的一个热点,也是今天这一课的任课老师橡树村的研究方向。

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橡树村老师先回顾了一下人类利用能源的简史。伴随人类最久的利用能源的方式就是火,从远古时代开始,目前可以找到的人类最早使用火的证据,是在南非的一个洞里,距今百万年。到了距今40万年前的时候,欧洲已经出现了猿人的避风所,在一个木头搭的小棚子中间,有一个火堆的痕迹,这是目前确认的人类控制火的痕迹。在南非南海岸的一个山洞里,还发现了14万年前人们控制火做饭的痕迹。

在人类历史的绝大多数时间里,为人们提供能源的都是生物质能,到了最近十几年,生物质能变成了新能源的形式被重新提出来。生物质能有这么几大类:

1, 农业废弃物。比如不能用于成材的木头,还有今天的主题——草梗这样的东西,甚至包括一些畜牧的粪便和人的粪便。

2, 专门种植的能源作物。比如以生产生物柴油为目的的种植,在陕西铜川已经有了用花椒油生产生物柴油的工厂,在美国有一部分玉米也是作为能源作物来种植的。另外还有一些草本植物,比如大象草,也是能源作物。

3, 有机垃圾。城市里的人每天会制造很多的垃圾,有很多的能量是可以回收利用的。垃圾利用还有一个新名词叫“城市采矿”,从垃圾里面不仅仅可以提取出能源,还有其他的利用,比如可以从计算机里面提炼出黄金,这方面的应用目前还存在成本过高的问题。

最近一些年,生物质能的利用逐渐被淘汰掉了,因为按照传统的燃烧的方式来利用,它有很多的麻烦。一是污染,烧柴火的时候,由于燃烧不完全,会产生大量包括二恶英在内的有机污染物,另外还有一氧化碳和可吸入颗粒物。当然,人类开始讲究环保、健康并没有多久,淘汰生物质能的更重要的原因是效率太低。城市对于能源的需求非常旺盛,人类聚居形成城市,烧木炭取代了直接燃烧柴火。木炭的使用更加方便,代价是效率变得很低,每生产一个单位的木炭需要消耗六到十个单位的木头,大部分的能量都在生产过程中毫无疑义地消耗掉了。

另一方面,城市里对木炭的使用加剧了对森林的砍伐。2000年前的罗马,人口已经接近百万了,每年需要30平方公里的森林资源来维持这个城市的木炭的使用。随着工业的发展,木炭的量逐渐显得不够用了,在工业化的先驱英格兰,1620年全境的炼铁能力是一年18万吨,因为没有木头,到1720年炼铁能力缩减到了1.8万吨。

到了18世纪中后期,森林被大面积采伐,已经开始对气候产生了影响,但木炭仍然不足以满足工业生产的需求,所以人们开始使用煤。在那之前非洲也有开采煤矿的例子,但是煤的大规模使用是在1750年以后。同时,木炭的使用还在持续上升,在19世纪末期达到了高峰之后开始下降,直到20世纪初期还有一定的使用量,后来才逐渐被淘汰。也就是从19世纪末期到20世纪开始,欧美的森林逐渐开始恢复。

本来木头作为能源已经退出历史舞台了,到了70年代,又作为新能源被提了出来,原因和它的淘汰很相似——石油危机。美国从一百年前开始提出“石油危机”,石油危机实际上不是担心石油被用光,而是廉价的石油会不会没有了。现在石油价格是每桶100美元左右,成本很高,所以木材作为生物质能源又重新有了市场竞争力,人们才重新考虑这方面的技术。

生物能源是可再生能源中唯一的一个物质性能源。它的一个利用方向是发电,但是电能的储存目前还是很大的问题。另一个方向就是用来生产像石油产品一样高能量密度、便携的生物燃料。

随着70年代的石油危机,全世界都在生物燃料方面开始了一些尝试。到了90年代中后期,生物燃料已经基本上进入市场了。做的最快的是用粮食生产乙醇,中国用玉米和木薯,巴西用甘蔗,这是第一代生物燃料。火了两年之后,第一代生物燃料开始遇到反对的声音,原因很简单,它的生产原料是人类的粮食。像美国这种人口密度比较低的国家,还可以承受用粮食生产燃料,但在中国,拿粮食来换燃料并不合算。

第一代生物燃料的另一个问题是减排效果非常差,需要使用化肥、农药的种植过程和需要精馏的生产过程都会产生大量的碳排放,于是人们开始讨论第二代生物燃料。

既然不想与人争粮、与人争地,就开始考虑用一些没有用的东西。河北附近一公顷生物质总产量十几吨,玉米和秸秆的比例是1:1,而秸秆的用处并不多,可以拿来生产燃料,还可以在不适合农业生产的地方种植一些能源作物。对于秸秆,因为种植的时候不是以生产这个副产品为目的的,所以在算碳排放的时候就算到粮食里了。

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橡树村老师做的领域属于第二代生物能源的一个分支,是采用将生物质气化,得到燃油的方式。目前这种工厂都有两个特点:规模大,投入高。南非的一个工厂每天生产的油量是16万桶,1976年建设这个工厂的总投资占到了南非当年GDP的8%,1979年在扩建的时候,投资占了当年GDP的7%。壳牌今年在卡塔尔建了天然气的工厂,生产规模是14万桶/天,投资是180亿美元,占到了卡塔尔经济总量的11%。

如此大的规模和如此高的投入,必然导致一些问题,其中一个就是建设周期比较长。所以最近几年有一种思路是建很多个小规模的工厂,起步投资很小,建设期短,审批和融资都比较容易。另一个好处是,在生产过程发现了问题,可以在下一个工厂里及时改进,很快地实现技术进步。这种思路目前的问题是,大工厂已经把优势发挥到了极致,如果要做小工厂,必须对工艺做很大的改变。

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上图是橡树村老师在国内做的项目,对生产工艺做了很大的简化,并且可以达到和传统工艺同等的整体效率。这个工厂还具有调峰的功能,在用电低谷期以油的形式把电储存起来。

橡树村老师还做了一套概念性的工厂,叫做BeauTi-fuel,这个装置可以整个装在一个40尺的集装箱里,从气化、压缩到分离都包括了。这个概念已放到在德班召开的联合国气候变化大会(COP17)上展览,到了明年,会按照这个概念做一个真正能运行的工厂,每天处理一吨左右的干生物质或者垃圾,得到一桶油。依靠本身的发电来维持这个装置的运行。如果可行的话,以后会把这个工厂放大,成为一个有经济价值的东西。

在橡树村老师介绍完了自己做的探索工作之后,受到了一些观众的“挑战”。问出“如何保证产出能量大于投入能量”的同学,显然不满足于橡树村老师“我那个工艺没有问题”的回答,进而追问道“有数据支持吗”,橡树村老师胸有成竹地说明了自己的数据:一吨的干生物质原料可以得到一桶油,总体上转化率是40%。

除了生产效率,另一个被提到的问题是生产过程中的碳排放,由于涉及到碳的工艺都会产生二氧化碳排放,所以这个排放需要和传统的石油产品的生产工艺相比较,只要优于后者,就是有助于减排的工艺。橡树村老师坦承自己“取了个巧”,这个装置对于碳排放的问题,在进行生命周期排放计算的时候,因为使用废料作为原料,不需要计算生产原料时产生的碳排放。

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关于“新能源”这个话题,大家的热情出乎意料地高,现场有不少相关专业的听众提出了一些很专业的问题,更多精彩的提问和回答,也许只有视频才可以表现他们的风采吧。

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以下为问答环节的三段视频

Staff:淳子、桔子、飞树、滕青、郑然、晓风微微、Veronica。

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One Response to “科学讲座回顾:草梗里的能量小宇宙”

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