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本報(bào)記者 劉霞 綜合外電

今天的能源技術(shù)能以一己之力將我們送往零碳排放的未來(lái)嗎？對(duì)于某些人來(lái)說(shuō)，答案是肯定的——他們認(rèn)為目前的太陽(yáng)能和風(fēng)能技術(shù)已經(jīng)為我們提供了從化石燃料轉(zhuǎn)變到清潔能源所需要的一切。但越來(lái)越多人認(rèn)為，全球需要一個(gè)重大的能源“突破”，才能快速扭轉(zhuǎn)現(xiàn)有平衡，為人類提供更清潔、更高效的能源。

這些人之中最著名的要數(shù)比爾·蓋茨。近日，蓋茨在比爾及梅林達(dá)·蓋茨基金會(huì)發(fā)表的一封公開信中說(shuō)，全球人口即將達(dá)到80億，要想在不破壞地球的情況下，滿足這些人的能源需求，需要巨大的投資。

蓋茨是這么說(shuō)的，也是這么做的。據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，2015年12月初，蓋茨和阿里巴巴聯(lián)合創(chuàng)始人馬云等數(shù)十位企業(yè)領(lǐng)袖共同宣布成立“突破能源聯(lián)盟 （BEC）”，他們希望借由投資的力量，解決整個(gè)地球所面臨的最大的環(huán)境難題——全球變暖。蓋茨對(duì)此表示：“該規(guī)模為數(shù)十億美元的清潔能源研發(fā)項(xiàng)目將幫助企業(yè)將實(shí)驗(yàn)室中的清潔能源創(chuàng)新推向市場(chǎng)?！?/p>

據(jù)悉，該聯(lián)盟的主要任務(wù)就是幫助研發(fā)可靠、經(jīng)濟(jì)、不排放碳的清潔能源。除了蓋茨和馬云，支持該項(xiàng)目的其他企業(yè)家還包括臉書聯(lián)合創(chuàng)始人馬克·扎克伯格、亞馬遜創(chuàng)始人杰夫·貝索斯等。

無(wú)獨(dú)有偶，在此之前，中國(guó)、美國(guó)、澳大利亞等20個(gè)國(guó)家聯(lián)合發(fā)起了“創(chuàng)新使命（Mission Innovation）”倡議，其主要內(nèi)容包括：參與國(guó)尋求5年內(nèi)清潔能源研發(fā)的政府投資翻倍；發(fā)揮私營(yíng)部門在清潔能源投資上的引領(lǐng)作用；采取透明、高效的方式實(shí)施“創(chuàng)新使命”；共享各國(guó)的清潔能源研發(fā)活動(dòng)的信息等。

與此同時(shí)，私人科學(xué)家、工程師和技術(shù)專家們正在穩(wěn)步推進(jìn)新技術(shù)的研發(fā)工作。這些新技術(shù)將促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，為家庭供電供能，為全球的交通工具提供動(dòng)力，而且不會(huì)釋放出導(dǎo)致全球變暖的溫室氣體。

那么，這些重大的清潔能源突破究竟是什么呢？美國(guó)《基督教科學(xué)箴言報(bào)》網(wǎng)站在最近的報(bào)道中，為我們列舉了或?qū)⒏淖兦鍧嵞茉辞熬暗?大技術(shù)突破。報(bào)道指出，這些技術(shù)將改變?nèi)祟惖哪茉词褂梅绞健?/p>

電網(wǎng)規(guī)模的電池儲(chǔ)能：降低成本是關(guān)鍵

當(dāng)電網(wǎng)在20世紀(jì)初被設(shè)計(jì)和建造時(shí)，每個(gè)國(guó)家的能源需求迥然不同。近幾年，智能電網(wǎng)的使用以及可再生能源的融合產(chǎn)生了使傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施快速現(xiàn)代化的需求。業(yè)內(nèi)專家一直主張，工業(yè)規(guī)模的大容量?jī)?chǔ)能電池將提高電網(wǎng)的安全性和可靠性，并且促進(jìn)風(fēng)能或太陽(yáng)能等可再生能源的融合。實(shí)際上，許多人表示，如果不采用大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，將無(wú)法向可再生能源過渡。但大容量電池的價(jià)格一直居高不下，讓人望而卻步。

而現(xiàn)在，新型廉價(jià)電池材料正在將電網(wǎng)規(guī)模的大容量電池帶到市場(chǎng)。穆迪投資服務(wù)公司的數(shù)據(jù)顯示，大容量電池的價(jià)格在過去5年間下降了50%。專家估計(jì)，至少有3家私人公司正在給公用事業(yè)設(shè)備提供大容量電池。

美國(guó)政府的能源研究機(jī)構(gòu)——美國(guó)能源部先進(jìn)能源研究計(jì)劃署（ARPA-E）負(fù)責(zé)人艾倫·威廉姆斯說(shuō)：“當(dāng)ARPA-E開始關(guān)注電網(wǎng)儲(chǔ)能問題時(shí)，我們意識(shí)到，價(jià)格需要下降到目前的十分之一才能讓這種電池商業(yè)化。從那時(shí)開始，我們一直在投資各種創(chuàng)新性的電池存儲(chǔ)方式，而且，我們真的找到了可以降低成本的方式?！?/p>

燃料電池汽車：楊家有女初長(zhǎng)成

燃料電池汽車可以將氫的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，電池可驅(qū)動(dòng)汽車行駛300英里（約合480公里）。不過，燃料電池汽車面對(duì)和電網(wǎng)規(guī)模電池一樣的“攔路虎”——高昂的價(jià)格，這使它們猶如那在水一方的佳人，盡管有心之人想溯洄從之，但道阻且長(zhǎng)。

不過，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，這些“攔路虎”也在慢慢變得軟弱。今年1月份，發(fā)表在《自然·通訊》雜志上的一篇文章稱，美國(guó)特拉華大學(xué)和哥倫比亞大學(xué)的研究人員制備出了一種廉價(jià)的雙金屬催化劑，該催化劑由銅鈦金屬模擬貴金屬鉑的結(jié)構(gòu)制備而成，可以取代成本昂貴的鉑催化劑，大大提高電解水制氫的效率，應(yīng)用前景廣闊。

該研究首席研究員嚴(yán)玉山（音譯）說(shuō)：“我們真正希望把氫氧化物交換膜燃料電池用于汽車，使它們真正物美價(jià)廉。豐田公司2014年12月15日于日本正式上市的氫燃料電池車Mirai(譯為未來(lái))的燃料電池是2.3萬(wàn)美元?！?/p>

據(jù)悉，經(jīng)過美國(guó)環(huán)保署測(cè)試，在行駛中完全不會(huì)產(chǎn)生污染物的Mirai，續(xù)航里程達(dá)到502公里，換算成高速及市區(qū)油耗當(dāng)量為28.3公里/升。因此，豐田宣稱Mirai是美國(guó)市場(chǎng)能買到的零排放汽車產(chǎn)品中，續(xù)航最長(zhǎng)的車型，超過了同類型動(dòng)力的現(xiàn)代Tuscon氫燃料電池車（續(xù)航里程為426公里）。

德國(guó)的科學(xué)家則另辟蹊徑，采用其他方法來(lái)獲得氫。德國(guó)先進(jìn)可持續(xù)性研究院與卡爾斯魯厄理工學(xué)院的研究人員于2015年11月19日宣布，可從甲烷直接提取氫氣，而且不產(chǎn)生副產(chǎn)物二氧化碳。

在甲烷的裂解過程中，研究人員使用了基于液態(tài)金屬技術(shù)的新型1.2米高反應(yīng)器，其由石英和不銹鋼制成。測(cè)試顯示，在1200℃，反應(yīng)器產(chǎn)生的氫轉(zhuǎn)化率為78%，可以持續(xù)兩周。研究人員表示，最終反應(yīng)器有希望達(dá)到工業(yè)規(guī)模，將通過所產(chǎn)生的氫氣來(lái)供電。

研究表明，甲烷裂化相當(dāng)于水的電解，生產(chǎn)每單位氫氣的二氧化碳排放量，比蒸汽甲烷重整技術(shù)降低50%以上。初步計(jì)算表明，該技術(shù)每千克氫氣的成本是2美元至3.5美元?？茖W(xué)家們的下一步研究將集中于優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計(jì)，然后逐步擴(kuò)展到增加氫氣流量方面。如果成功，這一技術(shù)可能制造出低成本、零碳排放的氫燃料，為交通工具提供動(dòng)力。

高空風(fēng)能發(fā)電：早有蜻蜓立上頭

在公開信中，比爾·蓋茨表示，他相信世界將在未來(lái)15年中實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)能源突破，而潛在的突破之一可能是利用在我們頭頂幾公里上空呼嘯的風(fēng)能。美國(guó)環(huán)境和氣候科學(xué)家克里斯蒂安·阿切爾和肯·考德伊拉在研究報(bào)告指出：來(lái)自高空急流的風(fēng)所生成的能量是全球所需能量的100多倍。

理論上講，高空風(fēng)能項(xiàng)目因?yàn)槊芏雀?、設(shè)備輕量化、年利用小時(shí)數(shù)高，效益要顯著高于低空風(fēng)電項(xiàng)目。2013年全球風(fēng)能理事會(huì)已經(jīng)做出預(yù)測(cè)，認(rèn)為高空風(fēng)能很有可能是改變世界的能源技術(shù)。高空風(fēng)能可在不同程度上消除現(xiàn)有新能源技術(shù)的缺點(diǎn)，且具新的優(yōu)點(diǎn)，將部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)風(fēng)能，是新能源領(lǐng)域的投資熱點(diǎn)和發(fā)展方向。

近年來(lái)，高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)引無(wú)數(shù)資本競(jìng)折腰，致力于研發(fā)此項(xiàng)技術(shù)的初創(chuàng)公司獲得了谷歌和三菱等大公司以及瑞士和德國(guó)政府等的投資。早在2013年，谷歌就以Google X的名義收購(gòu)了空中風(fēng)力渦輪發(fā)電設(shè)備公司Makani Power，當(dāng)時(shí)在高空風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域引發(fā)了小小的騷動(dòng)。僅僅過去3年時(shí)間，在美國(guó)、歐洲就涌現(xiàn)了一批研發(fā)高空風(fēng)電技術(shù)的公司。經(jīng)粗略統(tǒng)計(jì)，目前全球已經(jīng)有50多家高空風(fēng)能發(fā)電公司。這50多家公司投入巨資研發(fā)高空風(fēng)電，技術(shù)路線不一。

總的來(lái)說(shuō)，高空風(fēng)能技術(shù)分為兩大類：一類是利用氦氣球等升力作用，將發(fā)電機(jī)升到半空中，在高空中將豐富的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，之后通過電纜傳到地面電網(wǎng)。這一技術(shù)路線的典型代表為Altaeros energies 的高空風(fēng)電系統(tǒng)“空中浮動(dòng)渦輪（BAT）”。這一系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)被裝在一個(gè)巨大的充氦飛艇里，上升高度約為300米左右，BAT利用高空的高速風(fēng)流，發(fā)電量比地面風(fēng)力發(fā)電裝置高一倍。2014年，美國(guó)有線電視新聞網(wǎng)推出了2014年可能改變世界的10大發(fā)明，“空中浮動(dòng)渦輪”名列榜首。

另一類技術(shù)路徑是將發(fā)電機(jī)組固定在地面，通過巨型“風(fēng)箏”在空中利用風(fēng)能拉動(dòng)地面發(fā)電機(jī)組，從而將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)地面的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。這一技術(shù)路徑可解決電纜和發(fā)電機(jī)的自重問題。意大利KiteGen公司的MARS系統(tǒng)是該類技術(shù)路線的典型代表。MARS系統(tǒng)主要由高空的拖曳風(fēng)箏和地面的發(fā)電設(shè)備兩部分組成。拖曳風(fēng)箏和地面的風(fēng)力渦輪機(jī)相連，并通過安裝在發(fā)電設(shè)備上的航空感應(yīng)器來(lái)控制風(fēng)箏旋轉(zhuǎn)的方向和路徑，以最大限度帶動(dòng)地面渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)并發(fā)電。

不過，兩種技術(shù)路徑都存在缺陷?！翱罩懈?dòng)渦輪”系統(tǒng)的缺陷主要是發(fā)電功率受限制，發(fā)電機(jī)功率增加，重量一般也會(huì)增加，升空難度加大；此外，由于系統(tǒng)整體較重，發(fā)電機(jī)組很難升到千米以上的高度。而MARS的最大難點(diǎn)在于控制發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

盡管全球企業(yè)增長(zhǎng)咨詢公司弗若斯特沙利文的最新報(bào)告認(rèn)為，高空風(fēng)能有望在2017年初進(jìn)入主流商業(yè)市場(chǎng)，但大多數(shù)專家認(rèn)為，高空風(fēng)電的發(fā)展仍有諸多掣肘，其產(chǎn)業(yè)化前景光明但道路依舊漫長(zhǎng)。

可持續(xù)生物燃料：節(jié)能環(huán)保保應(yīng)用

生物燃料一直被視作可替代傳統(tǒng)化石燃料用于汽車和飛機(jī)的潛在燃料，但這種能源的可持續(xù)性究竟如何仍然存在疑問。有研究人員指出，生物燃料的生產(chǎn)會(huì)導(dǎo)致森林濫砍亂伐，進(jìn)而助長(zhǎng)全球變暖，而且許多植物在轉(zhuǎn)變成燃料時(shí)需要大量水和能源。

不過， ARPA-E目前正在研發(fā)一些新技術(shù)，使生物燃料的生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)碳中和以及環(huán)境可持續(xù)性。威廉姆斯說(shuō)：“我們正在研究如何通過機(jī)器人、大數(shù)據(jù)分析以及遺傳學(xué)領(lǐng)域的最新知識(shí)來(lái)指導(dǎo)我們種植更好的植物?！痹谶@些實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人會(huì)收集一些作物數(shù)據(jù)，隨后，科學(xué)家們可以通過這些數(shù)據(jù)獲悉如何用更少的肥料和水種植出生物燃料作物。

另?yè)?jù)報(bào)道，挪威造紙纖維研究所與英國(guó)阿斯丹頓大學(xué)正在聯(lián)合進(jìn)行一項(xiàng)“ReShip”項(xiàng)目，旨在從木材廢料中提取可持續(xù)性生物原油，再與傳統(tǒng)柴油和表面活性劑相混合以形成一種多成分燃料，這一燃料有望顯著減少溫室氣體排放。

專家表示，隨著科學(xué)家們進(jìn)行這方面更多的研究，可持續(xù)生物燃料有望應(yīng)用于生活的多個(gè)方面。

核聚變：我的未來(lái)不是夢(mèng)

核聚變通常被認(rèn)為是人類清潔能源領(lǐng)域的“圣杯”，是解決未來(lái)能源問題的主要選擇之一。核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)高于裂變反應(yīng)產(chǎn)生的能量，所需的氚和氘在自然界中廣泛存在。另外，核聚變反應(yīng)堆比目前的核裂變反應(yīng)堆產(chǎn)生的核廢料更少，放射性污染也會(huì)在短期內(nèi)消失。數(shù)十年來(lái)，科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中苦心孤詣地研究原子的聚合，以模擬太陽(yáng)產(chǎn)生能量的方式。雖然取得了一些進(jìn)展，但利用核聚變產(chǎn)生的能量被證明要比許多人所期望的困難得多。如果科學(xué)家最終取得成功，那么人類將掌握幾乎無(wú)限清潔能源的鑰匙。

過去數(shù)月，科學(xué)家們?cè)诤司圩冾I(lǐng)域取得了一些重大進(jìn)展。德國(guó)總理默克爾于2月初開啟了迄今最大的仿星器核聚變反應(yīng)設(shè)備“螺旋石7－X”。該設(shè)備首次制造出氫等離子體，并持續(xù)放電1/4秒，向?qū)崿F(xiàn)受控核聚變邁出重要一步。

另?yè)?jù)媒體報(bào)道，中國(guó)中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）成功實(shí)現(xiàn)了電子溫度超過5千萬(wàn)度、持續(xù)時(shí)間達(dá)102秒的超高溫長(zhǎng)脈沖等離子體放電。EAST的既定科學(xué)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)1億度1000秒的等離子體運(yùn)行，但實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)面臨著眾多科學(xué)和技術(shù)（物理和工程）的挑戰(zhàn)。

另外，在法國(guó)南部馬賽附近的卡達(dá)哈什，“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃”也在有條不紊地進(jìn)行。ITER的最終目標(biāo)是建造、運(yùn)行一個(gè)可持續(xù)燃燒的托卡馬克型聚變實(shí)驗(yàn)堆，以驗(yàn)證聚變反應(yīng)堆的工程技術(shù)可行性，從而為建造聚變能示范電站奠定堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)和必要的技術(shù)基礎(chǔ)。目前國(guó)際上對(duì)ITER計(jì)劃的主流看法是：建造和運(yùn)行ITER的科學(xué)和工程技術(shù)基礎(chǔ)已具備，成功的把握較大，經(jīng)過示范堆、原型堆核電站階段，如不出意外的話，可在本世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)聚變能商業(yè)化。

專家們普遍認(rèn)為，隨著越來(lái)越多的資金和人才涌入發(fā)現(xiàn)“能源奇跡”的浪潮中，重大能源突破指日可待。