科技 新浪科技 諾獎得主朱棣文:如何讓我們的家園變成可持續星球

諾獎得主朱棣文:如何讓我們的家園變成可持續星球

新浪科技 2018-08-11 10:09
朱棣文,1997年諾貝爾物理學獎獲得者、斯坦福大學物理學教授、美國第12任能源部部長朱棣文,1997年諾貝爾物理學獎獲得者、斯坦福大學物理學教授、美國第12任能源部部長

  新浪科技訊 8月11日消息, 8月10-12日,世界科技創新論壇在北京會議中心舉辦,包括Kip Thorne、Thomas J.Sargent、Michael Levitt、朱棣文在內的20餘位諾貝爾獎獲得者,以及中科院院士曹春曉、美國國家工程院院士陳剛等諸多中外頂級學者專家應邀出席,共同打造史無前例的中國最高級別智慧盛宴,探討全球科技創新成果、描繪未來中國科技創新藍圖。在論壇上,1997年諾貝爾物理學獎獲得者朱棣文教授發表題為「氣候變化和未來創新之路」的演講。

  提及氣候變化,朱棣文教授表示,自1975年以來,溫度上升了一度左右,溫度升高導致了冰川融化、海平面上升等。通過衛星,他們精確測量了南極冰川的溫度變化,發現冰川溫度在不斷升高。未來地球溫度再上升一度的話,海平面將上升6到9米左右,全球10%的人口將被迫離開他們的家園。如果我們不控制二氧化碳的排放的話,溫度將再次升高。

  那麼如何讓我們的家園變成一個可持續的星球呢?這就需要我們利用可持續能源,隨著技術的發展,到2023年,每一個風力發電機可以達到50兆瓦。目前在世界上可持續能源發展最好的地方,價格已經降到兩美分一度。但風力發電的同時,需要儲電設施、電力運輸設施等配套發展,朱棣文教授表示,中國目前在這一領域取得了巨大成就。他認為,未來我們可以將機器學習,人工智慧等可以應用到電力儲存、運輸設施等方面。

  提及新能源汽車,他表示他正在和斯坦福大學崔毅(音譯)教授合作開發新型電池,這種LiCoO2電池儲存的能量將遠大於鋰電池,充電五分鐘既可以行駛256千米。(河雨)

   以下是演講全文:

  朱棣文:很高興來到這裏,我們這次是一次科技的論壇。但邀請我的是並不是這次會議的主辦方,這是題外話了。我今天不想講科學研究的理論,我的科學研究現在做得不錯,我們現在有一些新的發現,我們也合成了一些新的物質。同時進行了細胞中的神經傳輸,那麼第一次的幾厘米內,可以在這樣一個神經元上進行傳輸。這裏面會有兩個、四個和六個,這樣一個動力,使用的就是一種新的平衡的動力學來實現的。

  那麼正是這樣一種研究,就可以讓我們通過一種和傳統不同的方式來分析數據,來展示出二、四、六,動力的不同的分支。這就是我最近做的一個研究,非常令人激動。

  今天我想講另外一個話題,這個話題讓我感到激動,也讓我感到很鬱悶。首先我跟大家講一下氣候變化方面我們的發展,以及在科學技術和工程方面,我們究竟可以做哪些事情來改變我們的世界。(詳見PPT)首先來看一下氣候變化的風險,這是1850年-2017年的全球溫度變化,從這上面可以看到自從1975年以來,全球大部分的新聞升高是在1975年以後,基本上上漲了0.95攝氏度,接近1攝氏度了。那麼儘管科學表明在70年代、80年代以前,很多氣溫的升高也有一些展示,但往往是一種噪音。但是在1975年之後這個氣溫的升高比較明確,到現在已經升高了1攝氏度左右了。

  你可能會說溫度升高就會使得冰川融化、海平面上升,確實如此。那你可以在其他的地方,比如說阿拉斯加的冰川照片,一個是1941年、一個是2001年,這兩個冰川的圖片完全不一樣。但是對於氣候變化最準確的測量方法就是使用衛星,隨著冰川的變化,尤其是格林藍島和南極冰川的融化,可以用衛星進行識別,這是我們最新的數據。這就是2002年-2009年的衛星數據,藍色是說明南極和北極的冰川的融化,在我們做這樣一個測算之前,我們當時有一種感覺,就是南極的冰川會增加,因為溫度升高就意味著水更多的會被蒸發,更多的蒸發就意味著會有更多的雨雪,而且南極很冷,按道理說冰川應該是在增加的。但是我們現在通過我們的衛星測算卻發現,南極的冰川卻在減少。

  那麼我們回到人類上一個溫暖的時代,比今天大概到1攝氏度。當時海平面上升了多少呢?如果是溫度升高1攝氏度,我們現在海平面升高多少?通過地質的數據顯示,如果溫度再升高1度的話,海平面會上漲6米到9米。這樣的增長,我們過去可能認為需要幾百年才會發生,但是在最近的幾百年以內,有可能由於溫度的上升會使得海平面上升6-9米。如果海平面上升6-9米的話,差不多全球人口的10%將要被迫遷移,這是聯合國的目標。

  我們可以有哪些期望呢?這是美孚的出版物,展望未來2040年,上面一條就是一切不改變,當然現在我們已經有所改進了。而下面這些是一直持續到2100年,也就是我們的碳排放不斷減少帶來的結果。看這個縱軸,上面有個零,美孚、殼牌和其他所有的油氣公司,他們就決定為了實現聯合國的目標,全球總的碳排放量,包括物流、交通、處理,等等,必須在2070年、2080年變成負值,才能滿足聯合國兩攝氏度的目標。

  那我們現在的進展如何呢?有一個相對比較樂觀的預測,就是紅線,和上面的這條線不太一樣。但是毫無疑問,這和聯合國目標所實現的碳開放還是有很大的差距。我們把所有累計的排放加在一起,到2100年,這就是聯合國排放的目標。你可能會說,有50%的可能性,全球的溫度上證1.7-1.8攝氏度,有2/3的可能性溫度維持在兩攝氏度以內。還有50%的可能性,全球的溫度提升超過2攝氏度以上。這是聯合國設計的紅線,這邊講的是累計的排放,為什麼累計排放這麼重要呢?而不是年度排放。因為一旦大氣中有二氧化碳的話,其中一半很快會被土地和海洋吸收,所以有一半的排放已經被處理和吸收掉了。另外一半在地面和海洋會不斷地循環,這樣的循環需要幾千年、幾萬年。也就是說我們今天碳排放會在未來幾千年、幾萬年帶來影響。從全球來看,我們看到有更多的熱浪、更多的缺水、更多的乾旱,美國的加州在去年就有17次森林大火,而且在加州冬天的時間也越來越短,在過去30年始終看到這樣一個現象。所以這些事實就變得越來越明確,而且在世界上不同的地區都逐漸的展示出來,包括歐洲也有越來越多的熱浪。我們的感覺就是,這些極端的氣候現象在未來將繼續,並且將變得更為頻繁。

  下面講講好消息,那就是科學和創新。如何讓我們的世界變成可持續的星球呢?我下面想簡單談談風能和太陽能。

  我想將的一個關鍵點就是在世界上那些可再生能源發展最好的地方,在沒有補貼的情況下,比如說我供電給你,給你定一個電價,當然這個電價對於這個供電公司是有著利潤的。那在世界上可持續能源發展最好的地方,現在的成本已經降到了2分-2.5分/度,在中東的有些地方的太陽能的成本,包括利潤在內只有2美分了。在有些地方,這個價格會進一步的下降,風能和太陽能的單位成本會下降到每度,2030年的時候2美分以下。而且我們看到風力發電機越來越大、效率越來越高,這樣它們就可以產生更多的能源。而且在2023年,每一個風力發電機可以產生的電能可以達到50兆瓦,大家可以看到風輪的直徑、半徑也越來越大,中間是空客的380,大家可以看一下這個風力發電機越來越大,相當於是空客380翼展的3倍,而且60%的時間這個風力發電機都可以進行發電,也就是說,這是技術帶來的進步。儘管60%的時間可以發電,但這也並不能保證時時刻刻都有電,所以這需要有著非常複雜的發電基礎設施、儲電設施、配電設施、輸電設施,中國在長距離的發電配電方面是全球領先的國家。黑色是高壓輸電,要麼是100萬伏,要麼就是直流高壓輸電,黑色是交流輸電,紅色是直流輸電,尤其在中國東北,也到了中國的中部,在輸電的過程中損耗只有5%,所以這邊雖然不是超導,但是它是一個非常高壓的直流輸電線,可以減少電能的損失。

  也就是說使用這些高壓輸電的網路,能夠給我們帶來巨大的機遇,中國就在這方面取得了巨大的成就。如果沒有這些輸電網路,那就要做儲電了,這張圖反映了最好的儲電系統,有太陽的時候和風的時候,就用這個能源,把水抽到罐子裏面,沒有太陽、沒有風的時候要用電的話就打開水閥,這就是水能儲電。中國在這樣一個領域也希望成為全球的領先者,水能儲電,這是中國到2020年之前的「五年計劃」,水電的發電將達到380GW,同時水利儲能將達到40GW,到2025年水能儲電將達到90GW。其實水儲藏在一個比較高的一種位置,它所產生的這種電能能夠達到90幾瓦,但是儲能的度數要比這個高很多了。

  再看一下電池,在澳大利亞南部,最大的電池儲能廠也就是100MW,90GW和100MW的差別還是很大的,水能儲電的成本只有電池的1/10。所以長距離的高壓輸電網路,再加上風能、太陽能、水能儲電確實給我們帶來巨大的機會。同時中國也希望把這種水力發電站,歐洲也在把挪威、北歐的一些水能發電站與風能、太陽能發電聯繫在一起。

  所以說雖然可再生能源是時斷時續的,但是你可以通過儲能的方法來實現全天的電力供應。這個系統當然是非常的複雜,講到機器學習、人工智慧,尤其是非結構化的機器學習,也在應用到非常複雜的能源輸電以及配電的系統中。我們知道機器學習,尤其是非結構化的機器學習,它並不是由圍棋大師教它們怎麼下圍棋,而是由機器自己對弈,下幾百萬次之後就知道如何獲勝。這就是機器學習,通過這樣一種學習機器就可以狂勝世界上頂尖的圍棋大師。我們可以看到圍棋大師下第一場的時候都要哭了,他說我是在和後院下棋,但是AlphaGo是在和整個宇宙下棋。這是Deep Learning通過機器學習的AlphaGo,我們可以通過這種研究用到風能的開發,可以避免很多的能源損耗。中國在這方面做得很好,在加州我們的可再生能源是30%,到2030年會佔到50%。同時,能源的使用將有50%來自於可再生能源,所以說全球而言30%的能源可以來自於可再生能源,比如說中國和歐洲都是可以實現的,美國也是可以實現的,但是我們需要機器學習在這方面發揮作用。

  電動汽車,電池的價格大幅度下降,從2005年到2016年大幅度下降。特斯拉的巨型電池廠,可以把電池的儲能成本大幅度降低。而通用汽車到2020年,每一度的成本可以達到100,而且電池的原理沒有發生大的變化,但是其實有一些新的創新,我們知道第三代、第四代的電池很多研究員正在努力地探究,這是斯坦福大學的崔屹教授,我在和他合作,他想打造一個硫鋰電池,現在還沒有問世,但是它的是高於現有的電池的,現在的電池是每千克250的能量密度,但是如果使用這種新電池的話,可以達到750。所以說比現有的電池首先要輕3到4倍,用這個電池來推動電機的話,如果放在汽車上,那麼這樣一個車比兩升的內燃機車的重量還要輕。通過使用這種電池你可以做這種小型車,而且還可以一次充電跑好遠,當然我們也正在做這方面的研究。

  這樣一來,我們也可以減少電池電量的損失,這樣一來還可以使得充電的速度加快。而且在充電的時候不會讓電池過熱,這樣一種新型的電池只要5分鐘就可以讓電池充電跑150英里。這個連接器和我們現在的加油的油槍其實是差不多的,也不會做得過大。我們現在所需要的就是讓電池讓充電的時候減少內部的一個阻力,我們現在也正在努力,正在研究這種材料。我們想用硫來做這個材料,因為硫的成本非常低。可以降低電池成本。如果用鈷來做的話,鈷的價格很高,所以沒有辦法量產。

  我和崔屹很快會出版一個論文,這個論文中我們將研究從鹽水中來提取鋰。這個能源的成本非常低,而現在鋰的市價還是比較高的,所以如果通過這種方式提取鋰的話,它可以極大的降低成本,可以把鋰的供給提升四個量級,可以讓鋰在未來很長一段時間保持一個低的成本。所以說這樣一種技術也給我們帶來了新的機會,使得這個電化學領域帶來了新的機會。什麼意思呢?我們說氫氣現在用的最多的,如果是你跟原油在煉油廠聯合起來加工的話,就可以產生高質量的成品油,包括航空燃油、汽油、柴油,但現在經濟主要是來自於甲烷,但是產生氫氣的過程中也產生大量的二氧化碳。你可以通過簡單的化學辦法,把水轉化成氫氣和氧氣,如果水轉成電的成本每一度是4美分的話,那麼這個生產氫氣的成本是很高的。但是如果每度的成本只有2美分的話,那麼氫氣將成為一個非常有前景的能源,因為我們知道現在在未來可以使用可再生能源實現電的成本達到2美分/度,這樣一來就給分解氫氣帶來了一個非常巨大的機會。因為在未來電價,尤其是來自於風能和太陽能的電價會大幅度降低,所以給我們打開了很多的機遇。

  給大家舉個例子,這是我們一個學生Jun Li。這是人的肺部,我們吸入氧氣,然後把氧氣傳輸給身體的細胞裏面,產生二氧化碳。這就是人的一種新陳代謝的現象,然後二氧化碳再回到肺部,通過薄膜再呼出。我們想象一下電化學,這裡有兩個電極,其中正極會有電子、有氫。另外一個電極有氧氣。

  我們舉個例子,假設說這裏面有一個催化劑產生氫氣和氧氣,這裏面的分子會逐漸的形成一個氣泡,逐漸的增大。你需要能源打破氣泡表面的張力,隨著氣泡的增大它也會阻礙催化的作用,讓這樣一種反應的速度減緩。所以,這個氣泡其實對於這種水的電解是不利的,但如何把這種氣泡消除呢?我們來看看人的肺部是如何工作的。這就是肺部的隔膜,有水、有催化劑,正是由於這樣一種物質的存在,可以使產生的這種氣泡,不管是什麼樣的氣體都可以從這種溶液中出來。這樣的話就不會產生氣泡,它就可以避免對於表面張力的這種克服。它是如何運作的呢?如果你使用這種廉價的聚合物,它就可以在很多程度上消除這種氣泡的現象,讓這個氫氣和氧氣加速它的一種化學反應,所以比我們現在最優狀況下的這種電極作用效率提升四倍。但是此外還有一些其他的好處,因為講到氫氣和氧氣,你想到它的一個幾何的形狀,可以從這張圖上看出,這邊有催化劑,一邊是產生氫氣,一方面產生氧氣,這是我們所需要的。那也可以使用不同的催化劑,所以這裏面我們更多的考慮的是表面的一種幾何形狀。如果你使用這種纖維素的話,它也會讓這種催化的作用減緩。

  所以最好的一個系統就是使用這種微觀的物質,大概只有1毫米的1/10,用一個網狀的結構,為什麼是網狀結構呢?當然這個成本很低。因為首先你希望它的高度達到10米,但是又希望通過100微米的間距把電極隔離開,因為你發現如果你這種電極做得大的話,帶來的這種成本就會很高,產生的催化的成本就很高。但是你通過這樣一種設計,就可以形成一種3D結構,來增加催化面積,使得化學反應的效率更高。由於電在未來會越來越便宜,同時加上這樣一種新的結構,就可以通過電解的方式產生氧氣和氫氣,一方面獲得氧氣,一方面獲得燃料。

  在我講下一個話題之前,我想先提醒各位,一旦有了氫氣、有了氫,氫是一種很好的燃料,因為它的產物只是水。但是氫,你要進行存儲和輸送,尤其是高密度的存儲和輸送是非常困難的,現在如果你買氫能源汽車的話,你可能會在這個罐子裏面充這種高壓的氫。彼得,他是德國的一個科學家,他就在思考這種有機的液體來儲藏氫,這裡有3個苯環,你在這裏面加入氫的話,你可以在有機液體中加入6個氫原子,如果用這種方式儲存的話,那麼氫的儲存的密度和液氫的儲存密度非常的類似,我們知道NASA火箭的太空梭使用的燃料就是液氫,但是要求的存儲問題非常低,但是在室溫條件下它的儲存容量和液氫基本上持平,這樣的話就可以把有機液體放在油箱中或者放在管道中進行輸送,使用氫的話就做一個反向的化學反應就好了。在常溫下、室溫下可以把氫再提取出來,這是我們氫電池未來的一個目標。可以實現氫的引擎,效率達到95%,接近現有的內燃機的燃燒效率。

  講到液氫的儲存,前面提到了幾個前提條件,首先就是太陽能、風能的成本越來越低,同時有新的電解技術。另外又可以在罐中,通過這種新的方式進行儲存和傳輸,保證傳輸的安全,需要使用的時候就可以把氫提取出來。為什麼這些都這麼重要呢?因為21世紀所面臨的挑戰就是要把二氧化碳和水產生的這種產品通過熱學,通過電學,各種各樣的辦法,再把它變成我們所需要的比如說氫氣、氧氣,最後還可以讓氫氣和氧氣通過業態的方式儲存,如果能進行儲存的話,這比化學電池的儲能要好得多。我們可以把它想象成一個長距離的航線,它是在太平洋中間輸送能源的,現在的原油就是通過這種油輪進行輸送的。比如說中國進口石油,需要的時候進行精鍊,那可能會說從其他各國進口石油的成本是多少呢?那就是每加侖兩美分,非常低。所以我們說如果把能源以液態的形式、以高密度的形式進行儲存的話,是能源儲存的關鍵。很多地方沒有辦法中做水利儲能,這很好,但是很多國家沒有辦法做水利儲能。如果能源能夠以液態的方式進行輸送儲存的話就可以完全改變我們的世界。

  前面我已經談到了這個紅線是我們未來的展望、預測。也可能是10年之後、20年之後,全世界,甚至包括美國在內終於清醒了,認識到氣候變化是我們面臨的一個嚴峻的挑戰。但是請記住,別說要保持兩攝氏度了,在三攝氏度以下,我們首先一定要進行碳的捕獲。從化工廠、發電站進行碳捕捉,從空氣中進行碳捕捉,我覺得也可以通過自然的方式來實現。為什麼呢?因為考慮到世界排放的二氧化碳,30億噸-50億噸。再看一下農作物和植物通過光合作用,還有草地上的草來吸收的二氧化碳,它們其實是空氣中產生二氧化碳的兩倍。當然大部分的植物它死亡之後,又會產生二氧化碳,又會產生甲烷。但是如果你把這些死亡植物的殘餘收集起來,把它捕捉起來,把它變成一些其他的物質,在這樣一種過程你也可以把碳來進行一個封存和捕獲。這樣以來就會真正的實現負的碳排放,這就是我們面臨的另外一個挑戰,如何讓這樣一種過程在經濟上也具有可行性,當然技術上它是可行的了,當然在經濟上如何進行可行呢?這就是未來科學家所面臨的挑戰了。

  我就講這麼多,謝謝各位。

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