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THREE DE-CARBONIZING SCIENTIFIC BREAKTHROUGHS
脫碳化的三個科學突破

氣候變化是我們面臨的一項巨大挑戰。制造、發電和運輸行業的快速脫碳化對改善這一問題具有十分重要的作用，但也有可能因非線性效應而演變成危機。2015年，共有三項相關科學研究取得了實質性突破，這三項成果可以顯著地加快脫碳化的進程。然而，這些成果的商用性并沒有得到廣泛關注。

1．脫碳水泥和二氧化碳的商業運用

混凝土是世界上應用第二廣泛的材料，排名第一的是水。用于混凝土中的硅酸鹽水泥的制造過程會排放大量二氧化碳，排放量占全球人為排放量的5%。羅格斯大學教授理查德·里曼（Richard Riman）發明了一種新型的“固態水泥”（Solidia cement），其原材料與普通硅酸鹽水泥相同，并且可以在普通水泥制造窯中制造，不過所需的溫度更低，而且使用的石灰石更少，這就減少了制造過程中的碳排放量。與硅酸鹽水泥通過水來硬化不同，這種固態水泥通過消耗二氧化碳來硬化。由這種固態水泥制成混凝土所排放的二氧化碳比其他混凝土要低70%。到目前為止，這種新型水泥的產量已經達到數千噸。2015年，有大型混凝土公司改進了生產工藝，已使用這種新型水泥生產混凝土。這種新型水泥的廣泛應用將會大幅度增加工業二氧化碳的需求，由此帶來收集與再利用二氧化碳的強勁商業需求。

之前試圖發明低碳水泥的所有努力都未能成功，原因在于所需的原材料很難獲得，加之高昂的固定資產新投資，此外，工藝所要求的原材料的特殊屬性以及特殊應用也是可能的原因之一。固態水泥解決了所有這些問題，而且成本更低，性能更好。一件商品能在現有條件中得到快速應用的前提條件就是，簡單易用。固態水泥僅需修改生產過程中的一個步驟即可：使用二氧化碳而非水來硬化。

我們能否通過改造利用現有的基礎設施，以類似的方式降低制造鋼鐵和鋁等其他高能耗材料的二氧化碳排放量呢？為了尋找合適的替代品，有一項研究進行了10年之久，但仍舊沒有取得重大突破。因此，這些材料的脫碳化可能需要使用結構聚合物和纖維等低能耗材料重新設計產品來實現，而這一過程所需的時間更長。

2．用于不定向風的可變形風力發電機

全世界有超過10億的人口缺乏穩定的電力供應，這些人口絕大部分居住于發展中國家的農村地區。實際上，這一情況很大程度上取決于他們獲得電力的方式：是來源于可再生能源，還是化石燃料。如今，雖然風力發電是價格最低的可再生能源，但這僅僅是對于數百萬瓦的應用規模而言，對于人群分散的地區來說，風力發電機仍不太可行。如果應用規模較小，現有風力發電機的性能將會顯著下降。奧金能源公司（Ogin Energy）的沃爾特·普雷茨（Walter Presz）和邁克爾·韋勒（Michael Werle）發明了一種新型的罩式風力發電機，2015年，該發電機首次用于中等規模（100千瓦）的部署。這種新型風力發電機的葉片罩可以加快發電機的空氣流速，即使在低風速和中低等規模的條件下，也很有效，這樣便有利于分散人群和微型電網應用。

最近一項研究表明，達到可實際運用規模的風力發電是成本最低的可再生能源，其成本為80美元／兆瓦時，而太陽能光伏的成本為150美元／兆瓦時，傳統中等規模的風力發電的成本為240美元／兆瓦時，這類發電的成本過高，無法得到實際應用。新型罩式風力發電機的發電成本約為當前用于中等規模的傳統風力發電機成本的一半，如果批量生產，相比于可實際運用規模的傳統風力發電機，前者在成本上具有巨大優勢。

我們應該大量部署可再生能源設備，以在發電過程中實現完全脫碳化，以及停止使用現有的絕大部分化石燃料發電設備。風力發電設備的安裝比原子能發電設備更快、更安全，也更便宜，前者還可以與電池等電力存儲設施相結合，實現全面的部署。如果我們認真對待脫碳化，中小規模的風力發電機可以通過現有的生產設備，快速擴充為大批量生產。事實上，大部分現有生產設備是作為第二次世界大戰的軍事儲備物資而建設的。使用具有成本優勢、可用于不同規模的風力發電作為光伏太陽能發電的補充，再加上電網存儲設備，這樣便能構成一個可大幅加速市場向可再生能源轉變的發電組合。

3．用于固態電池的室溫離子電解質

目前的鋰離子電池使用的是易燃的液體電解質，或者其他有較大起火隱患的材料。絕大部分電池包含貴金屬，如鋰、鈷和鎳。一篇發表于2015年的文章介紹了由美國離子材料公司（Ionic Materials）的邁克爾·齊默爾曼（Michael Zimmerman）發明的新型聚合物電解質。這是第一種在室溫狀態下具有離子導電性的固體，具有很高的商業價值。同時，這種聚合物的安全性很高，被點燃時可自然熄滅，其產生的化學環境與液態電解質的具有本質性的不同。這種特性讓該聚合物可以支持各種新穎的負極材料，比如硫黃（容量高、質量輕、價格低），還可以支持各種新型的金屬正極材料，從而支持多價金屬，比如正二價鋅。這些使免用液態電解質且具有良好性能的電池化學過程成為可能。

事實上，這項科學突破是絕大部分電池工業計劃在21世紀30年代實施的規劃。這是一項人們一直在期盼的突破，因為固態電池更便宜、更安全，存儲的電能更多，而且可以運用塑料行業成熟的規模生產設備進行制造。

在全球由燃燒化石燃料而排放的二氧化碳中，有15%來源于汽車。新增加的汽車是使用可再生能源還是化石燃料，對于全球的碳排放量來說影響巨大。低成本、安全性高和高容量的電池可以加速交通運輸業的電氣化進程，以及大幅度提高一些國家新增車輛的電氣化程度。

21世紀，我們應該停止使用化石燃料。好電池和燃料電池的電化學所具備的潛力比一般人所知道的要大得多。電化學可以取代絕大部分化石燃料的使用。

此外，其他基于氣態和液態的技術可以通過轉換為固態來降低二氧化碳的排放量，比如制冷。當前的制冷環節主要通過“氣態-液態”的轉換來實現。我希望以后能在固態制冷方面取得突破。就像上述技術一樣，固態制冷也可以快速擴大應用規模。