全球變暖與人類能源的未來

全球變暖與人類能源的未來

文/張昊

全球變暖

2017年6月2日，世界多家媒體報道稱，特朗普總統聲明美國將退出《巴黎協定》。這條新聞發布後的24小時之內，各國主要媒體相繼發布了數條相關報道：奧巴馬前總統對特朗普政權的這一決定表示反對；特斯拉CEO馬斯克宣布退出總統商業顧問團隊；德法意等國表示不可能重新展開談判；脫離《巴黎協定》引發特朗普政府內部嚴重分裂；專家表示美國退出《巴黎協定》將促進世界其它國家在氣候變化問題上的團結等等。

可以說，美國的這一決定，不僅引爆了包括全球輿論，更實實在在的傷害了各國民眾的感情。那麼，《巴黎協定》到底是一個什麼樣的協議？它會對我們的生活產生怎樣的影響？人類能源的未來又在何方？

全球變暖達成共識

各國簽署《巴黎協定》

想必全球變暖這一說法大家應該都不會陌生，在將近30年的持續監測與研究之後，科學工作者們已經可以斷言，不僅全球變暖是正在發生的現實，而且人類的生產生活更是造成全球變暖的關鍵性因素。那麼人類又是通過怎樣的方式造成全球變暖的呢？ 然而，如今的小學生都能說出的正確答案，人類卻經過了一代人的時間才讓真相最終浮出水面。

大約在上世紀後半葉開始，地球各地陸續出現一些異常的物候現象乃至極端天氣現象。例如，兩級冰川消融導致的地球海平面上升，極端天氣災害多發，農業生產遭受影響，荒漠化加劇，熱帶地區蟲媒傳染病擴散，珊瑚礁異常死亡，森林火災頻發等等。人類逐漸注意到引起這些現象的原因都與氣候變暖存在一定關係，雖然地球氣候在地質時期中確實存在某些周期性的溫度漲落，但如此短期內（一兩百年間）的急劇溫度變化還是令人費解。於是，科學家們開始懷疑自工業革命以來，人類生產活動中排放的具有溫室效應的氣體是造成這一現象的原因。

（左）地球變暖導致北極冰蓋消融，北極熊難以輕鬆覓食 （右）非洲旱災

在聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）主導下，多個科學家團隊歷經多年研究，相繼出版了五部關於氣候變化的調查報告。1990年公布的第一部調查報告認為，存在人類活動排放的溫室氣體引起氣候變化的可能性。到2001年第三部調查報告時，結論已經變成溫室氣體引發氣候變化的可能性較高。而2013年的第五部調查報告，則明確指出，人類排放的溫室氣體引發氣候變暖的可能性大於95%。這已經在事實上明確了，人類工業革命以來的生產活動是造成溫室氣體排放和地球氣候變暖的直接誘因。

聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）五份報告書的結論總結

石油、煤炭、天然氣等化石燃料在燃燒過程中產生的二氧化碳，飼育家畜過程中其消化道排出的甲烷，工業生產中排放的氧化二氮以及人工合成的氯氟烴類製冷劑是當前溫室氣體的主要來源。二氧化碳約佔整個溫室氣體總量的76%，在大部分情況下可以被理解為是溫室氣體的同義詞。甲烷的排放主要發生在飼育家畜以及垃圾填埋的過程中，特別是飼育家畜會大量產生甲烷氣體。甲烷具有更強的溫室效應，而且飼育肉用家畜在可以遇見的未來，必定會隨著發展中國家生活水平的提高而變得更加普遍。不過好在甲烷的溫室效應並未高到不可接受，整體的排放方面也只佔到溫室氣體總量的16%。氯氟烴類製冷劑具有極強的溫室效應，所幸各國已經達成協議，2050年之前將在全球範圍內停止應用。可見，二氧化碳乃是溫室氣體中的主要組成部分，遏制二氧化碳的排放，就能從根本上扭轉全球變暖的趨勢。

大氣層中的二氧化碳含量只有區區0.04%，卻扮演了地球空調一般的重要角色。二氧化碳彷彿一層溫室薄膜，將來自太陽的熱量蓄積在地表，延緩其向宇宙空間逸散的速度。如果缺乏這萬分之四的二氧化碳，地球表面的平均溫度將從現在的14°C降低到-19°C，人類能夠生存的地域面積將大大縮小，如今的中高緯度地區可能都將變成冰雪覆蓋的不毛之地，可見相當微小的二氧化碳含量就能對地表溫度造成強烈影響。然而近一百多年以來，大氣中二氧化碳的含量已經達到1750年的140%。照此趨勢預測，2100年左右，地球平均氣溫將在2000年水平的基礎上增加0.3～4.8°C。

常見溫室氣體的暖化係數、含量佔比、性質以及用途

因此，人類應對氣候變暖的關鍵，還在於大力減少化石燃料的使用，以期減少二氧化碳氣體的排放。具體而言就是開源節流，一方面積極開發新能源及相關技術，降低對化石燃料的依賴；另一方面盡量提高能源利用效率，減少無謂浪費。

在這一背景下，2015年12月12日，聯合國氣候變化大會在巴黎召開，聯合國氣候變化框架公約195個締約國一致同意通過《巴黎氣候變化協定》。這份協議的簽署，標誌著全球氣候治理開啟了新的歷史階段，它的簽署和生效，將是全球應對氣候變化的關鍵一步。這份協議確立了2020年後全球共同應對氣候變暖的行動方針，並提出了一系列明確的減排目標。例如，協議提出，本世紀中將全球平均升溫控制在工業革命前的2 °C以內，爭取控制在1.5°C。到2030年，全球溫室氣體排放要從2010年的500億噸降到400億噸。同時，不少國家也提出了本國的減排方案及具體指標。例如，中國提出到2030年，本國單位GDP的二氧化碳排放量要在2005年的水平上下降65%，並將非化石能源在總能源結構中的比重提高到20%左右，力爭在2030年前後達到二氧化碳排放峰值。

然而，美國現任總統特朗普，卻在奧巴馬政府已經正式簽署協議不到一年，以協議內容損害美國利益為由退出該協議，震動了全球各國。世界各國政府高層都在特朗普公布退出決定後表達了自身立場，指出各國仍將團結前行，絕不退縮。

人類能源的未來——新能源技術

從科技角度而言，人類應當如何實現節能減排，轉變發展方式的目標呢？新能源技術的開發和利用，將從根本上緩解化石燃料造成的二氧化碳排放，乃是關乎人類未來命運的重大命題。

新能源技術，包括傳統意義上的水力發電、核能發電、太陽能發電、風力發電、地熱能發電，也包括生物質能發電、潮汐發電、以及電解水制氫、光催化制氫、玉米澱粉制酒精等。以上技術的共同特點是產生電能或化學能的過程不依賴於化石能源的燃燒，或整個生產過程中所依賴的能量來源不以化石能源產生的電力為主。例如，如果用風力發電獲得的電力電解水生產氫氣，然後用氫燃料電池驅動汽車，就可以認為是清潔的能源生產和消費流程，因為整個過程中都不存在碳排放，最終的反應產物是水。但是，若是用火力發電產生的電力來電解水制氫，就不能認為是嚴格意義上的新能源技術，畢竟火力發電本身是存在碳排放的。

（左）內蒙古草原上的風力發電機組 （右）蘇格蘭某小鎮屋頂的太陽能面板

關於新能源技術的研究，不光是清潔電力的產生技術，更包括利用清潔能源的產品開發。新能源汽車就是其中最為主要的一個方面。

新能源汽車主要分為三個類別，混合動力車，純電動車以及氫燃料電池車。其中的混合動力車並不能認為是真正的清潔能源產品，因為混動車的行走不光依靠電池給電動機供電，大部分情況還需要汽柴油驅動內燃機來實現，電池僅僅可以起到節約燃油，減少排放的效果。不過，混合動力車綜合了電動機和內燃機的優勢，且在技術上已經非常成熟，可以不依賴清潔能源補貼政策實現盈利。豐田公司旗下的混合動力車已經在今年年初實現了一千萬部的銷量，遠遠超過其它競爭對手，其中日本市場就消化了500萬輛。根據豐田提供的數據，相比傳統的內燃機車型，二氧化碳排放量減少了約7700萬噸，汽油消耗量減少了約290萬升。

純電動車在本身的運行過程中不會產生任何碳排放，但是目前的電池技術在容量和充電速度上存在瓶頸，這直接導致純電動車在性能上的表現差強人意。普通的車款僅能維持非常短的續航距離，並且充電速度相當慢，遍布城鄉的充電站網路也尚未建立起來。因此目前的純電動車技術和相應的配套設施還不夠成熟完善。

由於氫燃料電池唯一的排放產物是水，氫燃料電池車與純電車類似，都可以實現二氧化碳的零排放，且續航能力優秀，不存在純電車的續航焦慮。雖然現有的氫氣獲取途徑仍然可能消耗大量電力，但隨著再生能源電力等相關技術的進步以及加氫站等基礎設施的大規模建設，一個立足於不依賴於化石燃料的未來氫能社會將很有可能在本世紀中葉前得以實現。

（左）氫燃料電池車的工作原理 （右）日本豐田公司的氫燃料電池車「Mirai」

人類能源的前景自從上世紀兩次石油危機開始就一直被悲觀氣氛籠罩，上世紀末以來，全球變暖及其機理的最終確認又給化石燃料的使用帶去陰霾，最終，人類將不可避免的選擇新能源作為未來的能源發展方向。這不僅是為了避免地球變暖趨勢的進一步加劇，更是為了避免耗盡化石燃料的窘迫。在本世紀中，新能源領域尚有多個潛在的突破點。例如，太陽能電池的效率很可能取得突破，太陽能成為主要的清潔能量來源。儲能技術的進步可以使風能、潮汐能、太陽能等清潔能源的生產與儲存更為便利。材料科學和化學的進步可以使高效的光催化分解水製造氫氣成為可能。最後，可控核聚變很有可能在本世紀中得以實現，這將是人類能源領域的終極革命，無盡的清潔電力將會徹底改變人類的生產生活方式。

（左）中國建造的托卡馬克核聚變實驗裝置 （右）德國建造的仿星器核聚變實驗裝置

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