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清洁能源

ag杰克高手:能源的逻辑和下一场工业革命

董洁林:如果一系列能源技术问题不能解决,“可持续新能源纪”不一定是美丽新世界。工业革命能源逻辑是什么?下一场工业革命的特征又是什么?
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能源转换将至。它遵循什么样的逻辑?给人类造成的技术挑战是什么?可持续新能源所支撑的世界会不会更美好?这是本文欲讨论的问题。

太阳是养育地球生命的万能之能。太阳中的轻原子发生核聚变,产生大量的热和光,这些光热旅行500秒、穿越1.5亿公里,照耀在大地上,给人以温暖,让树木得生长。

太阳的光热并没能让其他行星万物生长。地球之所以形成今天的生态环境,最重要的一环是地球生物在约30亿年前就演化出“光合作用”这么一个奇妙的功能,即微生物和植物利用太阳光把水分解为氢气和氧气,并从空气中捕捉二氧化碳分子,把这些混合的分子原子转化为有机碳体,然后把多余的氧气释放到空气中。

从能量的角度来说,光合作用过程把自然中功率密度较低、较紊乱的水和二氧化碳分子转化为功率密度较高并且较有序的有机碳体物质,既增加了能量的功率密度,也减少了整个体系的紊乱程度(熵减少)。“功率密度”和“熵”是衡量能源质量非常重要的两个指标。光合作用给人类树立了一个能源操控的卓越榜样。

化腐朽为神奇的光合作用,是让地球上的生物耐以生存的最基本的“技术”。因此,地球上草木茂密生长,腐朽后的草木回归地下,亿万年累积化为煤炭、石油等化石能源。于是,人类的故事才得以开始,伟大的工业革命才能在历史长河中闪耀登场。

人类的三个能源纪

从初级能源来划分历史,人类只有三个纪元,即“草木能源纪”、“化石能源纪”和未来的“可持续新能源纪”。

人类绝大部分时间都靠草木能源赖以生存,并以此到达了农耕文明的巅峰。草木生生不息,但其生长受地域限制且每年生长的数量也有限。这个时代人们随水草而居,一个村庄或城市,需要方圆30到50倍人群聚落面积的草木以支持其日常能源消耗。“草木能源纪”城市规模的顶峰人口约1百万。

几千年前,古人就开始利用水能。他们发明的水库和水坝显著降低了水能的熵,让其变得可控、好用。这是“草木能源纪”的古人发明的一项重要的能源操控技术。

两百多年前,瓦特发明了蒸汽机,烧煤把水变成蒸汽、蒸汽驱动机器来替代人做粗笨费力的工作,于是启动了工业革命,以化石为主要能源的纪元也开始了。近几百年化石能源的利用和生机蓬勃的科技创新,让人类享受到空前的繁荣和富足,世界人口规模和人均GDP都迅速增长。同时,也产生了很多副作用,如污染、全球变暖等。

然而,化石和核裂变能源都是有限资源。未来百年,可持续新能源,如太阳能、地热/海洋热、自然机械能(风能、潮汐以及其他自然机械能)等,不得不逐渐取代化石能源成为支撑社会运转和人们生活的主力,下一场工业革命也将波澜壮阔地展开。

无论是上一轮、还是下一轮工业革命,能源和材料都是最基层的科技元素。科学家通过所发现的自然现象而发明新的能源操控技术、人们进而发明新机器和工具,从而让人类高效而充分使用能源,这是最为关键和基本的一条科技发展路径,会深刻地驱动各方面的科技和社会变化。

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