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THREE DE-CARBONIZING SCIENTIFIC BREAKTHROUGHS
脱碳化的三个科学突破

气候变化是我们面临的一项巨大挑战。制造、发电和运输行业的快速脱碳化对改善这一问题具有十分重要的作用，但也有可能因非线性效应而演变成危机。2015年，共有三项相关科学研究取得了实质性突破，这三项成果可以显著地加快脱碳化的进程。然而，这些成果的商用性并没有得到广泛关注。

1．脱碳水泥和二氧化碳的商业运用

混凝土是世界上应用第二广泛的材料，排名第一的是水。用于混凝土中的硅酸盐水泥的制造过程会排放大量二氧化碳，排放量占全球人为排放量的5%。罗格斯大学教授理查德·里曼（Richard Riman）发明了一种新型的“固态水泥”（Solidia cement），其原材料与普通硅酸盐水泥相同，并且可以在普通水泥制造窑中制造，不过所需的温度更低，而且使用的石灰石更少，这就减少了制造过程中的碳排放量。与硅酸盐水泥通过水来硬化不同，这种固态水泥通过消耗二氧化碳来硬化。由这种固态水泥制成混凝土所排放的二氧化碳比其他混凝土要低70%。到目前为止，这种新型水泥的产量已经达到数千吨。2015年，有大型混凝土公司改进了生产工艺，已使用这种新型水泥生产混凝土。这种新型水泥的广泛应用将会大幅度增加工业二氧化碳的需求，由此带来收集与再利用二氧化碳的强劲商业需求。

之前试图发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难获得，加之高昂的固定资产新投资，此外，工艺所要求的原材料的特殊属性以及特殊应用也是可能的原因之一。固态水泥解决了所有这些问题，而且成本更低，性能更好。一件商品能在现有条件中得到快速应用的前提条件就是，简单易用。固态水泥仅需修改生产过程中的一个步骤即可：使用二氧化碳而非水来硬化。

我们能否通过改造利用现有的基础设施，以类似的方式降低制造钢铁和铝等其他高能耗材料的二氧化碳排放量呢？为了寻找合适的替代品，有一项研究进行了10年之久，但仍旧没有取得重大突破。因此，这些材料的脱碳化可能需要使用结构聚合物和纤维等低能耗材料重新设计产品来实现，而这一过程所需的时间更长。

2．用于不定向风的可变形风力发电机

全世界有超过10亿的人口缺乏稳定的电力供应，这些人口绝大部分居住于发展中国家的农村地区。实际上，这一情况很大程度上取决于他们获得电力的方式：是来源于可再生能源，还是化石燃料。如今，虽然风力发电是价格最低的可再生能源，但这仅仅是对于数百万瓦的应用规模而言，对于人群分散的地区来说，风力发电机仍不太可行。如果应用规模较小，现有风力发电机的性能将会显著下降。奥金能源公司（Ogin Energy）的沃尔特·普雷茨（Walter Presz）和迈克尔·韦勒（Michael Werle）发明了一种新型的罩式风力发电机，2015年，该发电机首次用于中等规模（100千瓦）的部署。这种新型风力发电机的叶片罩可以加快发电机的空气流速，即使在低风速和中低等规模的条件下，也很有效，这样便有利于分散人群和微型电网应用。

最近一项研究表明，达到可实际运用规模的风力发电是成本最低的可再生能源，其成本为80美元／兆瓦时，而太阳能光伏的成本为150美元／兆瓦时，传统中等规模的风力发电的成本为240美元／兆瓦时，这类发电的成本过高，无法得到实际应用。新型罩式风力发电机的发电成本约为当前用于中等规模的传统风力发电机成本的一半，如果批量生产，相比于可实际运用规模的传统风力发电机，前者在成本上具有巨大优势。

我们应该大量部署可再生能源设备，以在发电过程中实现完全脱碳化，以及停止使用现有的绝大部分化石燃料发电设备。风力发电设备的安装比原子能发电设备更快、更安全，也更便宜，前者还可以与电池等电力存储设施相结合，实现全面的部署。如果我们认真对待脱碳化，中小规模的风力发电机可以通过现有的生产设备，快速扩充为大批量生产。事实上，大部分现有生产设备是作为第二次世界大战的军事储备物资而建设的。使用具有成本优势、可用于不同规模的风力发电作为光伏太阳能发电的补充，再加上电网存储设备，这样便能构成一个可大幅加速市场向可再生能源转变的发电组合。

3．用于固态电池的室温离子电解质

目前的锂离子电池使用的是易燃的液体电解质，或者其他有较大起火隐患的材料。绝大部分电池包含贵金属，如锂、钴和镍。一篇发表于2015年的文章介绍了由美国离子材料公司（Ionic Materials）的迈克尔·齐默尔曼（Michael Zimmerman）发明的新型聚合物电解质。这是第一种在室温状态下具有离子导电性的固体，具有很高的商业价值。同时，这种聚合物的安全性很高，被点燃时可自然熄灭，其产生的化学环境与液态电解质的具有本质性的不同。这种特性让该聚合物可以支持各种新颖的负极材料，比如硫黄（容量高、质量轻、价格低），还可以支持各种新型的金属正极材料，从而支持多价金属，比如正二价锌。这些使免用液态电解质且具有良好性能的电池化学过程成为可能。

事实上，这项科学突破是绝大部分电池工业计划在21世纪30年代实施的规划。这是一项人们一直在期盼的突破，因为固态电池更便宜、更安全，存储的电能更多，而且可以运用塑料行业成熟的规模生产设备进行制造。

在全球由燃烧化石燃料而排放的二氧化碳中，有15%来源于汽车。新增加的汽车是使用可再生能源还是化石燃料，对于全球的碳排放量来说影响巨大。低成本、安全性高和高容量的电池可以加速交通运输业的电气化进程，以及大幅度提高一些国家新增车辆的电气化程度。

21世纪，我们应该停止使用化石燃料。好电池和燃料电池的电化学所具备的潜力比一般人所知道的要大得多。电化学可以取代绝大部分化石燃料的使用。

此外，其他基于气态和液态的技术可以通过转换为固态来降低二氧化碳的排放量，比如制冷。当前的制冷环节主要通过“气态-液态”的转换来实现。我希望以后能在固态制冷方面取得突破。就像上述技术一样，固态制冷也可以快速扩大应用规模。