- 程序有所改变。发帖如还有问题请报告
- 【征集】西西河的经济学，及清流措施，需要主动参与者，『稷下学宫』新认证方式，24年网站打算和努力目标
主题：【翻译】可再生能源－－消除温室效应 1序 -- hwd99
家园 【翻译】可再生能源－－消除温室效应 1序 可再生能源―消除温室效应 1序
作者 Davud JC MacKay
新浪博克上备份，参见：
http://blog.sina.com.cn/s/articlelist_1504575200_3_1.html
翻译稿
这是一本非常通俗的介绍，适合大众和对可再生能源了解不多的读者，也适合专业人士。本书给出了定量分析，有助于大家全面了解问题。一年前翻译了部分，后因事停下。少部分曾放到新浪博克上，为了完整，这里一并推出。译者并不完全赞同作者的分析，会加入一些译者的评论。
欢迎大家转载此译文（作者欢迎转载），如需出版，请与译者联系。
译者注
部分评论（这里仅翻译了少许，读者可参见原文）
寻求安全、可靠和可再生能源是这个时代赋予我们的关键挑战。我们需要多少能源，其中从可再生资源中能够获得多少？David MacKay使用公开数字，通过公开分析寻求答案。他的结论显示我们的选择非常困难，必须马上行动。关心我们如何获得能源的读者，将发现本书提供了最好答案。任何人，想影响能源政策，不管是在政府、公司和竞选团队中，必读本书。面对未来挑战，本书技术上准确，通俗易懂。它将是我今后很多年案上核心参考书。
Tony Juniper 地球之友前执行官
非常吸引人，信息量大，结论新颖。
Peter Ainsworth 英国下院议员，环境、食品和农业部预备部长
David MacKay此书驱散了在能源需求和气候变化方面误导和废话。本书可读性强、通俗易懂，阐述全面
Graham Stuart 下院议员
本书出自能源领域专家，澄清了大量事实，观点客观，向人们展示了各种低碳替代方案。政策制定者、研究者、私人投资决策者和非政府组织将从本书获益。
David King爵士，英国皇家学会会员，2000－2008年英国政府首席科学顾问
昨天开始阅读本书，今天我将工作放在一边，以便继续阅读本书。它非常有趣和吸引人， 没有废话，非常有价值，我在忙于将它发送到我所认识的每一个朋友。
Matthew Sullivan， 碳顾问集团公司（上市公司）
致那些将不能从地球20亿年储存的能源资源中获益的人们
前言
我对消除英国在可再生能源方面的废话感兴趣。每个人都说，脱离化石燃料非常重要，我们鼓励大家改变，但是很多事情导致我们无法改变。
人们废话太多，情绪化严重（例如风能发电场和核能），没有人谈论真实数字，使此刻充满各种胡说八道。如果提到数字，有些人就会选择那些给人们一个夸大印象的数字。人们在争论中选择观点，而不是进行深层讨论。
本书是一本直白讨论数字的书。目的是指导读者在各种误导的环境中作出改变，并用于推进政策。
本书免费
我写此书不是为了挣钱。我写它，因为可再生能源非常重要。如果您想为个人目的使用本书，请到网上下载，网址：www.withouthotair.com.
本书免费的第二层含义，你可以根据特许（under the Creative Commons Attribution-Non-Commercial-Share-Alike 2.0 UK: England & Wales Licence），使用本书除了卡通和署名照片之外的所有资料。非常欢迎您在教学中使用本书。我在网上还上载了本书高质量图，供大家下载。
如何使用本书
某些章节以引文开始，不要认为我赞成引文观点，这些引文也许是用来作为批评的靶子。
在本书末尾，开始章节配套有较长的技术章节，它们从254页开始。
每一章末尾，是进一步注释，参考文献来源。我发现注释放在正文会分散人们对正文注意力，因此，本书不使用脚注。几乎每一个主要观点都会在该章末尾加上注释，提供来源和进一步阅读材料。
正文中也包括指向网址的链接。当网址很长时，我用符号替代，对应的连接放在第344页以后。
欢迎反馈和更正，我知道我有时候会做蠢事，在本书早期版本，某些数字少了因子2。我希望错误能进一步减小，我还在不断学习可再生能源，以便更新本书中某些数字。
如何引用本书：David J.C. MacKay. Sustainable Energy – without the hot air. UIT Cambridge, 2008. ISBN 978-0-9544529-3-3. Available free online from www.withouthotair.com.
图： http://www.inference.phy.cam.ac.uk/sustainable/book/tex/ps/individual302/
Davud JC MacKay
目录
第一部分 数词，不是形容词
1 写作动机
2 平衡单
3 汽车
4 风能
5 飞机
6 太阳能
7 制热和制冷
8 水力发电
9 灯光
10 海上风能
11 小电器
12 波浪发电
13 食物和农庄
14 潮汐
15 原料
16 地热能
17 公共服务
18 我们能依靠可再生能源？
第二部分 采用新方法
19 每一个大帮助
20 更好的交通系统
21 聪明的制热方法
22 有效使用电能
23 可再生燃料？
24 核能？
25 依靠其他国家可再生能源？
26 波动和能源储存
27 英国5个能源计划
28 成本预测
29 现在做什么
30 欧洲、美国和世界能源计划
31 我们应讨论的最后一件事情
32 说是
第三部分 技术部分
A 汽车II
B 风能II
C 飞机II
D 太阳能II
E 加热II
F 波浪II
G 潮汐II
H 原料II
第四部分 有用数据
I 快速参考
J 人口和面积
K 英国能源历史
网页连接
参考文献
索引
关于作者 剑桥大学物理系教授，他在剑桥大学学习自然科学，在美国加州理工学院获得计算神经系统博士学位。回到剑桥大学达尔文学院作为皇家研究员。在机器学习、信息原理和通讯系统方面，包括发明使用语言与肌肉通讯的Dasher软件，研究工作国际知名。1995年以后，在剑桥大学讲授物理学，2005年以后，很多时间用于给公众讲授能源。他是气候变化世界经济论坛全球议程委员会成员。
本帖一共被 4 帖 引用 (帖内工具实现)家园 为什么我们可以依赖太阳能 为什么我们可以依赖太阳能
吴辉先生提出了一个观点，就是太阳能已经完全被用于加热地球等作用了，按照热力学第二定理，无法被用来作为人类的动力能源了。在此基础上论证可再生能源不可靠，因而主张停滞是硬道理，按照这个结论，人类今后的发展方向就需要重新大调整，回到过去的农业社会。但是，这个观点并不正确。这里简要分析，为什么说太阳能完全被利用了的观点是错误的，我们可以依赖太阳能：
1、 热力学第一定理告诉我们，能量是守恒的，既不能产生，也不能消灭。也就是说，太阳光能即使变成电能，用做动力能源，也都会变成热能，用来加热地球，最终变成低温热能。这与太阳能直接被地面吸收，变成热能的效果是一样的，也就是利用太阳能产生电能，不会对地球温度产生影响。很多人都错误理解了热力学第一定律，包括某些能源专家。例如，下面这个故事据说是实际发生的，话说一个单位要安装一台大型计算机，一位著名的能源专家起初认为空调功率应依据房间面积，按照普通房间设计，不需要考虑计算机散热功率。而实际上，计算机工作时，需要输入电能，这些电能最终都变成热能，所以，计算机需要散热，其散热量等于电能输入量，计算机房空调设计时，需要考虑计算机散热。
2、 太阳光不是热，更不是低温废热，它是一种光能，经过大气吸收和反射，约40%能量损失了，一部分被大气吸收为热能，还有一部分被大气反射到太空，平均还有60%左右能量到达地面。通过光伏装置，理论上太阳光转换为电能的效率可大于70%，实际商业化产品的效率，普通硅电池超过10%，砷化镓多结电池可大于30%；通过聚光光热装置，通常可以获得温度大于2000摄氏度的高温热源，然后发电，实际系统做出的效率也达到近30%。这些都有很多商业产品，大量安装发电了。但是，安装量离取代燃煤电厂，供应人类电力还差之甚远，还需要大幅度增加安装量，还需要改进效率，降低成本。
3、 植物利用太阳能的效率是太阳光能转变为化学能的效率，理论上不超过4－6%，实际效率低于1%，大多数植物的效率低于0.1%。这方面有大量的文献和试验研究工作。
4、 热力学第二定理说的是高温能源可以转换为机械能，转换效率与热源温度有关，热源温度越高，理论效率就越高。它与光能转换为电能的效率无关。
5、 关于土地面积：到达地面的太阳能超过目前人类需求1万倍以上，在发电效率可以达到30%情况下，只需要1%以下土地就可以，对中国来说，以前简单估计过，需要5万平方公里左右沙漠，就能生产出足够的电能。
6、 关于储能：太阳能主要是昼夜不均匀，可以使用储热解决。增加储热，国外规模化的试验表明，光能转换为电能效率会下降1－2%。
7、 关于成本：成本高是相对化石燃料，当化石燃料走向枯竭，价格会不断上涨，总有一天会有价无货。所以成本不是关键问题。关键问题是投入到太阳能系统制造上的能量，能不能小于太阳能系统收集的能量，能不能有净能量产出。如果投入的能量大于输出的能量，显然就没有意义。这方面有大量评估，特别是太阳能光热系统，一般还是认为有净能量产出，值得投资的。
附吴辉原文：
那么太阳能有多大的潜力？未来的太阳能利用，包括热水器之类的热利用，和光伏发电之类的电利用，都不可能超越绿色植物。
第一是土地面积。光伏发电的场地，绝对不可能有绿色植物那么大，把菜地、田边、屋角的每一寸空地都利用上。还有就是海洋，海洋也有藻类的光合作用，这个是人类无法达到的。绿色植物用尽了地球的每一寸土地，这是极限，是任何光伏发电之类的人工装置，所无法达到的极限。
第二是成本。光伏发电的硅片，需要制造，需要消耗额外的矿物能源，需要投入人工的管理。但是绿色植物，不需要人类的管理，完全自动自发。不需要任何成本。光伏发电成本高，决定其繁殖复制能力差，不可能演化成为固定太阳能的主导者。
第三是储能。绿色植物依靠葡萄糖储能，二氧化碳 和水随时随地都能供应，非常方便。光伏装置靠什么储能？目前最大容量的人工储能装置，是抽水蓄能。设计一高一低的两个水库，利用低谷电，把水从低库抽到高 库，在用电高峰时，把水放下去发电，弥补高峰负荷的不足。这个非常损失能量，但也是人类已经能够想出的储存能量的最聪明的装置。那么光伏发电所发出来的能 量，能不能用抽水蓄能呢？
我们有一个最大的抽水蓄能装置，就是太阳把全世界的水，全部抽到天上，从天上落下来。你那个光伏发电，还经过了转化损耗，抽水的能量能比得上太阳直接照射吗？你那个面积还那么小，怎么可能比得上太阳照射在整个地球上的抽水能量呢？
但是整个太阳的抽水蓄能，能有多大？这个抽水蓄能就是水力发电！这个已经被我们所利用完了！但是水能只占到整个人类能源消耗的8%！
第四是固能的效率。绿色植物是光能常温转化为化 学能，这是能源转化的极限。用水蒸气推动涡轮机发电，所排出的废气中，温度非常高，这一部分废气的能量没有被完全利用。但是绿色植物的能源转化，废物是在 常温下被排出，已经被榨干了每一滴能量。这个被榨干了的废物中的能量不可能再被利用，否则就违背了热力学第二定律。
第五是能源利用的精确性。我们把光伏装置所发出的电，用来推动汽车空调电梯，这简直是一个笑谈。汽车空调电梯，都是矿物能源大量爆炸的产物。一旦矿物能源没有了，靠太阳能装置所固定的那点可怜的能量，还能用来推动空调？
穿棉袄，不用电，岂不更节省？
穿棉袄也能保暖，但这个效率比空调不知道高到哪里去了。空调的 制热，把整个房间都加热了，这多浪费？但是穿棉袄，我们只加热一点点东西，就是身体。身体本身的暖气，其实就是食物燃烧所生发。食物来自太阳能。所以太阳 能对能源的利用，通过食物链传导，这个效率比人工固能的光伏发电装置，要精确得多。
绿色植物的太阳能，只养住生命的本身，没有任何的能量浪费。在这个精确性面前，任何人工的太阳能固定装置，都将破产。
第六，太阳能其实已经完全被利用完了。根据太阳 常数1.367千瓦/平方米来估计，说地球能接收到太阳174亿万千瓦的能量，也就是相当于在地球上能建1亿个174万千瓦的电厂。这个数字看起来大，实 际上没有任何意义。因为太阳常数所估计的，是整个照射到地球的太阳光所包含的能量，这个能量大部分被逸散出去。被逸散出去的这一部分能量其实人类不能利 用。人类能够利用的，只能是太阳光的初始强度和逸散强度之间的差值。也就是说，太阳光照射到地面，能够利用的这一部分，都是名花有主，都对 地球的一切包括环境、生物、气候产生了作用。没有太阳的持续照射，地球两天之内就会降到零下160度。让地球稳定在常温，耗掉了大部分的太阳常数。而加热 地球之后的已经衰变的太阳能，人类却已经不能再用。那个能量已经到了常温，没有人类所能介入利用的动力表现。人类能截取的能量，一定要在常温之上，有动力 表现，譬如风能、水能、绿色植物（绿色植物内含动力）。没有动力表现的能量，按照热力学第二定律的推理，就是不能再利用的废热。所以站在热力学第二定律的 高度，就知道，太阳能其实已经被人类完全用尽。超越热力学第二定律，去把废热利用起来，是不可能的。
本帖一共被 1 帖 引用 (帖内工具实现)家园 评诺奖获得者米歇尔《扯淡的生物燃料》 诺奖获得者米歇尔《扯淡的生物燃料》姜临建 全文翻译诺奖获得者米歇尔教授的新近一文
译者注：哈特穆特米歇尔，德国生物化学家，因研究光合作用反应中心蛋白复合体的立体结构而荣获1988年诺贝尔化学奖。米歇尔教授于今年3月12日的德国《应用化学》杂志撰文发表了“The Nonsense of Biofuels （扯淡的生物燃料）”一文，直言生物燃料的缺陷。征得米歇尔教授同意，以及德国《应用化学》杂志社的授权，现将其全文翻译如下，敬献国内读者。按照要求，在此声明本文的英文原文的详细信息是：Hartmut Michel.2012. Angewandte Chemie International Edition. 51, 2516-2518. Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Reproduced with permission. DOI:10.1002/anie.201200218 德国《应用化学》杂志在其网站也将收录该文如下的中文版。
扯淡的生物燃料
Hartmut Michel 哈特穆特米歇尔 （E-mail: [email protected]）
化石燃料，例如石油，煤炭和天然气，都是古代沉积的动植物和微生物的遗体演变而来。因此，从能量来源的角度讲，化石燃料其实是光合作用的间接产物。
由 此，人们自然的联想到能否利用目前存在的生物质来生产生物燃料，例如生物柴油、沼气和生物氢气。关于生物燃料的好处，我们经常读到文章讲它是一种二氧化碳 中性的能源，也就是说不会增加大气中二氧化碳的浓度，所以有助于缓解全球变暖；并且生物燃料能够降低汽油和天然气的进口量，从而降低许多国家能源的海外依 赖率。本文中，我将展开讨论生物燃料生产中的能量转化效率，并从能量转化效率的角度将生物燃料与其他的清洁能源生产进行比较，从而得出一些显而易见的结 论，并提出我个人的一些看法。
光合作用的能量转化效率（从太阳能到生物能）
首先，有必要讨论一下光合作用的能量转化效率,以及通过提高光合作用来提高生物质产量的途径。光合作用包括两个部分，一是光反应，二是暗反应。在光反应中，植物通过光合色素吸收太阳光的能量并将其聚集到反应中心。然后通过电子和质子传递合成了生物体中通用的能量载体分子三磷酸腺苷（ATP）和具有还原能力的辅酶Ⅱ（NADPH）。换言之，在这个过程中植物吸收的太阳以ATP和NADPH的形式储存起来；然后在随后的暗反应中，植物利用ATP和NADPH中所存储的太阳能将从空气中所吸收到的二氧化碳和从土壤中吸收的水合成为碳水化合物。
植物光合色素只能吸收和利用太阳辐射能量的47%，因为绿光，紫外光和红外线等波段的能量不能为光合所利用。理论上讲，合成一个NADPH分子需要8个光子的能量；但是事实上则需要9.4个光子。根据一个光子所携带的平均能量计算，光合作用在理论上仅仅能将11.8%的太阳能通过合成NADPH的形式存储。因此，11.8%也将是生物氢气生产中的太阳能转换效率的上限。
不幸的是，从能量转化效率的角度讲，光合作用在弱光条件下最高。在20%的日照强度下，光合作用即达到最高值，意味着在晴朗的夏日正午日照最强的时候，80%的太阳能竟无法为光合作用所利用。其理论上的原因很可能是由于光合反应中心的电子传递的限制造成。更为不幸的是，在高光强条件下，光合反应组件“磨损”加剧，以至于其中的一个叫做D1蛋白的组件，植物一小时得更换三次！生物学上将这种现象称为“光抑制”。显然，“光抑制”现象是对太阳能的极大浪费；但是在经历了漫漫35亿年进化后的今天，光合作用终究也没有克服“光抑制”。
暗反应的过程也同样存在严重的能量浪费。这主要是由于将二氧化碳还原成碳水化合物的RuBisCO酶，时常错误的将氧气作为反应对象，导致了大量能量被用于纠正这一错误，其比例高达植物所吸收的太阳能的1/3！另外，暗反应的高效进行需要充足的水，但是很多时候植物处于缺水状态，极大的降低能量转化效率。
考虑到光反应和暗反应中的种种限制因素，4.5%的太阳能转化效率是C3植物的光合作用的理论上限。现实的农业生产中，即使是杨树一类的速生树木，其太阳能转化效率仅仅在1%的水平。
生物燃料
根据生物燃料的单产（公斤/公顷）以及生物燃料的能量密度（焦耳/公斤），我们可以轻松的计算出生物燃料生产过程中太阳能的转化效率。其结果是，德国的生物柴油（油菜籽加工而来）含有低于0.1%的初始太阳能，生物乙醇低于0.2%，沼气大约是0.3%。值得注意的是，这些数值没有扣除生产中投入的额外能量（包括生产相应化肥和农药的能量投入，耕作、播种、施肥、喷药、收获和运输的能量投入）。这些能量投入超过了生物燃料本省能量的50%，并且主要来源于化石燃料。因此，生物燃料并非是完全二氧化碳中性。特别是，当使用小麦和玉米作为原料生产生物乙醇时，其额外的能量投入更高，以致于许多科学家认为从生物乙醇的能量中扣除额外的能量投入后，结果接近于零。可以肯定是，通过使用生物燃料来降低二氧化碳排放， 其作用杯水车薪。以整株植物为原料来生产生物燃料的第二代技术，可以将生物燃料的单产翻番，但是也需要更多的额外能量投入。例如，在“费托合成”的方法生 产合成气（一氧化碳和氢气的混合气体）时，生物源的合成气中氢气含量偏低，需要添加额外的氢气。总结说来，通观单位土地上太阳能到生物燃料的转化效率，我 的结论是，生物燃料生产的土地利用效率极其低下。巴西通过甘蔗来生产酒精也是一样。
生物燃料的替代途径
目前商业推广的太阳能发电面板的能量转化效率已经达到了15%的水平。这些电能，绝大部分都可以被有效的存储到蓄电池中。从太能转化效率来看，太阳能到蓄电池的效率是太阳能到生物燃料的150倍！并且，如果用蓄电池驱动车辆，80%的能量将转化为驱动能量；而生物燃料中只有20%的能量转化为动力。因此，从太阳能到驱动能量，光伏发电/蓄电池/电动机这一组合的太阳能利用效率是生物燃料途径的600倍！
提高光合作用的效率
诚 然，提高光合作用和生物质产量是有一定空间的。首先，通过改造光合色素来扩大有效光合波段具有理论的可能性，例如将紫外和绿光变成光合有效辐射就是一个方 向。另外一个更加现实的途径是，通过改变光子收集原件和光反应中心的布局来优化电子传递速度、降低光抑制现象以及提高光合作用的光饱和点。在暗反应方面， 目前有研究表明，红色蓝藻在碳水化合物合成中对二氧化碳结合的专一度要比植物高，从而降低了暗反应过程中的能量浪费；因此这一途径很可能也会提高高等植物 在碳水化合物合成过程中的能量利用效率。
当前生物氢气的生产主要是利用氢气合成酶在光合系统I（光反应中的两个系统之一）中富集电子的一侧合成氢气。如果能够将具有分解水能力的光合系统II也利用起来话，通过分解水来生产氢气，就可以将目前的能力转化效率提高一倍，明显提高与光伏太阳能发电的竞争能力。但是，从目前蛋白质工程的技术水平上看，其实现遥遥无期。
当 前普遍看好以蓝藻作为原料生产生物燃料的潜力。但是许多人对该体系的太阳能转化效率的估计过分乐观，有些数值甚至已经高于光合作用中能量转化的理论上限。 我承认与高等植物相比，蓝藻体系具有两大优势，一是所有细胞全部参与光合作用，二是充足的供水。但是，其限制条件也相当明显：1）光反应中的“光抑制”， 2）暗反应中的能量浪费，3）养殖和收获蓝藻以及随后的生物燃料生产过程中的巨大额外能量的投入。
展望
前面已经叙述了提高光合作用能量转化效率对提高生物燃料能量转化效率的重要意义，并且提高光合作用能量转化效率也是提高作物产量、保证全球食品安全的重要途径，但是这些都不能挑战光伏发电/蓄电池/电动机这一系统突出的高能量转换效率的地位。目前，对于光伏发电/蓄电池/电动机这一能量转换系统，其主要限制因素是当前蓄电池的电能储存能力水平较低。但是，近年来的蓄电池技术的发展取得了令人欣喜的进展；例如本杂志就报道的一种硫－锂－铁的新型电池1，其蓄电能力是普通锂电池的10倍！ 该技术一旦实现商业化，那么配有该电池的电动汽车，其充电一次的行使里程将等同于传统燃油汽车一箱汽油的里程。同时，这种高效储能电池也是储存电能的一项 有效手段。在更远的将来，当常温超导材料实现商业化后，也许就不需要进行大规模的储存电能。届时，全球范围内的位于不同时区的光伏发电场将通过超导电缆连 接成一个整体，从而实现持续不断的电力供应。
建议
种 植能源植物生产生物燃料将不可避免的与粮食作物争地，同时考虑到该系统低下的太阳能利用效率，我们不应将宝贵的耕地和水资源用于生物燃料的生产。种植能源 作物将不可避免的推高粮食价格，加剧贫困人口的粮食危机。最好利用生物质的方式之一是生产高附加值的化工原料。即使利用生物质直接燃烧来取暖或者发电，也 比通过生产生物燃料来驱动汽车或取暖要好的多。生产生物燃料过程中所投入的额外的化石能源，也应该直接用于交通运输。
通 过在热带雨林地区种植棕榈树来生产生物燃料是一项非常危险的方案。因为热带雨林土壤中的泥炭将被暴露在空气中，与氧气反应形成二氧化碳，其结果是释放出的 二氧化碳将比棕榈树所吸收的二氧化碳还要多。同时，热带雨林在全球气候中起着极其重要的作用，并且也是宝贵的药用植物资源库。从降低大气二氧化碳浓度的角 度来讲，我们更应该做的是将种植能源植物的土地改造成森林；因为在1%光合太阳能转化效率条件下，一平方米的森林可以从大气中吸收2.7公斤的二氧化碳，而如果用同样一平方米的能源作物来生产生物燃料的话，将最终导致0.31 公斤的二氧化碳净排放量！
电动车一定是个人交通工具的未来。
参考文献1J. Hassoun, B. Scrosati, Angew. Chem. 2010, 122, 2421–2424; Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 2371–2374.
本文引用地址：http://blog.sciencenet.cn/blog-368242-564427.html
评论：
作者评判的标准之一是效率。从效率来谈，可以看出很多问题，比较关键的问题之一是能判断这种途径所能提供的资源量。效率低，在有限的地球表面，能生产的生物燃料总量就无法满足人类的需要。
作者提到的另一个标准是净能量，但其采用的数据是错误的。在没有化石燃料的情况下，我们可以燃烧生物质或生物质燃料生产过程中产生的废渣发电和产生热能，解决生产过程中能耗，从而能够依靠光合作用产生的生物质生产生物燃料，在巴西生成的甘蔗酒精，就利用蔗渣生成电能和热能，不仅满足甘蔗酒精生产的需要，而且输出部分电能，这就证明，我们总是可以在没有化石燃料的情况下，生产生物燃料，因为地球上能量的最终来源，除地热能和核能外，基本来自太阳。也就是说，这种方法定义的生物燃料的净能量总是正的。当然，这种生产方式下的结果是生产生物燃料的效率进一步下降。同样道理，在上述生产过程中，是不会增加二氧化碳的，作者认为生物燃料生产也许会增加二氧化碳排放也是错误的。
人类行为的唯一决定因素是经济性，或者更具体的说，是生产成本。地球表面本身存在大量生物质，其总量，从能量上来说，超过目前人类能量总需求，收集成本总是比较低，在现有的技术条件下，是有成本优势的。但由于效率限制，此外，收集成本也受很多因素影响， 例如，农业废弃秸秆的收集成本较低，而高山上的植物收集成本很高。将植物低成本转换为生物燃料，其所能提供的量，到目前为止，还是微不足道的，只能替代很少一部分化石燃料。今后的问题是，在化石燃料枯竭的情况下，那种方式能提供更低成本的能源？生物燃料肯定能占据一定份额，这主要原因比较复杂，概括起来如下：
1、 生物燃料的主要取代对象是目前汽车燃料，因为汽车燃料价格高，可以容许较高生产成本。竞争技术是电动汽车，其主要缺点是储能电池寿命短，成本高。增加储能密度，可以减小体积，降低成本。但是，该领域历史悠久，发展缓慢，很难很快发展一个替代技术，包括作者推荐的电池，其商业化还是很难的。推荐大家关注植物纤维水解产糖，酶催化糖产氢气，使用燃料电池将氢气转换为电技术，该酶促转化过程将自然界部分热能转换为化学能，能量效率为121%（以燃烧热计算）。
2、 有很大部分生物质原料成本低，例如秸秆，利用这些原料发展纤维素生物燃料成本较低，目前还需要改进技术，降低成本。但是，大多数生物质的收集成本都是很高的。今后，人类是否会为山区生物质收集，专门建设道路等？还是需要成本来回答的。另外，使用生物质生产化学品，只需较少资源，不会影响生物燃料生产。
3、 生物燃料替代其他能源，例如，替代煤炭发电，是不经济的。正如作者所说，生物质直接燃烧发电，效率肯定高于生物燃料。
4、 风能，水力发电等成本低，但资源量有限，所以，人类还必须发展太阳能。太阳能发展方向应是聚光热发电，这个方案主要使用反射镜收集能量，成本必然低于光伏电池。单晶硅电池，需要拉单晶，技术很成熟，成本是难以下降的。其他替代光伏技术的光伏电池生产的复杂性都远远超过聚光热发电所使用的反射镜，在成本上是不合算的。与太阳能相比，很大一部分生物质的收集成本较低，因而会优先开发。
5、 作者推荐的发展蓝藻资源，可以提高光合作用效率，但是，从成本上很难说有希望，原因是蓝藻含水率高达99%，预处理成本高。一种成功的技术方案必须技术简单，各工艺过程能耗低，成本低。最终很难会象现在的能源，主要集中在煤炭，石油和天然气。预计今后会出现区域性适应的生物燃料技术，这是生物质资源的来源决定的。
家园 巴西的那个例子还得仔细审查 特别是LCA 俺是赞同这篇文章的，生物燃料他说的都很清楚了
家园 单位面积生物对太阳的利用的效率肯定不如太阳能板 但干嘛非要比较单位太阳光利用面积呢?
如果能实现蓝藻放养，将蓝藻的饲养与传统农业结合起来，可以极大的降低成本和扩大其光吸收面积，完全可能实现盈利。
家园 植物纤维水解还是非常难的 酶催化速度以秒计算，通过化学方法强酸强碱水解速度会快很多，但显然提高了成本，另外就是这么干相当于大量加水，如果最后产物是酒精的话发酵好的酒精溶液浓度很低，提纯蒸馏要消耗大量的能量。（所以要是能发现高效分离水和乙醇的方法，意义也是相当的大滴）
如果用蓝藻生产氢气，收集的问题就不大啦，加个罩子就行。不过藻类制氢目前的问题在于，制氢的酶对氧气非常敏感－－可光合作用过程中没氧气怎么可能呢？（也不是完全没办法，但反正是不容易）
另外，就是燃料电池的效率问题。n多人都说燃料电池理论效率100％，说的是燃料电池可以把自由能100％转化为功，但其实这是在偷换概念，因为燃料电池打算替代的是热机，热机关注的是热效率，就是功除以燃烧热，但对于氢氧燃烧成液体水的反应，自由能小于燃烧热，所以室温下燃料电池的理论热效率仅为80％左右，1000度热效率更下降到60％。实际中由于各种损失，效率低于热机也不是不可能。
家园 关于效率 目前汽车的效率仅15%左右，而燃料电池汽车，已经有产品出售，效率达到45%。
由于能源价格暴涨，高价格的燃料电池汽车的市场就会有所进展。
另关于纤维水解，问题也在成本上，也会随汽油成本的上升而得到市场。
- 复 关于效率
家园 prius发动机效率可以达到36％ 混合动力技术都很成熟，要便宜得多。燃料电池的难点太多了。。。
家园 技术上问题是需要改进，50年前就用在航天上了 国内都做出样机，并运行了
家园 我就在搞燃料电池 感觉遥遥无期啊，燃料电池汽车其实理论上不难，可又便宜又长寿的有嘛？比如说吧，50年前那种用在航天上的碱性燃料电池，不用昂贵的铂催化剂，用便宜的镍就行，听起来不错吧。可有一个要命的副反应，是初中级别的：CO2＋KOH＝K2CO3，K2CO3会在KOH里沉淀下来，覆盖在电极表面使反应停止，所以这种燃料电池最好用纯氧，用空气麻烦就多了，当然在航天上到处都是纯氧这根本不是个问题，可在地球上就没那么容易了，这么简单的问题一直解决不了。这几年在发展第二代碱性燃料电池，采用阴离子交换膜，可以有效避免K2CO3沉淀的问题，可新问题又来了－－阴离子交换膜在碱性条件下不稳定。。。
- 复 我就在搞燃料电池
家园 现在商业化的是高分子膜燃料电池，没有这个问题吧？ 家园 没问题，不过那是酸性条件下反应 氢氧反应可在强酸环境下进行，也可在强碱环境下进行，碱性燃料电池的优点是可采用非贵金属催化剂，缺点是CO2和碱性溶液反应，酸性条件下CO2不再是问题，但几乎必须要用贵金属催化剂，所以成本也低不了，而且不光是成本在制约，贵金属的储量也是很大的问题，现有技术水平地球上的铂只够造不到1000万辆燃料电池车，相当于中国去年汽车销量的一半。。。
目前的思路一是发展非铂催化剂，不过这个相当相当的难。二是采用纳米技术，铂粒子越小，表面积就越大，催化活性就越高，从而达到少用铂降低成本的问题，不过呢，高中化学知识表明，小粒子表面积大，不稳定，会慢慢重新溶解然后沉淀到大粒子上面，结果大粒子越来越大，表面积就越来越小，所以电池用了一段时间催化活性就显著降低，这也是个大问题。
家园 全文已整理并上载到网上 参见：
原稿：链接出处
家园 32 说是 32 说是
因为目前英国能源的90%来源于化石燃料，如果不使用化石燃料，将是一个剧烈改变，在交通，建筑取暖方面全面改变，增加10－20倍绿色能源。
如果公众还是反对风电，核电，潮汐发电，还有其它非化石燃料发电系统，我会很担心，当我们应该做到时，我们是否能做到不使用化石燃料。我们现在满足于折衷的方案，效率稍微提高的化石燃料电站，汽车和家庭取暖系统，没有多少价值的碳交易系统，一点风电和数量上很不足的核电。
我们需要增加措施，增加措施是可能的，但不是那么容易。
我们需要停止反对，开始说是。我们需要停止作秀，开始行动。
如何你喜欢现实可行的能源政策，请告诉你的政治代表和候选人。
本书正文部分到此结束，后面还有一个技术附录，约占三分之一篇幅。
有位网友在翻译，请接着加贴。
家园 31 我们应该谈论的最后一件事 31 我们应该谈论的最后一件事
就是从空气中捕集二氧化碳
当我这样说的时候，我是在表达两个意思，第一，从含量很少的空气中捕集二氧化碳所需要的能量巨大，以至于我们谈论捕集都显得很可笑。但是，第二，我确实认为，我们应该讨论它，思考如何做最好。如果气候变化象气候科学家们所说那样糟糕，如果人类无法获得便宜的方法，对付空气是我们最后一道防线。
在我们讨论从空气中捕集碳之前，我们需要了解全球碳情况。
了解二氧化碳
当我开始写作此书时，我打算忽略气候变化。在很多人看来，气候正在变化？是一个矛盾的问题。是否是人类引起的？与什么相关？经常被一串矛盾的结论所困惑。我们需要做什么？我感到，可持续能源是必须解决的问题，不存在需要挣来的问题。但是，我认为，不要介意，化石燃料用完的时候，不要介意气候变化是否发生；燃烧化石燃料不是可持续行为，让我们考虑依靠可持续生活，计算有多少可持续能源。
然而，气候变化引起了公众关注。它引起了各类问题。所以，我决定在最后一章稍微讨论一下气候问题。不是完全的讨论，仅仅是一些有趣的数字。
单位
碳污染收费常以每吨二氧化碳美元或欧元来计算。所以我们使用吨二氧化碳作为表示二氧化碳污染的单位。每年排放的二氧化碳吨数来表示污染速率，人均每年是11吨二氧化碳，等于每人每天30公斤。当讨论化石燃料，蔬菜，土壤和水中碳时，我使用吨碳。在全球范围，我使用亿吨碳。这个数字很大，但是，让它平均到地球上60多亿人，就简单了。假设燃烧1吨煤，这时一年里取暖需要消耗的热能。如果每人都烧1吨煤，则总量就是60亿吨。
碳在那儿？
我们需要知道多少在海洋，多少在陆地，多少在蔬菜，与大气中比较，从而理解二氧化碳排放的后果。
外链图片需谨慎，可能会被源头改图31.2碳在地球上的分布估计
图31.2给出了碳在地球上的分布。大多数碳，约40万亿吨在海洋，以溶解二氧化碳，碳酸盐，生物质和动物存在。土壤和植物总量约37000亿吨。化石燃料，主要以煤炭形式存在，等于16000亿吨。最后，大气中约有6000亿吨。
直到最近不同形式的碳之间存在动态平衡。所有从一种形式存在的碳流出到流入是相等的。人类燃烧化石燃料，使其偏离了平衡。参见图31.3。
外链图片需谨慎，可能会被源头改图31.3
化石燃料燃烧速率在1920年是每年10亿吨，到1955年变成20亿吨，到2006年变成84亿吨。图中还包括少量水泥生产中分解石灰石产生的二氧化碳。
这会改变如图31.2中的碳分布吗？现在还不是很清楚。图31.3显示了我们知道的关键一事。每年燃烧排放的84亿吨二氧化碳进入大气，使大气二氧化碳浓度增加。大气二氧化碳与海洋之间能够比较快地建立平衡，每年从大气进入海洋的二氧化碳是20亿吨。虽然最近也有研究认为没有那么大。还有一些进入土壤和植物，约15亿吨每年。但这部分测量数据较少。因为大约排放的一半进入大气，每年以84亿吨速率进入大气，从而使大气二氧化碳浓度增加。
长期以后二氧化碳浓度会如何？因为化石燃料中碳比海洋要少得多，长期以后，过量排放的二氧化碳会进入海洋，大气，植物和土壤会恢复正常水平。但是这个长期代表了数千年。在大气和表层水之间建立的平衡很迅速，但是图31.2和3中显示的点线将海洋分成了表层水和其余水。在50年时间尺度，这个编辑类似一道墙。60和70年代核试验放出来的放射性碳，到现在仅进入水下400米，而海洋深度是4000米。
海洋循环很慢。一块深海水需要1000年才能进入表面。深层水是有温度梯度和盐度梯度驱动的，又叫热盐循环，对应表层水循环是风驱动的。
缓慢循环的海洋有一个关键的后果：我们产生的碳排放影响未来1000年气候。
碳去那儿了
图31.3是一个简图。假设人类引起了额外的碳流，如1997年Borneo森林大火， 释放了7亿吨碳。每年煤炭自然释放2.5亿吨碳
不管怎么说，这个简图帮助我们理解，在不同政策下，中短期会发生什么。如果碳污染看成是一般商业活动，未来50年，燃烧产生5000亿吨，将使空气二氧化碳增加，海水表面也同样增加，每年进入海洋20亿吨。到2055年，5000亿吨中1000亿吨进入表层水，大气二氧化碳浓度比工业革命前加倍。
如果化石燃料燃烧量到2050年降低到0，则从大气中每年吸收20亿吨到海洋将减少到不足20亿吨。我过去常常认为这个吸收将继续几十年，但是，当表层水与大气将会在一段时间后达成平衡。5000亿吨中大多数会进入大气，然后在数千年，随着海水从深处循环到表层，逐渐移到海洋。
我们对二氧化碳的扰动最终会恢复到开始状态，但这需要几千年。假设这个扰动没有对生态系统产生很大影响。可以相象的是，表层水吸收二氧化碳而酸化，将使大量植物灭绝。以前地球曾发生过。例如，一般认为，冰河期结束迅速，因为正反馈效应：温度升高，引起积雪和冰融化，使地面反射太阳光减少，吸收更多太阳光，从而引起进一步升温。另一个正反馈效应例子是甲烷释放。甲烷以数十亿吨水合物形式封存在北极西伯利亚，1000亿吨封存在大陆架。全球温度升高1度，可能融化大量甲烷水合物，释放甲烷到大气中。甲烷的温室效应比二氧化碳强。
不讨论气候变化的不确定性。我推荐《避免危险的气候变化》，《全球气候变化》，以及Hansen等文章（2007）和Charney等文章（1979）
本章目的是讨论通过吸收大气二氧化碳来解决气候变化问题。我们讨论吸收的能量代价。
吸收代价
现在将碳从地下取出，进行的规模很大。今后，会变成将二氧化碳打入地下。
在讨论如何从空气中捕集二氧化碳之前，我们先来看捕集二氧化碳不可避免的能源代价。不管我们采用什么技术，它们都必须遵从基本物理定理，从空气中富集二氧化碳需要能量。捕集二氧化碳能耗至少有0.2kWh/公斤二氧化碳，表31.5。 分析实际工艺，典型效率是35%，如果碳捕集能耗能降低到0.55kWh/kg，我会感到很惊奇。
下面我们假设，固定欧洲每人每年11吨二氧化碳，每人每天30公斤，假设能耗是0.55kWh/kg，则能耗是每天每人是16.5kWh。这等于英国人均电耗。因此，运转这个巨大的脱碳设备等于让我们的发电加倍。
表31.5 从空气中浓缩风力二氧化碳能耗
浓缩 0.13kWh/kg
压缩 0.07kWh/kg
下面来看我们有什么办法从空气中取走二氧化碳？我给出四个技术：
A：化学泵
B：树木
C：加速风化石头
D：海洋营养化
A 化学技术
化学技术对付二氧化碳分两步：
0.03%CO2-纯CO2->液体CO2
第一步，从空气中富集二氧化碳到纯二氧化碳，然后压缩，每一步都要消耗能量。
到2005年，发表的最好的从大气捕集二氧化碳的方法都是效率很低的：能耗是每公斤二氧化碳3.3kWh，成本是每吨140美元。根据这个能耗估计欧洲每人每天30公斤二氧化碳排放，需要每人每天100kWh，几乎等于每人每天能耗125kWh。 还有更好方法吗？
最近，Wallace Broeker,气候科学家说，“地球运行最重要的解释者是生物，化学和物理系统。”他推荐物理学家Klaus Lackner未发表的从空气捕集二氧化碳技术。设想运行6000万个二氧化碳脱除器。它们需要多少能量？Lacker在2007年6月告诉我，发展了一种树脂，在潮湿情况下吸收二氧化碳，干燥时释放二氧化碳。已经取得的结果是每公斤1.3kWh。2008年6月告诉我，最新能耗降低到每公斤0.18-0.37kWh低温热能。压缩能是0.11kWh。从能耗少于每公斤0.48kWh。根据欧洲人均排放量技术，每人每天是14kWh，其中3.3kWh是电能，其余是热能。（译者注：理论计算从大气中分离纯化二氧化碳，需要功0.14kWh/kg，考虑现在分离效率低于20%，需要电能至少0.7kwh /kg，折算为低温热能至少增加10倍，该技术值得怀疑。 另显然直接捕集燃煤电厂废气中含5－15%二氧化碳更好）
技术进步很惊人！但是，别以为很少能耗，这相当于增加全世界20%能耗。
B 植物如何？
植物从空气中吸取二氧化碳，而且不遵从物理定理。它们还是二合一机器，捕集而且由在建的太阳能电站驱动。使用的能量来自太阳能。我们使用的化石燃料就是这个过程制造的。因此，我们的建议就是，做与燃烧化石燃料相反的事情如何？我们生产木材，将它们埋入地下，同时，人类又不懂外出化石化的木材，燃烧它们？这显得很愚蠢，一面从地下挖木头，一面又向地下埋。当然，我们可以多种树，减少从地下挖。下面我们看，需要种多少树来解决环境问题。
在欧洲，最好的植物每年每公顷可以产生10吨干木材，等于15吨二氧化碳。所以弥补11吨二氧化碳排放，需要7500平米森林。这个数字是英国人均2倍。还有找到地方永久储存7.5吨木材。人一生需要的木材，不许烧，安全储存好，需要占地1000平米。体积是房屋的5倍。如果有人想使用树木来解决气候变化，我们需要类似一个国家面积。我不认为这行得通。
C增加岩石风化
是否还有低能耗方法？下面是一个有趣的主意，将岩石磨细，让它们吸收二氧化碳。这个主意加速自然界地址过程，让我来解释。
在图31.3中，从岩石进入海洋的碳流，与自然界岩石风化，自然界碳沉积成为海洋沉积物，最后变成岩石。这些碳流动很低，每年2亿吨碳，等于7亿吨二氧化碳。因此，它们与当前人类碳释放相比，就很小了，差40倍。但是，加速岩石破碎，从而吸收二氧化碳，加速这个过程，解决气候问题。我们需要找到矿藏。合适的矿包括橄榄石矿或硅锰矿，分布广泛。还需要大面积土地来放置矿物。细化矿石，从而加快二氧化碳吸收反应，需要能量是每公斤二氧化碳0.04kWh。前面说，物理定理告诉我们，不可能低于0.2kWh。是的，但是这儿没有错误，因为岩石拥有能量，它们贡献能量用来与二氧化碳作用。
我很喜欢，这个方案能耗低，但是，困难的问题是，到那儿找到一个国家，愿意遍布碎石？
D 海洋营养化
最后一种方法可以避免困难。这个方法让海洋加快吸收碳，作为渔业的副产物。世界一些地区存在食物短缺。许多地区鱼短缺，因为持续50年过度捕捞。海洋富营养化是给海洋施肥，增加食物链，使海洋能够支持更多植物生长和更多鱼来固定二氧化碳。澳大利亚科学家Ian Jones 领导，海洋营养化工程将向海洋施氮肥，如尿素，增加海洋中氮含量。它们生产900平方公里海洋富养化可以增加每年500万吨二氧化碳吸收。Jones和同事预计，海洋富营养化可以在任何缺氮的海洋进行（海洋富营养化是一项非常严重的环境问题，影响渔业和近海水质与环境，译者注）。包括北大西洋。让我们将这个主意放到地图上。英国每年排放6亿吨二氧化碳，完成中和它们，需要120个这样的海洋。图31.6地图显示它们的规模与英伦三岛比例。和其它方法类似，这个主意需要类似国家大小的面积。我们还未估算土地。
外链图片需谨慎，可能会被源头改图31.6中 120个，每个900平方公里区域，用于进行海洋富营养化，从而固定英国排放的二氧化碳所需要的海洋面积示意图
这个主意还未经测试，目前也不合法。我发现，海洋富营养化很有趣，与碳地下储存相比，即使国际社会不同意高成本的方法固定碳，渔民们也会富营养化海域，从而捕获更多鱼。
“评论员们会反对调节海域，针对不确定性，而不在乎受益。他们会利用公众对未知领域的恐惧。人们会接受现实，如将二氧化碳排放到空气中，但对改善未来的创新却会谨慎从事。他们讨厌冒险。”
Ian Jones
“我们不能向大气中释放过多二氧化碳，否则会带来显著的气候变化，使地球发生根本改变....” J. Hasen 等2007
“避免危险的气候变化是不可能的，危险气候变化已经到来。问题是，我们能否避免灾难性气候变化？“
David King，英国首席科学家 2007