清潔能源的“后患”

呂靜

有一種說法叫“美國夢”，說的是“讓所有公民過上更好、更富足、更幸福的日子”，這意味著住在寬敞的、四季如春的房子中，一個家庭擁有一輛到三輛汽車，還可能有一條游艇或一個度假屋，至于經常坐飛機出國旅游那就更不用說了。

問題是，這種生活方式會消耗大量的能源——如果世界上每個人都像美國人一樣生活，那么，我們每年需要的能源將是現在的10倍。而且，在一百年或三百年內，人們有望開發出會照顧人的機器人，并且可能到太空去旅游，這樣一來，勢必需要更多的能源。那么，我們到哪里去找能源呢？

因為二氧化碳對全球變暖的巨大影響，繼續依賴化石燃料將會導致災難性的后果。但是，可再生能源也同樣會影響氣候，雖然現在“清潔能源”對氣候帶來的影響，與那些排放溫室氣體的化石燃料相比還微乎其微，但是，如果我們在未來的世紀中繼續使用越來越多的能源，那么，這種影響就將會越來越顯著。雖然這方面的研究還處在起步階段，但業已出現了一些驚人的結論。

廢熱效應

有人提出，核能并不是能源問題的長期解決方案。就算是發展可再生能源，如風力發電，也要慎重。因為，其大規模的應用將會產生局部和全球的影響。不過，這些影響不一定都是壞事，我們也許可以利用它們改進氣候，用來抗衡全球變暖。

正如美國哈佛大學斯密森尼天體物理中心的艾瑞克·蔡森所指出的，任何行星范疇的文明都有一個根本問題，即不管你使用什么樣的能源，它最終都會變成“廢熱”。比如，你給手機和電腦充電，其中很多電能都以加熱電路而告終，其余的則轉變為無線電波或光，這些波會被其他表面吸收，最終再轉變為熱。這與你在廚房使用攪拌機、在室外使用電鉆，或在家里打開電扇的道理是一樣的，除非你試圖向外星人傳送無線電信號，一般情況下，你使用的絕大部分能量都終將讓地球“發熱”。

現在，人類在任一時間使用的能源量略超過16萬億瓦特，這與同時間內地球所吸收的12萬萬億瓦特的太陽能相比當然是微不足道的。在過去的幾千年中，地球大致處在平衡狀態，氣候變化不大，然而現在溫室氣體水平不斷上升，大概有不到380萬億瓦特的熱量逸出，其結果是，地球正在變暖。這種變暖是由于16萬億瓦特或者說是人類活動所產生的廢熱所致。如果人類不顧我們所面臨的巨大挑戰，而持續使用越來越多的能源，廢熱在未來將會成為一個巨大的問題。據蔡森計算，如果我們對能源的需求增至5000萬億瓦特，地球溫度就會增加3°C。

這種廢熱制暖的效果將與由于二氧化碳（CO2）水平提高而造成的變暖作用疊加在一起，對地球溫度帶來影響。如此大量的能源使用，現在看起來似乎還難以置信。然而，如果我們的能量消耗繼續呈指數級的增長，到2030年即可以達到這個數字了。

蔡森說他的研究只是粗略的估算，他情愿有人能夠證明他是錯的，但迄今為止，還沒有人這么做過。相反，美國國立大氣研究中心的馬克·弗蘭納已經建立的初步模型表明，到2100年，廢熱會導致大型工業地區升溫0.4°C到0.9°C，這與蔡森的估算是一致的。而現有的一般氣候模型并沒有把廢熱效應計算在內。

這是不是意味著人類文明會被它本身所消耗的幾百萬億瓦特的能源所限制了？不一定，這取決于能源來自何處，假如你將太陽能轉變為電，然后用它來燒開水，這并不會導致地球變暖。但是，如果你使用從化石燃料或核電廠來的能源燒開水，你就增加了額外的熱量。蔡森說：“唯一不會給地球增加熱量的能源就是太陽能及其衍生能。”所以，即便核聚變可以在理論上提供一種無限的能源，但在能源需求持續增長的情況下，我們也不能隨意使用核能，這樣才不會令地球明顯變暖。

合理開發風能和太陽能

在地球上，人類可能已經沒有機會將溫室氣體降低到工業化之前的水平。雖然廢熱造成的變暖作用并不是主要的，不過蔡森認為，我們不妨盡可能快地“切換”到以太陽能為基礎的能源上。“人人都同意我們必須采取行動來阻止二氧化碳的上升，但是，我們還需要擔心因長期的能源使用而對大氣造成的額外加熱作用。”他說：“我的觀點是，如果我們可以同時兼顧這兩項，那么，為什么不現在就采取行動呢？”

這正是斯坦福大學的馬克·雅各布森的觀點。他一直在推行一個雄心勃勃的計劃，要在2030年大規模啟動可再生能源。他設想，這其中風能和太陽能可能占到90%。但如果到了這樣的規模，即便是可再生能源也會開始影響氣候。

以風電為例，2010年，伊利諾伊大學香檳分校的索姆納特·巴達·羅伊報道，風電農場影響當地氣候。加利福尼亞桑哥弓尼奧風電場的長期數據證實了他的早期模型預測：夜間，風力渦輪機后側地面溫度比前面要高。

羅伊認為，由渦輪機產生的氣流從上層吸入空氣。白天，最熱的空氣一般靠近地表，則對高于地表的環境具有降溫作用；夜間，靠近地表的空氣比上層更冷，則可能有讓環境變暖的作用。如果將風電農場置于有很多渦流的地區，這種效果可能會最小。

但是，有人可能并不想將這種效應最小化。紐瓦克特拉華大學研究風電的克里斯蒂娜·阿徹說：“出于農業的原因，這些作用實際上是受人歡迎的。”利用這一策略建設風電場，可使農作物保持冬暖夏涼，并能降低秋冬季節的霜凍風險。如今，美國加利福尼亞和佛羅里達的農民已經在通過使用風電渦輪機吸取暖空氣來抵抗霜凍了。

2004年，由加拿大卡爾加里大學的大衛·凱斯所領導的一項研究表明，在2萬億瓦特的水平，風電對氣候的影響可能開始變得明顯。按照德國耶拿大學馬克斯·普朗克生物化學研究所的阿克塞爾·克萊登等人的研究，風電的影響取決于我們所得到的有效功率比例。他們最近計算出有多少風能是從上到下——從太陽輻射進入開始，驅動風產生大氣溫差的。這一研究小組稱，提取現有的所有風能可能會產生氣溫和降水的變化，但是他們并不認為地球會因此而全面變暖。

不像克萊登的研究是基于對風速的實際測量，阿徹和雅各布森則是從下至上進行估測，在陸地和海上100米的海拔高度，有風能1700萬億瓦特，在這些風能中，72萬億～170萬億瓦特可以以一種實用和有成本效益的方式用來開發使用。這種規模的風能開發對氣溫和降水的影響非常小，以至于我們不能從自然變化中區分出來。

不過，與太陽能相比，風力資源仍比較有限。 蔡森說：“我認為地球上根本就沒有可以獲取的、讓我們長期使用的足夠的風能。水能和波浪能也是一樣。唯一可以持久使用的就是太陽能。僅僅使用現有的技術就能產生上千萬億瓦特的太陽能電力”。

就算太陽能可能影響氣候，我們也可以改變太陽能電池板的表面反射率或反照率。只有大規模利用太陽能時，才可能會潛在地影響到氣候。只要我們不捕捉成百萬億瓦特，從而直接將熱量反射回太空，太陽能的使用對氣候的影響就相對較小。

有些人將可再生能源對氣候的影響與廢熱討論僅僅當成消遣的話題，認為它們不像減少溫室氣體排放那樣緊迫。但是，如果我們現在不開始思考，有一天我們可能發現，當試圖解決一個氣候問題時，我們可能已經制造了另一個問題。