【全球議題】創新材料如何因應全球氣候變遷

■在全球氣候變遷越來越劇烈的當下,創新材料在其中扮演什麼樣的角色?

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撰文|方程毅

2015年12月聯合國氣候變化框架公約在巴黎召開第21次會議並通過《巴黎協議》,共將近200國家參與。希望藉由減少排放溫室氣體,將全球均溫上升控制在1.5°C以下。峰會吸引各大媒體報導,經濟強國的領袖們也都對該峰會發表談話,美國總統歐巴馬表示:「這是拯救地球最好的機會。」不過大家也知道各國領袖開開峰會、簽個協議再肩併肩照相也不是一次兩次了,這次會有什麼實質效果還能難說。

縱使歐巴馬不斷強調氣候變遷的嚴重性,國內政敵共和黨總統參選人Donald Trump跟Ted Cruz卻還是對此嗤之以鼻,但姑且先不管政治上的爭論,科學界針對減緩溫室氣體排放的研究可從未緩下腳步。國際可再生能源機構(International Renewable Energy Agency,IRENA)的學者Dolf Gielen, Francisco Boshell 及Deger Saygin便針對創新材料如何應付氣候變遷撰文,發表在《自然 材料》期刊(Nature Materials) 上。本文將摘要其精華跟各位讀者分享。

我們用哪些方法減少溫室氣體排放

文中指出目前地球人口約為73億,到了2050年將會成長到97億,同時由於中國及印度兩個人口大國的經濟成長,兩項因素加起來勢必使能源消耗持續增加,能源消耗的增加當然伴隨著二氧化碳增加,要讓兩者脫鉤有幾項解決辦法:1.碳收集及儲存(Carbon capture and storage,簡稱CCS) 2.核能 3.提升能源效率 4.使用替代能源。

碳收集及儲存,簡單來說是讓工廠或電廠排放出來的二氧化碳與其他物質反應形成化合物,讓二氧化碳不會以氣體形式排放到大氣層中。這固然是個好點子,但其技術發展相對緩慢且成本過高,所以緩不濟急,現階段還派不上用場。

核能當然是個既成熟又保證減碳的方法,但安全性及核廢料處理是個大問題,文中也認為核能僅適用於人口密集且缺少其他替代能源的國家(咦?臺灣?),因此核能在中短期不失為一個解決方案,但長期來看卻不是一個好方法。

提升能源效率是作者認為目前成本最低的減碳策略,包括開發轉換效率的裝置及使用低耗能的產品,例如腳踏車。

至於替代能源(如太陽能、風力或潮汐),才是未來擺脫石化能源最重要的關鍵,目前全球能源消耗量中約有18.3%來自替代能源,作者估計到2030年為止每年會有一個百分點的增長,潛力無窮。

新興材料扮演什麼角色

對抗全球暖化,材料領域可以努力地方不少,文中提到幾個主要面向:1.低成本且能量密度高的電池材料 2.低成本的長距離傳送能源的材料 3.生質材料及高分子 4.新式水泥材料。

現今能源傳輸的媒介主要是電,如果我們更有效且更廣泛的使用,就能減少不必要的浪費。以電動車來說,目前技術上最大的困難就是車上那顆鋰電池,若能開發出更好的電極材料並增加其能量密度,又或是找尋其他替代方案,例如流液電池(flow battery),對於降低對石化能源的倚賴將大有幫助。

使用能源的效率提升固然重要,傳輸能源也很關鍵,目前便有研究利用超導體(superconductor)進行能源傳輸,但超導體目前的工作溫度都過低,且其材料稀土金屬在地表含量也不多,距離實際應用還有一段時間。

而石油衍生物作為化學物質或高分子的原材料之用,也占了全球能源消耗的5%。如果能將原料換成生質材料就可降低對石油的依賴,同時也將減少碳排放。但直至今日有能力取代最主要化工原材料乙烯的生質材料並不多,而且以目前現有技術還看不到全面取代石化原料的方法,但至少是一個值得努力的方向。

最後一個作者提及的面向是水泥材料,水泥的製造過程可是占了全球10%的碳排放量,若是製造過程中減少碳排放或把排放的二氧化碳捕捉起來,對減緩全球暖化也是一大福音。

我們該用什麼心態面對挑戰

在嘗試將這篇文章介紹讀者並翻閱其他參考文獻後,不難發現投入研發創新以達到節能減碳的著力點不少,如何有效達到目標其實也是考驗政府思維,材料創新只是其中一環。任何領域提供的解決辦法都有可能成為未來能源政策的基石,政府當然可以處處限制或設定各種數字,要人民簡樸生活拼命降低排放量,但何不通過健全且跟得上時代的法規,防止不肖人士鑽漏洞並讓想發揮的人免於綁手綁腳。透過鼓勵研發,讓創新減碳充滿誘因,把動能交給社會,或許這樣做才能真正挽救過度發熱的地球。

原始論文:Gielen, Dolf, Francisco Boshell, and Deger Saygin. "Climate and energy challenges for materials science." Nature Materials 15, no. 2 (2016): 117-120.

參考資料:

  1. http://ec.europa.eu/clima/policies/international/negotiations/future/index_en.htm
  2. http://www.cop21.gouv.fr/en/

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作

 

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