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  • 科技新时代:电动汽车或许只是空中楼阁hy-548

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      科技新时代:电动汽车或许只是空中楼阁导读:世界也许根本没有足够的锂生产电动汽车所需要的锂离子电池。如果能实现从汽油启动向锂离子电池驱动,中国也许将成为新的中东。

      2006年12月,能源分析师威廉·塔希尔在网上发表了一篇标题为《锂的困境》的文章。在这篇文章中,他对那些将未来寄托在快速发展的锂离子驱动电动汽车上,并幻想着一个更清洁、经济和繁荣时代的人们提出了警告。他认为,世界上根本没有足够的可持续锂资源来支持这种经济转换。更重要的是,目前已经探明的可被开采的锂只集中在少数几个国家。如果世界从石油驱动向锂离子电池驱动转换,他在文章中写道,南美将成为新的中东,玻利维亚将比今天的沙特阿拉伯更吸引世界的目光。美国将不得不严重依赖其他国家才能满足对锂的需求,而中国由于有相当的锂矿藏,能源将实现自给自足。

      塔希尔的文章并不能称为可靠的资料来源。在2006年早期,他曾经发表过另外一篇文章:《从零开始:世贸中心的核损坏》。在这篇文章中,他提出埋在美国世贸中心地下约79米深处的两座核反应堆,在2011年发生的9·11事件之后正在缓慢地熔解—这显然是在危言耸听。尽管如此,他提出的锂产量峰值的观点却不失为一个值得关注的话题。特斯拉汽车公司和通用汽车近期都发布了各自的电动汽车,这两种汽车都依赖锂电池提供动力。2008年7月,英国《卫报》发表的一篇文章中称,随着对石油供应的忧虑日益加深,世界的注意力更多地转移到了锂供电电动汽车上。但是对于究竟有多少锂资源可用仍然存在很大争议。

      去年1月,我参加了在拉斯维加斯举办的第二届锂供应与市场会议。在小组讨论阶段,我拦住了地质学家R·基思·埃文斯,他研究全球的锂储量已经有40多年了。在看了塔希尔的文章之后,已经退休的他决定重出江湖。他完全是胡说八道。站在从会议中心前往宴会中心的自动扶梯上,他向我讲述了塔希尔的文章是如何刺激他写了一篇最新的关于世界锂供应的文章—《充足的锂》。这并不是第一次锂恐慌了。埃文斯说。他告诉我,1975年美国地质调查局就曾召开过一次紧急会议,讨论解决供核聚变反应堆使用的锂供应不足的问题。这场恐慌是由西方世界首次对锂供应不足的严重担心所引发,当时估计全世界的锂储量约为1065万吨。但是在这之后,新的锂矿不断被地质学家所发现。到了2010年,埃文斯预计全世界已探明的金属锂储量约为2840万吨,或者说是1.5亿吨碳酸锂矿石—锂存在并被销售的最普遍的一种形式。与之相对应的是,2010年全球的锂需求总量约为10万吨。即使电动汽车的兴起使世界对锂的需求在10年内翻一番,埃文斯说,世界的锂供应也是非常充足的。

      在我遇到埃文斯的时候,另一种潜在的资源短缺正跃然于新闻标题上。作为全世界95%的稀土元素—混合动力汽车、风力发电机和其他清洁能源技术都严重依赖的一组元素—的产地,中国发出了减少出口数量的信号,称为了保护稀土矿产而要减少产量。在这之后,在全球范围内对于这些稀有元素供应的担心日益加重。稀土元素的固有特性使其成为薄膜太阳能电池、高效风力发电机、先进发动机、高容量电池和其他清洁能源创新技术必不可少的重要成分。一旦供应被切断,无疑将对这些领域产生深远的影响。

      并非所有这些元素都很稀少,但是没有一种会像20世纪的主要工业原材料—铁、铝、硅和其他9种元素—那样充足,地壳中99%的成分都由它们构成。历史上,只有科学家会在实验室规模的项目上大量使用这些稀有元素,因此地质学家们一直缺乏动力去寻找这些元素的矿藏,结果就是我们对于这些能源关键元素的分布、储量和成本效益等知识严重缺乏,而这种知识的缺乏又进一步引发了焦虑。例如,2010年8月,《Reason》杂志发表的一篇文章标题为忘记石油的产量峰值,想想锂、铷和磷的产量峰值吧。对于锂来说,在我们对它的储量有了更多了解之后,恐慌开始平息。但是对于其他28种元素,是否情况也会这样?锂的供应情况对于其他元素能提供哪些借鉴之处呢?

      要理解为什么一组并不出名的元素会吸引如此多的注意力,首先需要了解一下汽油驱动的汽车和电动汽车之间的竞争优劣势。本质上,内燃机是一种效率非常低的机器,汽油的能量只有12.6%被用于驱动汽车的工作,但是汽油的高能量密度在很大程度上弥补了内燃机的这种不足。每升汽油蕴含着约8.72千瓦时的能量,即使只有12.6%的能量被利用,也足以驱动一辆几吨重的汽车在高速公路上飞奔。尤其是在石油价格很便宜、似乎拥有无限储量的时代—对于20世纪的大多数时间都是如此—内燃机的这种低效率是完全可以被接受的。

      然而,今天石油的价格不再便宜,显然也不可能是储量无限的,我们开始进入英国汉普郡学院的教授迈克·克雷尔所说的困难石油时代。在这个时代,那些容易开采的石油都已经被开采殆尽,我们不得不在几千米深的海洋下面钻探石油。与此同时,随着发展中国家中产阶级的兴起,预计到2050年世界上的汽车数量将会翻一番,达到20亿辆的规模。

      要取代如此众多数量由汽油驱动的汽车,电动汽车需要非常好的电池,而今天这些电池都是以锂为基础的。锂在元素周期表中排第三位,是制造轻质能量储存装置的理想选择。由于它具有极强的反应能力,因此比其他元素更适合作为高能量密度电池的基础。可充电锂离子电池已经成功将砖头一样的大哥大,演变成了今天只有137克重的iPhone 4。今天,汽车制造商们相信,锂电池能给交通运输业带来同样的变化。

      但是,锂和以锂为基础的电池仅仅是一个更大系统的一部分。要榨取出电池内存储的以毫瓦时为单位的微弱电流需要高效的电动机,而制造这些电动机内的磁体需要像铷和镭这样的稀土元素。风力发电机和太阳能电池这些利用可再生资源的发电形式同样需要超高效的设备。高效风力发电机需要使用以稀土元素为基础的磁体,而先进的薄膜太阳能电池则需要使用碲或者铟。

      尽管获取这些稀土元素有很多麻烦,并耗费很多金钱,但是由于它们能高效率地带来宝贵的能源,人们依然认为这些付出都是值得的。如果你是在自己家里,考虑的是你的家用电器的用电,那么你也许会想:‘电这么便宜,而且随处可得,有什么必要在意发电效率的轻微降低呢?’麻省理工学院的材料科学教授格布兰德·赛达尔说,他也是前面提到的美国物理协会和材料研究协会的科学家委员会的一员。但实际上我们考虑的并不是家庭应用,而是一些能源至关重要并且非常昂贵的应用环境。到目前为止,这些对新能源至关重要的元素还没有涉及家庭应用。但是,假如完全不考虑家庭应用的话,像风力发电机和电动汽车根本就没有制造的必要。

      实际上,这些能提高能源效率的元素的成本和供应状况也是个问题。为了能大规模应用,清洁能源时代的机器必须在成本上与今天以化石燃料为基础的耗能体系具有竞争性。除非能大规模制造,否则清洁能源技术在成本上不可能具有竞争性,但是假如原材料的供应不稳定、价格过于昂贵的话,那么大规模制造只能是空想。

      如果有无限的资金,如美国物理协会和材料研究协会的科学家委员会所说的那样,任何化学元素的供应都没有绝对的限制,至少在可预见的未来是这样的。理论上,科学家能从一桶泥土里面提取出微小数量的多种元素—只要有足够的资金让他们这么做。所以,无论是铷、碲、锂还是其他26种对清洁能源至关重要的元素,问题只有两个:它们的储量究竟有多少?更重要的是,将它们从地下开采出来的成本如何?

      世界上最大的锂制造商智利化工矿业公司(SQM)在智利的阿塔卡玛沙漠上进行生产。这片沙漠是世界上最干燥的地方,美国航空航天局曾经在这里对前往火星执行微生物探测项目的机器人进行测试。去年5月,我前往智利北部的这片沙漠,去观访这家公司的生产过程。在圣佩德罗—位于SQM的工厂北部约80千米处的一片绿洲—我遇到了SQM的市场经理安德列斯·亚克斯基。在一个明媚但寒冷的清晨,天空蔚蓝如洗,我们动身向南前往工厂所在地。阿塔卡玛盐湖是世界上锂储量最丰富的地方之一,SQM称,这里蕴含着4000万吨易于开采的碳酸锂矿石。

      在高速公路上行驶了大约一个小时之后,我们从出口驶出,转向了一条通往盐湖的碎石路。一望无际的戈壁上星星点点地点缀着盐坝和一片一片白色的建筑。我们在一栋小房子的前面停了下来,每个人都穿上了靴子,套上了亮黄色的安全背心,戴上了安全帽。之后我们走了出去,与等在外面的阿尔瓦罗·斯特纳斯握手寒暄。身材粗壮、皮肤黝黑的斯特纳斯是一名工程经理,他将带我们前往蒸发池。

      在SQM厂区的卫星照片上,能看到巨大的白色和蓝色方块镶嵌在棕黑色的土地之间,好似世界上最大的游泳池一样。来自地下的卤水被抽入到这些蓝色的池塘中,在与火星环境类似的烈日下暴晒几个月。随着水分蒸发,盐卤的浓度不断增加,矿产也开始沉淀出来。最后,用于生产锂产品的盐卤被泵入一系列专门的池塘中—随着盐卤从一个池塘转移到另一个池塘,其颜色也变得越来越深。之后,罐车将最终的产品—6%浓度的锂溶液—运送到约3个小时车程的太平洋岸边的工厂。这里最终的产品就是碳酸锂,一种白色粉末(由于其外观与可卡因过于相似,我都没敢带一点样品去机场)。

      我们在池塘间走了一圈之后,斯特纳斯带我们驱车前往附近一座盐山的山顶,俯瞰下面的景色。蒸发池、拖拉机、卡车、附属建筑物和珍贵的盐山绵延几千米,尽管这里的空气干燥而洁净,但是想要纵览这座工厂的全貌,了解它的全部范围仍然是非常困难的。这处工厂每年能生产4万吨碳酸锂,能满足全世界每年锂需求总量的31%,而这仅仅是这里已知的4000万吨碳酸锂储量的千分之一。早些时候,亚克斯基曾告诉我,在需要的情况下,这里只要一个月就能生产出世界需求总量3~4倍的碳酸锂。现在,为了强调这家工厂傲视世界的生产能力,斯特纳斯和亚克斯基指着远处成片的池塘对我说,实际上每年SQM都会将成百上千吨的碳酸锂重新填埋到这些池塘里—一旦世界需要这些锂,换句话说一旦这些锂能变成钱,那么毫无疑问这里便可以迅速生产出大量的锂。其实,尽管是世界上最大的锂供应商,但SQM的主要收入并非来自锂,而是来自专业化肥,那些为我们的水稻和玉米提供养料的钾肥。

      就其对清洁能源技术的重要性来说,锂的提取容易得让人感觉有些难以相信—至少对于阿卡塔马从盐卤中提取锂的方式来说是如此。但实际上,对于其他那些重要的元素来说,提取的困难程度也不像报道的那样难。所有的那些困难,在我看来都有些言过其实。麻省理工学院的格布兰德·赛达尔说,其实在供应体系中存在着很大的缓冲区。

      首先,最简单的一条是,一旦一种元素的价格上涨,就会刺激人们花更多的钱用于从矿石中开采这种元素。采矿的废弃物中仍然含有很多的金属。赛达尔解释说。在很多情况下,已经被废弃的金属甚至比被我们利用的更多。对那些能源关键元素来说,它们通常是以其他用途更广泛的金属的副产品的形式被开采出来。换句话说,那些矿山的矿渣堆实际上就是这些元素的矿山。

      其次,一个经常被忽视的缓冲是个简单的需求等级:一旦某种元素的供应受限,那些对其需求最强烈的行业就会从需求并不那么迫切的行业手中夺取更多的元素。例如,铂是汽车工业用于尾气净化必不可少的催化剂。一旦对铂的需求总体增加进而导致价格上涨,汽车行业并不会减少用于制造催化器的铂的数量,只会导致购买白金戒指的新婚夫妇减少。

      碲是另外一个很好的例子。除了制造镉-碲薄膜太阳能电池外,碲还被用于制造热电装置(将废热转换为电流)和钢合金。如果对碲的需求上升,人们迅速就能看清究竟是哪个行业最依赖这种元素。你会发现太阳能行业位于需求链的最顶端。赛达尔说,他们从这种元素获取的价值是如此之高,以致钢铁行业那些家伙只能放弃,排在最末端的则是制造热电装置的那些家伙。

      并非所有的专家都如此确信。工业金属研究顾问组织的创始人之一杰克·利夫顿就认为,经济规律在碲的生产方面并不起作用,而且在若干年之后,碲的产量将会下降。全世界碲的生产几乎完全取决于铜—在铜的精炼过程中碲作为一种副产品被生产。随着铜生产公司向更新、更经济的铜精炼方法转移,也许他们将不再生产碲,供应也许会迅速萎缩。

      另外一个挑战在于,某些能源关键元素的确非常稀有。碲是这样,铼也是这样。铼属于铂族元素,用它制造的超级合金能让喷气式发动机在超高温下更有效地工作。就稀有程度来说,铼比金还要稀有5倍。这也是为什么5年前,通用电气公司启动了一个强化铼循环项目,同时寻找超级合金的替代品的原因(这项工作在几年后取得了进展)。今年2月,日本政府和100多家日本企业共同启动了一个类似的总投资13亿美元的项目,目的是将稀土的进口减少1/3。

      一个减少对能源关键元素需求的明显方法是寻找替代品。例如,丰田和日产公司正在为他们的混合动力汽车和电动汽车开发无需稀土元素的发动机。但是,寻找替代元素的过程将是一个漫长、昂贵的过程。问题的关键在于,一种元素能直接替代另一种元素的情况是非常罕见的。赛达尔说,通常只有对多种元素进行工程转化之后才能获得理想的结果。

      赛达尔正在努力让替代品的制造环节更少,过程更短。他利用超级计算机计算决定化合物性质的量子力学相互作用,目标是找到有效的元素混合方式,制造出比今天的化合物更有效的材料。在10年之内我们就能通过纯粹的计算方法设计出有用的材料。他说,影响这个过程的只有时间。我能在周五执行1000个运算,这些运算会在周一完成。今天当我们进入实验室去计算某些材料的组成成分时,成功率则高达50%。

      循环利用也许是减少对这些能源关键元素依赖的最显而易见的方法。就像耶鲁大学的工业生态教授托马斯·格雷德尔所说的,我们应该开始将城市看作有人类活动的矿山—各种元素的矿石以废弃的汽车、电脑、电池等形式存在。目前,人类循环利用能源关键元素的比例非常小。以美国为例,2010年碲被回收利用的比例是零,锂仅有非常少的一部分,只有17吨铂族元素被回收利用。而在这一年,美国仅进口的铂族元素就多达195吨。一些科学家建议,各国政府部门应该介入对能源关键元素的分配,并拿出专项资金用于鼓励消费者回收这些金属。

      但是即使我们对已有的能源关键元素进行很好地管理,寻找并开发新的能源关键元素仍然是必需的。在过去几年中,矿业公司陆续宣布了在澳大利亚、巴西、加拿大、印度、哈萨克斯坦和越南进行稀土元素开采的计划,新兴和老牌的锂生产商也已经开发出了从澳大利亚和其他地区坚硬岩石中提取锂的新技术。与此同时,投资者和政治家们也开始对一些长期被禁止开采的地区施加压力,例如美国已经准备放松在一些区域的能源关键元素开采禁令。

      美国至少有1300万吨稀土元素,400万吨锂,还有相当数量的其他能源关键元素。然而,由于严格的审批程序和环境管理条款,这些矿藏只有极少数得到了开采。在一处矿藏被探明之后,由于这些审批程序的限制,通常要在7年甚至更多年之后才能得以开采。但是即便如此,也必须在能源关键元素的开采和所导致的环境破坏之间取得平衡。这种平衡在获取稀土元素的过程中极难实现,因为开采活动几乎毫无例外地会将位于浅层的铀、钍等放射性元素挖掘出来。正是由于轻微放射性污水的泄漏导致了2002年加利福尼亚州派斯山矿被关闭—这里曾经是世界最大的稀土元素矿。这座矿山的拥有者美国莫利矿业公司在重新设计并建造了矿山的附属精炼设施后,决定在今年重新开始开采工作,并计划每年开采2万吨稀土矿石。

      锂的开采不会带来有毒的废水和放射性矿渣,但是开采活动对环境引发的争论也从未平息。参加完在拉斯维加斯举办的会议之后,我跟一群投资者和采矿业的政府管理人员飞往内华达州,去参观西部锂矿,这里是美国最大、最先进的能源关键元素项目。一处租来的牧场房屋被当成了这家公司的野外司令部,屋子里的胶合板桌子上摆满了从附近开采来的矿石样本。我跟西部锂业公司的CEO杰·赫梅劳斯卡斯聊了一会儿,他说到清洁能源革命时的语气和神情就像是一个人刚刚发现了上帝。他的上一份工作是监管一处露天金矿的建设,他显然认为那远没有他目前从事的工作高尚。现在我每天都起得很早,感觉自己正在拯救这个世界一样。他说。

      我们穿上了橡胶靴子和防水夹克,坐上了全驱越野车,向西方20千米之外的一座矮山驶去。这里是叉角羚的家园,也沙漠盘羊的领地。大约20分钟后,我们从高速公路拐上了一条肮脏的土路,前往被灌木所覆盖的山顶。山顶有一处人工挖掘的、深约4.5米的坑道,我们在坑道前面停下,并走了下去。走在潮湿、红褐色的黏土上,我的靴子很快就沾满了泥巴,沉重得像是灌了铅。西部矿业公司最新的报告称,在这些类似海绵的黏土中含有的锂相当于150万吨碳酸锂矿石,按照目前的消费水平,足以满足全世界12年的需求。

      在2~5年内,我们脚下的泥土就会变成一处露天矿。如果仅有这一处仍然不足够的话,在它北部还有4处矿可以迅速开采。之前我曾经问赫梅劳斯卡斯,像这样的开采活动会给环境带来怎样的影响。从黏土中开采锂要比很多开采行业对环境的影响小,但是想要完全没有影响也是不太可能的。能源关键元素,就像金、银、煤炭、石油等其他我们从地下开采出来的资源一样,开采行为不可避免地会对环境有一定影响。我的意思是说,我们准备在山坡上挖一个大坑,赫梅劳斯卡斯说,但是必须首先评估一下各种成本,包括环境。