运动员访问香港视频:29种元素决定清洁能源未来

　lithium　锂 由于化学性质非常活跃而且质量轻，锂被用做高能可充电电池的电荷载体。所谓的“世界面临锂短缺”观点是唬人的，锂储量丰富，而且开采起来对环境污染很小。


　　cobalt钴 钴被用于制造电池电极、磁体和喷气引擎使用的超级合金。钴的储量相对较多。问题在于，全球49%的钴矿位于刚果这个战乱频繁的国家。


　　Tellurium　碲 镉碲薄膜太阳能电池比传统硅太阳能电池板要轻薄很多，却能吸收更多的阳光。不幸的是，碲的产量很少，主要是铜提炼过程中的副产品。


　　Neodym ium　钕 钕和其他16种稀土元素有着罕见的电子构造，造就了它们奇特但在工业上大有用处的磁性和光学性质。稀土长期被忽略，产量很小。


　　Rhenium　铼 铼很可能是在高温下最抗腐蚀的金属。像钴一样，它也被用于制造高效喷气引擎使用的超级合金。但是铼大概也是世界上最罕见的金属，它比黄金稀有5倍。


　　Platinum　铂 铂具有强大的抗腐蚀性，而且是优秀的催化剂，是制造空气净化器的基本材料。世界上大多数的铂来自两个国家：俄罗斯和南非。

　　由于清洁能源技术的发展，包括锂、稀土在内的29种曾经默默无闻的元素突然成了紧俏资源。它们被称为“能源关键元素”，是制造薄膜太阳能板、高效率风力涡轮发电机、高级电动车马达、高容量电池等众多清洁能源硬件的核心材料。因此这些元素的多少将决定清洁能源的未来。由于从前很少被大规模使用，人们对这些元素的储量和分布并不了解。曾经有人预言锂供给的短缺，一度引起恐慌。随着锂储量逐步探明，恐慌才逐渐平息。但是，其他28种元素呢？

　　2006年12月，能源分析家威廉·泰尔在网上发表了一篇论文《锂麻烦》。他的观点引起了那些希望靠锂电池驱动电动车掀起清洁能源革命的人的关注。

　　泰尔提出，这个世界没有足够多的锂支持人们大规模地改用电动车。此外，少数可开采利用的锂资源仅分布在屈指可数的几个国家。“如果这个世界希望从汽油驱动变成锂电池驱动，”他写道，“南美洲将成为新的中东。玻利维亚将取代沙特阿拉伯成为世界能源的中心。美国将再次依靠外国进口关键战略矿产，而中国蕴藏有丰富的锂资源，将实现某种程度的自足。”

　　泰尔并非最可靠的信息来源。2006年初，他发表了另一篇论文《世贸中心的核销毁》。其中，他争辩说，当2001年9月11日，恐怖分子劫持的飞机撞上纽约世贸大楼时，两台埋在大楼地下260英尺的核反应堆被蓄意熔毁。无论如何，“锂峰值”是一个让人无法不关注的故事。特斯拉汽车公司和通用汽车公司不久前都推出了各自的电动车，两款车都靠锂电池驱动。2008年7月，英国《卫报》总结说：“关于石油供给的话题尚未平息，焦点又转移到了电动车使用的锂上。但是，争端在于锂的储量到底有多少。”

　　2010年1月，我参加了在拉斯维加斯举行的第二届锂供给与市场年会。开会期间，我碰到了地质学家R·凯斯·埃文斯。他花了40多年的时间研究全球锂储量。泰尔的文章促使他告别退休生活。“一派胡言，”他如此评论泰尔的文章。乘坐电梯从会议大厅到赌场的路上，埃文斯告诉我，泰尔刺激他写了一篇针锋相对的论文《储量充裕的锂》，重新估算了全球的供给。这并非第一次锂恐慌，埃文斯说，早在1975年，美国地质勘测局就在一次紧急会议上提出世界即将面对锂短缺。当时锂主要用于核聚变反应堆。那次恐慌引发了对西方世界锂供给量的第一次严肃估计。1975年的锂产量约1065万吨。在之后的岁月里，地质学家逐渐发现了更多的锂矿。到2010年，埃文斯估计，已经探明的世界锂储量为2840万吨，或者说是1.5亿吨碳酸锂———锂生产销售的最普遍形式———而同一年，全球市场对锂的需求仅为10万吨。电动车的发展在10年内可以使这个需求翻倍，即使如此，埃文斯说，依然有用不完的锂。

　　当我遇到埃文斯时，另一种潜在的资源短缺成了报纸头条。稀土金属广泛被运用于混合动力汽车、风力涡轮发电机和其他清洁能源技术领域。中国的稀土产量占全球的95%，突然宣布要减少稀土出口，保护资源储备。去年9月，中国暂停了对日本的稀土出口。美国能源部官员立刻就美国稀土元素供应状况对国会进行了汇报。

　　在那之后，用于清洁能源技术的关键元素的供给问题引起了越来越多关注。今年2月，美国物理学会和材料研究学会的专家委员会提出警告说，美国的矿产资源弱点不只停留于稀土。包括稀土在内的29种元素，由于其本身的特性，使它们成为生产薄膜太阳能电池、高效率风力发电机、高级电动车马达、高容量电池和其他清洁能源产品的关键材料，因此这29种元素被称为“能源关键元素”(energy-critical elem ents)。对于美国而言，这些元素90%需要从外国进口。委员会警告说，供给的短缺将“极大地阻碍”清洁能源技术的发展。

　　29种能源关键元素并非都是稀有元素，但是它们也不像20世纪的主导原材料那样丰富。铁、铝和硅与其他9种元素占据了地壳的99%。过去，只有科学家们在实验室里少量使用这些元素，因此地质学家没有寻找新资源的动力。结果就是，我们对这些能源关键元素的分布、多少、成本效率几乎一无所知。信息的匮乏导致焦虑。2010年8月，《理智》杂志刊登了一篇文章：《忘掉石油峰值，来谈谈锂、钕、磷峰值》。对于锂而言，恐慌基本已经过去。我们更清楚了这种元素的丰富储量。但是其他28种能源关键元素呢？而锂的供给状况能够给我们什么样的启示？

　　要了解一群很少人知晓的元素为什么突然引起了巨大的关注，先来了解一下汽油动力车和电动车之间的竞争。内燃机本质上是效率非常低的机器。普通汽车只能将12.6%的汽油能量转化成动能。但是，石油惊人的能源密度弥补了内燃机的不足。每加仑汽油包含3.3万瓦特时能量。即使只有12.6%也足以驱动一辆几千磅重的汽车在高速路上行驶30多英里。当石油廉价，而且似乎取之不竭的时候———20世纪大部分时间———这样的低效率是可以接受的。

　　但是，石油不再廉价，更绝非取之不竭。我们进入了罕布什尔学院教授迈克尔·卡拉尔所谓的“艰难石油时代”，所有容易开采的资源已经枯竭，让我们不得不到远海钻取石油。与此同时，印度和中国的新型中产阶级成了新的汽车消费群体。据估计，到2050年，世界汽车使用量将翻倍，达到20亿辆。

　　如果要取代传统汽车，电动车需要最好的电池。今天，这样的电池需要锂。锂是元素周期表上第三轻的元素，适合能源储存。由于它的化学特性非常活泼，几乎比其他任何元素都更适于做能量密集型电池的基础。可充电锂电池已经引起便携式电器的革命，使得移动电话从从前的30盎司的大哥大变成了只有4.8盎司的iPhone4.现在，汽车制造商又希望锂同样能带动交通革命。

　　但是锂和锂电池只是系统的一部分。充分利用储存在电池中的每毫瓦电力需要效率最高的电动马达，而这些马达中使用的磁体需要用到稀土元素，比如钕和镝。用风能太阳能等可再生能源生产电力同样需要效率极高的机器。自然的，最高效的风力涡轮发电机也需要稀土为基础的磁体；先进的薄膜太阳能电池板需要碲或铟。

　　清洁能源的密度远远低于石油，是如此的珍贵，利用它们需要用到性能最优良的材料，即使这意味着要使用不常见的元素。“如果电动汽车能够像普通电器一样使用10美分/千瓦时的电力，谁在乎它采用了低效率的马达磁体？”麻省理工学院的材料科学教授杰尔布兰德·赛德尔说，“但是对于很多新能源装置，能源的使用方式很关键，能源非常昂贵。”

　　然而这些元素的多少却可能构成问题。为了大规模地开发，清洁能源时代的机器必须能在价格上和化石燃料系统竞争。但是除非批量生产，清洁技术无法具有成本竞争力。如果原材料匮乏，什么都造不出来。

　　美国物理学会和材料研究学会的报告指出，“如果不考虑金钱，任何化学元素都可以是无限的，至少在可以预见的未来是这样。”理论上，科学家可以从任意一桶泥土中提取极少量的多种元素，只是这样做的成本很高。因此，对于钕、碲、锂和其他26种能量关键元素，关键的问题在于：它们的储量有多少？更重要的是，开采它们需要多少钱？

　　世界上最大的锂生产商SociedadQuímicayM ineradeChileS.A。(SQM)位于智利的阿塔卡马沙漠，那里是世界上最干燥的地方，土壤极度贫瘠，美国宇航局甚至用它来校准检测微生物的火星机器人。去年5月，我专程到智利北部参观这家公司的运作。一个晴朗的上午，SQ M的市场部经理安德烈·雅克塞克和我从SQ M工厂以北50英里的一片绿洲出发，驶向阿塔卡马盐湖。这片盐滩是世界上最容易开采的锂矿。SQ M说，阿塔卡马盐湖含有4000万吨可开采的碳酸锂。

　　在高速路上行驶了一个小时，我们右转进入一条经过盐湖的道路。到处可以看到盐堆积成的白色小山。我们在一幢小办公楼前停下，穿上靴子，套上橙色的安全背心，戴上安全帽。在门外我们见到了业务经理阿尔瓦多·西斯特纳斯。他将带我们去参观蒸发池。

　　SQ M的卫星图像显示，在可可色的土地上，铺开巨大的白色和蔚蓝色方块，好像世界上最大的游泳池。这些池子装着从地下含水层中抽取的盐水。在沙漠的太阳下“烘烤”几个月后，水分蒸发，盐水浓缩，矿物质开始沉淀。浓缩的盐水再通过管道输入一系列蒸发池。这些池子呈越来越深的黄色。一辆油罐车将最终产品———6%的锂溶液———运送到3小时车程外位于太平洋边的工厂，再被加工成碳酸锂，一种白色的粉末。由于外表太像可卡因。我甚至不敢带一些样本回美国。

　　参观完蒸发池后，西斯特纳斯带我们来到一座盐堆积成的小山上。蒸发池、卡车、绵延了几英里的白色的盐堆，一切尽收眼底。虽然参观了世界最大的锂产地，但是要真正了解锂的生产规模依然很困难。

　　在目前家用电器还不必要使用能源关键元素。但如果不使用它们，风力涡轮发电机、电动车就没有制造的价值。每年，SQ M从这些盐滩上，提取的4万吨锂，占全球产量的31%。雅克塞克告诉我，几个月之内，产量就可以翻倍，达到全球需求量的3至4倍。为了强调SQ M称霸世界的锂生产能力，西斯特纳斯和雅克塞克指着远处的一系列池子说，每年，公司要将几十万吨的锂送回盐湖———在收获真正的赚钱产品时不可避免地收获的锂。虽然身为世界最大的锂供应商，SQ M的更多收益来自“特殊植物养料”，即绣球花和天竺葵使用的钾肥。

　　在能源关键元素中，锂很容易开采，至少对于盐水中蕴含的锂而言。即使如此，很多其他能源关键元素的实际状况也远远好于那些危言耸听的报道。“在我看来，很多恐慌都是被夸大其辞的。”麻省理工学院的杰尔布兰德·赛德尔说，“多种原因使得我们没有必要担忧关键元素的短缺。”

　　首先，如果某种元素的价格上涨，人们就有更大动力从原矿石中提炼这种元素。“采矿业有大量的废料中含有很多有价值金属。”赛德尔解释说。很多情况下，废料中本来可以提取更多的金属。能源关键元素通常是更广泛使用矿产(比如铜)的副产品，当它们的价值上涨之后，废料堆也可以成为资源储备。

　　其次，由于需求的等级制度，如果一种元素的供给有限，那么最需要它的产业将从其他那些不那么需要它的产业那里抢走资源。以铂为例，这种金属是汽车废气过滤器中不可缺少的催化剂，环保政策规定所有车辆必须安装过滤器。如果铂的需求上升，并不意味着汽车公司将少采用催化式排气净化器，而意味着，以铂(俗称白金)为原料的结婚戒指将减少。

　　碲是另一个例子。除了制造镉碲薄膜太阳能电池，碲还被用于制造热电装置(将废热转化为电能)和钢合金。如果碲的需求增加，我很快就能知道，到底谁更需要它。“对于碲而言，人们将发现，太阳能产业位于食物链的顶端，”赛德尔说，“它们从中获得极大的价值，那些生产钢合金的家伙只有退让，然后是生产热电装置的。”

　　但是并非所有专家都同意赛德尔的观点。技术金属研究公司的创始人杰克·利夫顿认为，普通经济学原理不适用于碲，几年之内，碲的产量将会下降。多数的碲是作为铜提炼过程中的副产品产生的。当铜生产商采用新的，更经济的提炼方法，它们将不再生产碲。碲的供给因此将急剧减少。

　　另一个挑战是，部分能源关键元素确实稀有。比如碲和铼。后者属于铂族元素，混合进超级合金中，可使喷气引擎在更高更有效率的温度工作。铼比黄金稀有5倍。因此，在5年前，通用电气公司启动了严格的铼回收计划，同时开始寻找可以替代它的金属，在几年后终于找到。今年2月，日本政府和100多家日本公司开始了耗资13亿美元的类似计划，试图让稀土进口量减少1/3.

　　一种减少对关键元素依赖的方法显然是寻找替代品。丰田和日产公司正在开发不需要稀土的电动车马达。但是这可能是一个漫长且昂贵的过程。“关键在于，很少能够直接找到替代原料，”赛德尔说，“通常需要新的合成材料。”

　　赛德尔正尝试让一种材料的设计过程缩短简化。他利用众多计算机计算量子力学相互作用，确定一种化合物的特性。他的目标是找到新元素组合，生产出更加有用的材料。“10年内，我们将能完全依靠计算机设计出新材料，”他说，“这个目标已经不远了。我可以在周五输入1000个运算，周一就可以得到结果。当我们今天进实验室制造某种材料，成功率达50%。”

　　回收利用可能是减少对能源关键元素依赖的最明显的方法。耶鲁大学工业生态学教授托马斯·格拉德尔认为，我们需要将我们的城市视为“矿山”———矿产来自旧汽车、旧电池等等。

　　目前，美国的能源关键元素回收率很低。2010年，碲回收率为零，锂只有少量被回收，铂族元素只回收了17吨。同一年，美国进口了195吨铂族元素。美国物理学会和材料研究学会的报告提议，联邦政府为富含关键材料的产品建立“关键材料”回收点，用返还保证金的方式鼓励消费者回收这些产品。

　　即使我们更合理地管理能源关键元素的供给，在某个时候，依然将需要新的矿山。在过去几年，矿产公司已经宣布，计划在澳大利亚、巴西、加拿大、印度、哈萨克斯坦和越南开采稀土。新的老的锂生产商正在开发从矿石中提炼锂的方法。与此同时，投资者和政客们开始重提一直被视为禁忌的话题：在美国开采能源关键元素。

　　美国坐拥至少1300万吨稀土矿藏，400万吨锂矿，以及其他大量能源关键元素。但是这些矿产却很少被开采，很大原因在于严格的审批制度和环境政策。这些严格的限制，意味着从矿藏的探测到实际开发中间需要7年甚至更久的时间。

　　即使为了确保关键元素的供给，也必须考虑采矿所要付出的相应代价。在稀土金属开采方面，这个平衡尤其难以达到。稀土的开采几乎不可避免地要挖出低放射性的铀和钍。放射物质的泄漏导致2002年加州东南部的山口矿被关闭。这个矿山曾经是世界第一大稀土产地。拥有山口矿的M olycorp公司正在重新设计建设位于矿上的精炼厂。公司计划今年重开山口矿，使稀土氧化物的产量迅速恢复到每年2万吨。

　　锂的提炼不产生有毒废物和放射性垃圾，但是矿业对环境的影响永远是一个争议话题。在拉斯维加斯会议结束几天后，我和一群投资者及矿业执行官飞往内华达州，参观正在筹建中的西部锂矿，它是美国最大最先进的能源关键元素项目之一。在充当公司前线总部的一间租借的平房里，桌子上摆满了矿石样本。我和西部锂矿的首席执行官杰伊·切姆劳卡斯谈了谈。他谈到清洁能源革命时就像是刚刚找到上帝的教徒。他的上一个工程是监督中国一座大型露天金矿的建设。相比之下，锂矿显然让人更有成就感。“现在我每天醒来，觉得自己在拯救世界。”

　　我们穿上橡胶靴子和防水夹克，驾车朝位于西部一处山脊开去。这里是叉角羚和沙漠大角羊的领地。20分钟后，我们驶离高速路，开进一条土路，直达长满山艾树的小山顶上，停在一个巨坑前。挖掘机已经挖出15米深。我们走进沟壑，周围到处是暗红色的泥土。西部锂矿的数据显示，这些泥土中含有相当于150万吨的碳酸锂，按照目前的需求量，足够全世界使用12年。

　　在2至5年内，我们脚下的土地将变成一个巨大的露天矿。如果这还不够，北部还有几个探明锂储量的地点可供开采。之前我曾问切姆劳卡斯，这样的露天矿对于环境有什么影响。从泥土中开采锂矿对环境的损害也许比其他采矿行业要小，但是并非毫无影响。正如黄金、白银、煤炭、石油和其他任何我们从地下挖掘的自然资源一样，开采能源关键原料也要做出牺牲。“我的意思是，我们要在一座山的一侧挖一个大坑。”切姆劳卡斯说，“但是你必须平衡得失。”