根据BBC近日的报道,科学家们在距加纳利群岛海岸约500公里远的海底深处发现了一连串的海底山脉,其距离海平面大概有1000米,不过,最重要的是,山脉外层60厘米厚的岩石中贮藏有丰富的金属碲,比地表中的正常存储量高出
五万倍以上。
图 | 海底山脉,高度约为3000米而这项发现之所以引人关注,主要在于“碲”物质可以被用于制造高效能的太阳能电池板根据该项目的负责人Bram Murton估算,发现的这座矿山大约贮有2,670吨的碲,相当于世界总供应量的十二分之一。
除此以外,这些岩石中还有大量的其它稀土资源,可被广泛用于风力发电机和各种电子设备中,这也会对发展清洁能源大有裨益“17 世纪 80 年代末,人类在罗马尼亚特兰西瓦尼亚的金矿中发现了碲十五年后,该元素被分离为一种非常独特的物质,并被命名为碲(tellurium)。
词根“tellus”在拉丁语中的意思是“大地的果实”在历史上,碲被用于冶金,比如作为不锈钢的添加剂,或者用于制造铜、铅、铁合金
图 | 这项发现的负责人Bram Murton那么,碲化镉薄膜电池是个什么东西?首先,薄膜电池就是一个十分有趣的东西我们所最常见的太阳能电池,是用元素硅的晶体制造的经过几十年的努力,硅晶太阳能电池的效率已经超过25%。
,其发电成本也已经逼近依赖化石能源的火力发电的成本然而,硅晶太阳能光伏电池是坚硬、沉重的平板组件,其应用的场合局限于大块平整的地面、大片屋顶等等,而薄膜电池就是另一个概念了不同于硅晶电池需要大块的高纯度硅晶体,。
薄膜电池将厚度只有几纳米到几十微米,光能转化材料被沉积在玻璃、塑料、金属等的表面,因此只要基底够软、够轻、够透明,薄膜电池就可以实现相当程度的柔软变形,重量相比其他光伏电池也大幅减轻,而且,电池本身也可以做成半透明的状态。
图 | 轻薄、柔软、半透明的碲化镉太阳能薄膜电池其光电转化效率可达21%因此,薄膜电池有更广泛的应用,比如与建筑结合,直接用于玻璃,既可以让阳光投射,也可以产生太阳能电力;又比如用于手机等需要一定延展性的设备。
这些优势使得许多人相信,薄膜电池很有可能有朝一日取代常规硅晶太阳能电池,成为人类获取太阳能的主要技术
图 | 碲化镉太阳能薄膜电池可以直接用于窗玻璃,其应用范围的广泛是其他光伏电池所很难具备的在各主流薄膜电池技术中,碲化镉(CdTe)薄膜电池的市场份额超过了其他薄膜电池之和这是因为,碲化镉电池拥有众多的优点:。
首先,其成本较低,有公司宣称其生产的碲化镉电池的成本可以比硅晶电池都低;其次,其能量回收期(电池发的电收回自己寿命周期内消耗的能量——比如生产所需能耗——的年限)只有0.3到1.2年,是包括硅晶电池在内的所有太阳能电池中最短的;
此外,一旦温度上升,常规硅晶光伏电池的效率将严重下降,而温度对于碲化镉电池的影响就要小得多,因此安装地点的温度条件可以宽泛得多;而且,碲化镉光伏电池对于弱光的感应更好,甚至在室内都可以工作,而一个硅晶电池在光照不是很好的阴天都是会歇菜的。
近年来,随着研究的进一步深入,碲化镉薄膜电池的效率也已经突破 21%,一跃超过多晶硅电池的效率,几乎比肩单晶硅电池,足以达到商用效率的范围然而,尽管应用范围如此广泛、又具有那么多的优点,碲化镉薄膜电池占光伏电池市场份额却只有5.1%。
为什么呢?答案是:不论怎么努力,产量都上不来地球虽大,碲化镉电池组成元素之一的碲,却实在是太少了地球上碲的储量极其稀少,比贵金属铂的储量都少其矿物资源分布也很稀散,很少有碲的独立工业矿床已知的碲矿主要与黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿等共生,碲在这些矿石中的含量仅为0.001%-0.1%。
说白了,就是少量、甚至微量地存在于别的矿石的杂质中目前,碲的生产主要需要从铜电解产生的副产品中回收制取,因此碲的产量对于铜的生产具有高度依赖性——世界上需要多少铜,才会从生产它的“废物”里提炼多少碲碲的产量过低,使得碲原料的价格占到了碲化镉电池组件价格中的最大头,成为了碲化镉薄膜电池发展的最大制约。
包括美国可再生能源实验室(NREL)在内的许多业内机构均估计,如果没有大规模的碲矿发现,碲化镉电池的产量将局限在一个非常微小的范围内如果全世界所有的碲都用来生产碲化镉电池,所有的废旧电池里的碲都被最大限度回收再利用,其理论产量上限也将无法达到现有硅晶电池的1/20
而且,储量太低还会带来另一个听起来甚至有点反常识的现象包括硅晶电池在内的大多数光伏产品都会因产量的升高而价格降低,而碲化镉电池却会反其道而行之,产量较低时成本较低,而产量升高时,由于碲供应不足,开采或者回收更多的碲成本会大幅升高。
,导致碲化镉薄膜电池的成本随着产量升高价格更高!因此,不用说取代硅晶光伏电池了,就连在市场上一较高下,碲化镉电池都没有资格。
正因为如此,这一次储量如此巨大的海底碲矿的发现,对于碲化镉电池未来的发展有着至关重要的意义事实上,这已经不是海底矿产第一次引起世人的关注了,长期以来就有一些组织和机构对这些藏于深海的“宝藏”表示出了浓厚的兴趣。
加拿大知名的采矿公司 Nautilus Minerals 早在 2012 年就已经制定了在巴布亚新几内亚附近的俾斯麦海开采矿产的项目Solwara 1不过,由于与当地政府在商业方面存在严重分歧,双方的合作计划一度喊停,只是最近他们又取得了新的进展,即将于2019年在巴布亚新几内亚沿岸开采铜和黄金。
为此,该公司还设计建造了世界上首个深海挖矿机器人其外形类似于一辆重型坦克,装配有摄像头以及3D声纳传感器,由两位驾驶员远程操控为了装载机器人以及由它挖掘到的矿石,Nautilus 公司还特意建造了一艘价值为1.27亿美元(约合8.2亿元人民币)的大型补给船。
图 | Nautilus的海底挖掘机器人根据Nautilus公司的规划,在进行矿产开采时,一次需要三台这样的机器人同时作业,其中两台负责挖掘,一台负责运输如果一切进展顺利,仅仅一个矿区所开采出来的矿石就可高达 。
250 万吨,总价值超过 15 亿美元。
图 | Nautilus构想中的浮动平台根据首席执行官 Mike Johnston 表示,除了位于巴布亚新几内亚海岸的经营项目,Nautilus也在墨西哥湾沿岸启动了另一个水下挖掘项目,所有准备工作预计将在明年中期完毕。
但 Nautilus 的发展道路也并非一帆风顺,Solwara 1项目一提出就遭到了环保人士的反对同时,巴布亚新几内亚政府的长期拖延也造成这个项目几度反复,甚至在2014年几近破产除此之外,中国也在积极规划从印度洋底开采矿产的方案。
自从 2011 年与国际海底管理局签署了可以进行深海采矿的合同以来,中国一直在积极勘探印度洋的硫化物矿床。这个为期 15 年的合同将使中国有充足的时间探索多达10,000平方公里范围内的海底硫化物。
图 | “蛟龙号”深海探测器当然除了印度洋,中国也在西太平洋和东北太平洋的两个地区积极寻找海底矿物不过,归根结底大家都对探索深海能源显示出强烈的兴趣和愿望,主要还是在于我们对电子设备、电动车和清洁能源日益增长的需要,。
使得当前的稀有金属的供给显得有些捉襟见肘更为尴尬的是,现有的陆地采矿模式已经被证明是既不符合道德标准也难满足效率要求此时,将眼光投向尚未开发的大海就变成了一件顺理成章的事情,在并不遥远的未来,一定会有大批的“海底探险者”投入到新一轮的“掘金之旅”中,这些人也将因此获得大量的财富。
似乎一切看起来都是那么的乐观且充满希望,但严肃来讲,这场即将到来的“大跃进”在专家眼里却有可能带来十分严重的后果根据今年早些时候的深海采矿试验分析,即便是规模最小的采矿试验也有可能会损坏掉海底的生态系统。
照此推算,更大规模的采矿行动很有可能会使整个海洋生态系统遭受灭顶之灾,其所引发的蝴蝶效应甚至会改变海洋上的天气循环和海水的固碳功能一般而言,陆地上传统的矿山开采通常都需要进行大面积的土地平整,大量的森林和村庄会在这一过程中被清理掉,不仅会造成严重的环境破坏,而且以这种方式开采出的矿产大部分都是含矿率非常低的贫矿。
相比之下,海底的矿产开采则是在一个较小的区域内进行集中开采,生产效率会得到明显提升,而且不会对人类的生活环境造成影响但从另一个角度来看,大量海洋生物却有可能因此而失去生存家园,严重的话,在挖掘过程中所扬起的灰尘通过大面积传播会使生物呼吸困难,最终可能会造成整个物种的灭绝。
为了进一步了解开采过程中可能会带来的危害和后果,Murton所领导的考察队进行了一次采矿效应模拟实验他们安排了英国的科研船James Cook号以每分钟几百升的速度从海底抽取沉积物,同时又在海底另外布置了大量的机器人传感器以观察所发生的的变化。
图 | 作业示意图据Murton博士的描述,早期的实验结果表明,在远离采矿点1公里以上的地方其实就已经很难监测到有泥土和灰尘的痕迹了这说明采矿造成的影响要远比我们所想象的有限但质疑的声音随之而来,其他科学家针对这一结论提出了不同的看法。
同样供职于英国国家海洋研究中心(NOC)的Daniel Jones博士所领导的另一项研究则表明,在进行海底矿产开采后一年之内,许多海洋生物的确是可以得到恢复的,但从长期来讲,几乎没有物种可以在二十年后依旧保持其最初的生存状态
。另一位NOC的教授Andy Gooday也认为,“海底采矿虽不至于导致物种大面积灭绝,但其对地方的生态环境影响将是严重而持久的,其中最明显的一点就是许多动物的栖息地将会被破坏掉。”
图 | Andy Gooday由此,一个悖论也就被提出来了:我们为了发展绿色能源需要开采海底矿产的举动却会造成海洋环境的极大破坏这个问题到底该如何解决?没人知道答案,我们能做的只有不断的探索并反思人类自身,在权衡利弊得失之后才能给出一个正确的回答。
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