未来的能源，从哪里来？

　　来源：三联生活周刊

　　主笔 | 袁越

　　2021年6月，四川省关闭了一大批矿场，原因之一是节能减排。

　　这些矿场挖的不是煤炭或者某种贵金属，而是比特币。挖矿的工具也不是锹镐，而是计算机。它们日夜不停地进行着计算，试图用这个方法解决复杂的数学问题，以此来获得比特币奖励。

　　2016年，四川阿坝州某水电站附近的机房里，550台矿机昼夜轰鸣。图为工作人员在检查矿机的运转状况（视觉中国供图）

　　比特币本质上就是一串代码，只存在于虚拟世界中，没有任何对应的实物。但挖矿却是需要耗电的，四川省因为有廉价的水电，一度拥有全世界将近50%的算力资源。但水电再廉价也是需要拿真金白银来换的，虚拟的比特币产业增加了真实世界的碳排放，最终没能逃过被取缔的命运。

　　这是个标志性的事件，它说明人类的能源消费已经彻底摆脱了物质的束缚，进入了精神的世界。

　　能源与幸福

　　人活着就要追求幸福，而幸福感离不开物质的帮助。我们需要既美味又有营养的食物，既好看又保暖的衣服，既宽敞又舒适的房子，以及一次次说走就走的旅行。话虽如此，一个人再怎么爱美，家里的衣橱也是有限的；再怎么好吃，一天三顿饭也足够了；希望房子更大，但房价往往也会跟着涨；离家越远，人就越需要回家休息。

　　换句话说，对于大多数普通人而言，无论是美食美酒还是物品材料，对于幸福感的提升作用都是有限的。事实上，随着文明程度的提升，一个人的幸福感甚至有可能和他的物质需求成反比。比如在那些普遍营养过剩的发达国家，一个人的胖瘦已经和他的富裕程度关系不大了，而是只和他的教育水平有关。受教育程度越高的人，吃东西的时候反而会更节俭。

　　但能源就不同了。一个人的幸福程度，几乎总是和他的能源消耗量成正比。一个生活在发达国家的现代人的营养摄入量并不比人类祖先们高多少，但他的平均能耗却是狩猎采集者的50倍以上。充足的能源供应让这个现代人能够生活在几乎恒温的房子里，随时和相隔千里的亲朋好友通话，一高兴就可以用比古时候快100倍的速度去和朋友会面。

　　所有这些能够提升幸福感的“神迹”古人一定都想到过，但他们没有足够多的能源去实现这些梦想。比如，古人的最大梦想一定是永远不会饿肚子，现代人依靠比一个世纪前高10倍的粮食单产实现了这一目标。但实现这一目标的一个重要前提就是现代农业的单位土地面积能耗是一个世纪前的90倍，一个现代农民可以驾驶着烧柴油的农机具播种和翻耕，用电动水泵抽取地下水实施灌溉，并通过消耗化石能源生产出足够多的化肥。

　　与此同时，一个现代人绝不会仅仅满足于吃饱肚子。他的梦想也许是重建地球生态，或许是和亲朋好友一起环球旅行，甚至是乘坐宇宙飞船探访火星。所有这些想象都需要大量优质能源的支撑才能实现，而且想象力越丰富，所需要的能源往往也就越多。人类的想象力是没有尽头的，对能源的需求同样也是没有尽头的。

　　元宇宙的能源消耗

　　一些人对于能源的未来没有信心，便创造了一个全新的概念，叫作元宇宙。按照他们的设想，未来的人类根本不用把想象变为现实，只需把大脑接入元宇宙的世界就可以满足了。但是大家别忘了，思考和想象同样也是需要能量的。很多人之所以没有意识到这一点，是因为我们的大脑是个效率超高的思考机器，仅靠一碗米饭就能胸怀天下。但即便如此，仅占体重2%的大脑依然消耗了人体20%的能量，由此可见思考的耗能之大。

　　思考的本质就是计算，当人类学会了用计算机代替脑细胞进行计算的时候，这才终于意识到计算有多么地耗能。比特币行业完全建立在暴力计算的基础之上，其2021年的总耗电量达到了2000亿千瓦时（1千瓦时即1度电），差不多相当于两个三峡大坝的年发电量。如果把整个比特币行业当成一个国家的话，其耗电量在全球第25名左右，而且这个排名还会持续上升，因为根据比特币的定义，挖矿的成本将会随着比特币矿藏量的减少越来越高。已知比特币的总数为2100万个，目前已经挖出了1850万个，剩下的那250万个比特币的挖掘成本将会呈指数级增长。

　　即使你不是矿工，只是比特币的普通玩家，你同样会消耗大量的能源，因为比特币每交易一次都会消耗大约2300千瓦时的电力，足够一个生活在中国小城市的三口之家用一年了。要知道，比特币只是加密货币的一种，还有好多新出现的加密货币没有计算在内呢！

　　也许有人会说，加密货币及其背后的区块链技术存在争议，并不是所有人都看好它的未来。但整个数码行业的用电量惊人，这已是不争的事实，只是普通老百姓没有意识到而已。比如芯片制造行业的领军公司“台积电”（台湾积体电路制造股份有限公司），每年的耗电量超过了140亿千瓦时，大致相当于深圳市常住居民一年的用电量。而目前全球各大互联网数据中心的耗电量已经达到了全球总用电量的2%，随着奈飞和抖音等流媒体应用的飞速发展，到2030年时这个数字很有可能上升到8%。

　　被公认为是未来经济支柱的人工智能（AI）更是潜在的电老虎，因为现阶段的人工智能仍然离不开暴力计算。当年战胜李世石的谷歌围棋程序AlphaGo是一个总功率高达100万瓦的庞然大物，而人脑的功耗仅为20瓦左右。缩小两者之间差距所需要的关键技术距离现实还很遥远，导致任何一个基于人工智能的软件系统都耗电惊人。据一项来自美国马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究显示，训练一个错误率小于5%的图像识别模型所需费用高达1000亿美元，产生的碳排放与纽约市一个月的碳排放相当。如果要想将错误率减半，理论上至少需要再增加500倍以上的计算资源，其成本将是天价，碳排放更是让人难以承受。

　　当然了，网络的普及肯定会在某些方面减少碳排放，比如视频会议节省了与会者的交通费。但能源领域有个著名的“杰文斯悖论”（Jevons Paradox），这是19世纪英国经济学家威廉·斯坦利·杰文斯（William Stanley Jevons）首先提出来的。他发现煤炭的使用效率越高，对煤炭的需求量就会越大，而不是正相反。对应于当今世界的话，这就好比一个人买了一辆电动汽车，每公里能耗比油车低了很多，但他很可能会因为这个原因而更喜欢开车去买菜，而不是骑自行车，结果他每个月的交通费很可能比开油车时更多了。

　　总之，能源的未来和农业或者材料领域都不相同。后两者都是有上限的，可以通过节约或者提高使用效率来实现可持续发展，但能源不行，因为能源是一切进步的基础，而人类对于进步的追求是没有尽头的。

　　未来能源的气候约束

　　可问题在于，目前人类的能源消耗总量当中尚有80%以上来自化石能源，这是不可持续的，原因有三。

　　首先，经过这么多年的媒体宣传，相信大家都已知道二氧化碳排放导致全球气候变化这件事了。不管你是否打心眼里相信它，全世界几乎所有的国家都已在2015年的《巴黎协定》上签了字。这份协定要求在本世纪内将升温幅度控制在2℃以内，甚至最好控制在1.5℃之内。为了实现这一目标，人类活动导致的碳排放必须尽快降到零。于是各国政府陆续公布了自己的减排承诺，包括欧盟、美国和日本在内的100多个国家和地区都把2050年作为实现碳中和的最后期限，另外两个排放大国巴西和印度则分别承诺到2060年和2070年实现碳中和。

　　中国是世界第一排放大国，习近平主席在2020年9月召开的第75届联合国大会上首次提出了中国的“双碳”发展目标，承诺二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。

　　虽然有些方法可以抵消化石能源带来的碳排放，比如植树造林或者碳捕捉和碳封存技术等，但这些方法都是暂时性的，理论上是无法持续使用的。

　　其次，化石能源是有限资源，本身是不可再生的。根据目前最新的统计数据，石油的已探明储量只够再用53年，天然气是48.8年，煤炭要更久一些，但也只够用139年而已。有人根据以往的经验，相信人类总能开发出新的化石能源储备，还举了页岩气、油砂和海底可燃冰的例子。但化石能源本质上就是埋于地下的古代生物的尸体，其总量肯定是有限的。上述这几种新的化石能源储备不但开采难度很大，而且更容易污染环境，不到万不得已是不能动用的。

　　另外，石油和天然气等化石能源还有一项难以替代的功能，那就是作为化工行业的原材料。如果我们把石油天然气全都作为燃料烧掉了，那么塑料和化纤等人类必需的化工产品从哪里来呢？

　　法国CNIM集团的生产车间里正在制作用于国际热核聚变实验堆的配件

　　再次，化石能源还有个很关键的特性，那就是分布极度不均，这就导致了能源垄断的局面，很多国际冲突因此而起。三种主要化石能源当中，煤炭的情况相对好一些，石油和天然气的问题最为严重，因为前者在交通领域的作用暂时无法被替代，后者又被当作是奔向碳中和的最佳过渡能源，同样很难被替代。因此，即使不考虑气候变化和储量限制，仅从保护国家能源安全的角度考虑，化石能源也不是长久之计，必须尽快找到代用品。

　　目前已经找到的化石能源替代品大都不受先天资源条件的限制，只和技术水平有关，而技术是相对容易学习和转让的，这就打破了过去少数国家仰仗自己的地理优势垄断全球能源市场的局面，类似上世纪70年代石油危机那样的能源危机将不会再有了。中国虽然在这方面起步较晚，但追赶的速度最快。根据科研和医疗信息分析公司爱思唯尔于2021年1月5日发布的《净零之路：全球清洁能源研究现状》，自2001年以来，中国在清洁能源领域共计发表40余万篇论文，位居全球首位。截至2020年末，全球清洁能源领域约一半的专利都来自中国。

　　因为以上这三个原因，人类的能源结构必须转型，彻底摆脱化石能源的束缚，没有第二条路可走。这很像是一次目标明确的赛跑，每个参赛者都可以根据自己的实际情况选择不同的路线和方式，但终点只有一个，没有选择。

　　能源转型

　　说到能源转型，人类历史上已经发生过好几次了，每一次都不容易。这一次的能源转型将会格外艰难，因为人类目前正处于经济发展的高峰期，能源需求的增长速度非常快。即使我们有办法说服发达国家克制自己的欲望，暂缓前进的步法，我们也无法阻止广大发展中国家迎头赶上，努力提高自己国民的生活水平。根据联合国相关机构所做的统计，目前全球尚有8亿人用不上电，另有26亿人没有清洁的厨房能源。我们不能为了节能减排就不让这些人过上好日子，这是不道德的，也是注定不可能成功的。

　　那么，人类能否在保持经济高速发展的同时完成这次能源转型呢？答案是肯定的，理由有三。

　　首先，能量是一个笼统的概念，不但存在多种形式，比如热能、势能、动能、化学能、原子能等，而且可以有很多不同的来源，比如太阳能、风能、化石能源、核能等等。从理论上讲，不同形式和来源的能量完全可以相互转换和互相替代，如果一种能源形式对环境有害，换一种就行了，不像粮食和材料，不同组之间很难互换，灵活性差了很多。

　　位于英国埃塞克斯海岸的布拉德韦尔核电站，布拉德韦尔发电公司要在未来20年内建造40GW的海上风力发电机组——接近英国发电市场目前在冬季所保证的容量（视觉中国供图）

　　其次，不同能源形式之间的转换技术我们也已经有了，但因为能源密度和价格的差异，转换的成本相差很大。化石能源之所以难以被替代，就是因为它们的能量密度非常高，而且运输储存都很方便，实在是太好用了。因此有不少人认为，起码在目前的条件下，化石能源是最符合经济规律的能源形式，取代它们是反人性的。

　　但是，这些人没有意识到，化石能源之所以如此便宜，是因为我们没有把环境成本加进去。如果我们这一代人不加约束地烧煤烧油，加剧了气候变化，下一代人将会为此付出更多的环境和经济代价，这才是真正反人性的做法。所以说，尽快取代化石能源反而是最符合经济规律的决策，为此多花的那些钱很可能是人类历史上最明智的一笔投资。

　　再次，人类历史上发生过两次大的能源转型，分别是从木柴到煤炭，再从煤炭到石油。这两次能源转型都是因为我们找到了能量密度更高的能源形式，转换起来顺理成章，无需干预。这个规律还能延续下去吗？答案是肯定的，因为我们开发出了核能。核能是宇宙间能量密度最高的能源形式，不但完全符合人类的能源发展规律，而且几乎没有碳排放，是当前最应该大力发展的新型能源。

　　人类早在上世纪50年代就掌握了和平利用核能的技术，可惜因为出过几次核事故，以及一些来自媒体和反核组织的负面宣传，导致民众对于核能充满了各式各样的误解。这股情绪反过来又为核能的和平利用增加了很多不必要的成本，极大地削弱了核能的竞争力。实际上，核能无论是投资收益还是真实安全性都要比化石能源好很多，核裂变原料的储量也足够丰富，至少可以让人类安全地使用上千年。

　　2021年9月，法国ITER（国际热核聚变实验堆）现场，一名工程技术人员站在世界上最大的磁约束装置前

　　如果核裂变原料用光了的话，我们还有核聚变。地球上拥有取之不尽的核聚变原料，几乎永远不必担心枯竭。而且核聚变产生的核废料极少，很容易处理，不像核裂变那样麻烦，所以说核聚变将是人类的终极能源形式，人类对于宇宙的终极想象，将会依靠核聚变来实现。

责任编辑：刘光博

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