「未來的能源」
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?主筆 | 袁越
?2021年6月，四川省關(guān)閉了一大批礦場，原因之一是節(jié)能減排。
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這些礦場挖的不是煤炭或者某種貴金屬，而是比特幣。挖礦的工具也不是鍬鎬，而是計算機。它們?nèi)找共煌５剡M行著計算，試圖用這個方法解決復雜的數(shù)學問題，以此來獲得比特幣獎勵。
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2016年，四川阿壩州某水電站附近的機房里，550臺礦機晝夜轟鳴。圖為工作人員在檢查礦機的運轉(zhuǎn)狀況（視覺中國供圖）
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比特幣本質(zhì)上就是一串代碼，只存在于虛擬世界中，沒有任何對應(yīng)的實物。但挖礦卻是需要耗電的，四川省因為有廉價的水電，一度擁有全世界將近50%的算力資源。但水電再廉價也是需要拿真金白銀來換的，虛擬的比特幣產(chǎn)業(yè)增加了真實世界的碳排放，最終沒能逃過被取締的命運。
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這是個標志性的事件，它說明人類的能源消費已經(jīng)徹底擺脫了物質(zhì)的束縛，進入了精神的世界。
?能源與幸福
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人活著就要追求幸福，而幸福感離不開物質(zhì)的幫助。我們需要既美味又有營養(yǎng)的食物，既好看又保暖的衣服，既寬敞又舒適的房子，以及一次次說走就走的旅行。話雖如此，一個人再怎么愛美，家里的衣櫥也是有限的；再怎么好吃，一天三頓飯也足夠了；希望房子更大，但房價往往也會跟著漲；離家越遠，人就越需要回家休息。
紀錄片《難以忽視的真相》截圖
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換句話說，對于大多數(shù)普通人而言，無論是美食美酒還是物品材料，對于幸福感的提升作用都是有限的。事實上，隨著文明程度的提升，一個人的幸福感甚至有可能和他的物質(zhì)需求成反比。比如在那些普遍營養(yǎng)過剩的發(fā)達國家，一個人的胖瘦已經(jīng)和他的富裕程度關(guān)系不大了，而是只和他的教育水平有關(guān)。受教育程度越高的人，吃東西的時候反而會更節(jié)儉。
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但能源就不同了。一個人的幸福程度，幾乎總是和他的能源消耗量成正比。一個生活在發(fā)達國家的現(xiàn)代人的營養(yǎng)攝入量并不比人類祖先們高多少，但他的平均能耗卻是狩獵采集者的50倍以上。充足的能源供應(yīng)讓這個現(xiàn)代人能夠生活在幾乎恒溫的房子里，隨時和相隔千里的親朋好友通話，一高興就可以用比古時候快100倍的速度去和朋友會面。
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紀錄片《家園》截圖
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所有這些能夠提升幸福感的“神跡”古人一定都想到過，但他們沒有足夠多的能源去實現(xiàn)這些夢想。比如，古人的最大夢想一定是永遠不會餓肚子，現(xiàn)代人依靠比一個世紀前高10倍的糧食單產(chǎn)實現(xiàn)了這一目標。但實現(xiàn)這一目標的一個重要前提就是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的單位土地面積能耗是一個世紀前的90倍，一個現(xiàn)代農(nóng)民可以駕駛著燒柴油的農(nóng)機具播種和翻耕，用電動水泵抽取地下水實施灌溉，并通過消耗化石能源生產(chǎn)出足夠多的化肥。
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與此同時，一個現(xiàn)代人絕不會僅僅滿足于吃飽肚子。他的夢想也許是重建地球生態(tài)，或許是和親朋好友一起環(huán)球旅行，甚至是乘坐宇宙飛船探訪火星。所有這些想象都需要大量優(yōu)質(zhì)能源的支撐才能實現(xiàn)，而且想象力越豐富，所需要的能源往往也就越多。人類的想象力是沒有盡頭的，對能源的需求同樣也是沒有盡頭的。
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元宇宙的能源消耗
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一些人對于能源的未來沒有信心，便創(chuàng)造了一個全新的概念，叫作元宇宙。按照他們的設(shè)想，未來的人類根本不用把想象變?yōu)楝F(xiàn)實，只需把大腦接入元宇宙的世界就可以滿足了。但是大家別忘了，思考和想象同樣也是需要能量的。很多人之所以沒有意識到這一點，是因為我們的大腦是個效率超高的思考機器，僅靠一碗米飯就能胸懷天下。但即便如此，僅占體重2%的大腦依然消耗了人體20%的能量，由此可見思考的耗能之大。
位于羅馬尼亞克盧日-納波卡市的Evobits加密農(nóng)場（視覺中國供圖）
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思考的本質(zhì)就是計算，當人類學會了用計算機代替腦細胞進行計算的時候，這才終于意識到計算有多么地耗能。比特幣行業(yè)完全建立在暴力計算的基礎(chǔ)之上，其2021年的總耗電量達到了2000億千瓦時（1千瓦時即1度電），差不多相當于兩個三峽大壩的年發(fā)電量。如果把整個比特幣行業(yè)當成一個國家的話，其耗電量在全球第25名左右，而且這個排名還會持續(xù)上升，因為根據(jù)比特幣的定義，挖礦的成本將會隨著比特幣礦藏量的減少越來越高。已知比特幣的總數(shù)為2100萬個，目前已經(jīng)挖出了1850萬個，剩下的那250萬個比特幣的挖掘成本將會呈指數(shù)級增長。
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即使你不是礦工，只是比特幣的普通玩家，你同樣會消耗大量的能源，因為比特幣每交易一次都會消耗大約2300千瓦時的電力，足夠一個生活在中國小城市的三口之家用一年了。要知道，比特幣只是加密貨幣的一種，還有好多新出現(xiàn)的加密貨幣沒有計算在內(nèi)呢！
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《銀翼殺手2049》劇照
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也許有人會說，加密貨幣及其背后的區(qū)塊鏈技術(shù)存在爭議，并不是所有人都看好它的未來。但整個數(shù)碼行業(yè)的用電量驚人，這已是不爭的事實，只是普通老百姓沒有意識到而已。比如芯片制造行業(yè)的領(lǐng)軍公司“臺積電”（臺灣積體電路制造股份有限公司），每年的耗電量超過了140億千瓦時，大致相當于深圳市常住居民一年的用電量。而目前全球各大互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的耗電量已經(jīng)達到了全球總用電量的2%，隨著奈飛和抖音等流媒體應(yīng)用的飛速發(fā)展，到2030年時這個數(shù)字很有可能上升到8%。
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被公認為是未來經(jīng)濟支柱的人工智能（AI）更是潛在的電老虎，因為現(xiàn)階段的人工智能仍然離不開暴力計算。當年戰(zhàn)勝李世石的谷歌圍棋程序AlphaGo是一個總功率高達100萬瓦的龐然大物，而人腦的功耗僅為20瓦左右。縮小兩者之間差距所需要的關(guān)鍵技術(shù)距離現(xiàn)實還很遙遠，導致任何一個基于人工智能的軟件系統(tǒng)都耗電驚人。據(jù)一項來自美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校的研究顯示，訓練一個錯誤率小于5%的圖像識別模型所需費用高達1000億美元，產(chǎn)生的碳排放與紐約市一個月的碳排放相當。如果要想將錯誤率減半，理論上至少需要再增加500倍以上的計算資源，其成本將是天價，碳排放更是讓人難以承受。
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合肥聚變堆主機關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施（視覺中國供圖）
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當然了，網(wǎng)絡(luò)的普及肯定會在某些方面減少碳排放，比如視頻會議節(jié)省了與會者的交通費。但能源領(lǐng)域有個著名的“杰文斯悖論”（Jevons Paradox），這是19世紀英國經(jīng)濟學家威廉·斯坦利·杰文斯（William Stanley Jevons）首先提出來的。他發(fā)現(xiàn)煤炭的使用效率越高，對煤炭的需求量就會越大，而不是正相反。對應(yīng)于當今世界的話，這就好比一個人買了一輛電動汽車，每公里能耗比油車低了很多，但他很可能會因為這個原因而更喜歡開車去買菜，而不是騎自行車，結(jié)果他每個月的交通費很可能比開油車時更多了。
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總之，能源的未來和農(nóng)業(yè)或者材料領(lǐng)域都不相同。后兩者都是有上限的，可以通過節(jié)約或者提高使用效率來實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，但能源不行，因為能源是一切進步的基礎(chǔ)，而人類對于進步的追求是沒有盡頭的。
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紀錄片《愚昧年代》截圖
未來能源的氣候約束
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可問題在于，目前人類的能源消耗總量當中尚有80%以上來自化石能源，這是不可持續(xù)的，原因有三。
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首先，經(jīng)過這么多年的媒體宣傳，相信大家都已知道二氧化碳排放導致全球氣候變化這件事了。不管你是否打心眼里相信它，全世界幾乎所有的國家都已在2015年的《巴黎協(xié)定》上簽了字。這份協(xié)定要求在本世紀內(nèi)將升溫幅度控制在2℃以內(nèi)，甚至最好控制在1.5℃之內(nèi)。為了實現(xiàn)這一目標，人類活動導致的碳排放必須盡快降到零。于是各國政府陸續(xù)公布了自己的減排承諾，包括歐盟、美國和日本在內(nèi)的100多個國家和地區(qū)都把2050年作為實現(xiàn)碳中和的最后期限，另外兩個排放大國巴西和印度則分別承諾到2060年和2070年實現(xiàn)碳中和。
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?中國是世界第一排放大國，習近平主席在2020年9月召開的第75屆聯(lián)合國大會上首次提出了中國的“雙碳”發(fā)展目標，承諾二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。
雖然有些方法可以抵消化石能源帶來的碳排放，比如植樹造林或者碳捕捉和碳封存技術(shù)等，但這些方法都是暫時性的，理論上是無法持續(xù)使用的。
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?其次，化石能源是有限資源，本身是不可再生的。根據(jù)目前最新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，石油的已探明儲量只夠再用53年，天然氣是48.8年，煤炭要更久一些，但也只夠用139年而已。有人根據(jù)以往的經(jīng)驗，相信人類總能開發(fā)出新的化石能源儲備，還舉了頁巖氣、油砂和海底可燃冰的例子。但化石能源本質(zhì)上就是埋于地下的古代生物的尸體，其總量肯定是有限的。上述這幾種新的化石能源儲備不但開采難度很大，而且更容易污染環(huán)境，不到萬不得已是不能動用的。
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另外，石油和天然氣等化石能源還有一項難以替代的功能，那就是作為化工行業(yè)的原材料。如果我們把石油天然氣全都作為燃料燒掉了，那么塑料和化纖等人類必需的化工產(chǎn)品從哪里來呢？
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法國CNIM集團的生產(chǎn)車間里正在制作用于國際熱核聚變實驗堆的配件
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再次，化石能源還有個很關(guān)鍵的特性，那就是分布極度不均，這就導致了能源壟斷的局面，很多國際沖突因此而起。三種主要化石能源當中，煤炭的情況相對好一些，石油和天然氣的問題最為嚴重，因為前者在交通領(lǐng)域的作用暫時無法被替代，后者又被當作是奔向碳中和的最佳過渡能源，同樣很難被替代。因此，即使不考慮氣候變化和儲量限制，僅從保護國家能源安全的角度考慮，化石能源也不是長久之計，必須盡快找到代用品。
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目前已經(jīng)找到的化石能源替代品大都不受先天資源條件的限制，只和技術(shù)水平有關(guān)，而技術(shù)是相對容易學習和轉(zhuǎn)讓的，這就打破了過去少數(shù)國家仰仗自己的地理優(yōu)勢壟斷全球能源市場的局面，類似上世紀70年代石油危機那樣的能源危機將不會再有了。中國雖然在這方面起步較晚，但追趕的速度最快。根據(jù)科研和醫(yī)療信息分析公司愛思唯爾于2021年1月5日發(fā)布的《凈零之路：全球清潔能源研究現(xiàn)狀》，自2001年以來，中國在清潔能源領(lǐng)域共計發(fā)表40余萬篇論文，位居全球首位。截至2020年末，全球清潔能源領(lǐng)域約一半的專利都來自中國。
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紀錄片《難以忽視的真相》截圖
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因為以上這三個原因，人類的能源結(jié)構(gòu)必須轉(zhuǎn)型，徹底擺脫化石能源的束縛，沒有第二條路可走。這很像是一次目標明確的賽跑，每個參賽者都可以根據(jù)自己的實際情況選擇不同的路線和方式，但終點只有一個，沒有選擇。
?紀錄片《難以忽視的真相》截圖
能源轉(zhuǎn)型
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說到能源轉(zhuǎn)型，人類歷史上已經(jīng)發(fā)生過好幾次了，每一次都不容易。這一次的能源轉(zhuǎn)型將會格外艱難，因為人類目前正處于經(jīng)濟發(fā)展的高峰期，能源需求的增長速度非?？?。即使我們有辦法說服發(fā)達國家克制自己的欲望，暫緩前進的步法，我們也無法阻止廣大發(fā)展中國家迎頭趕上，努力提高自己國民的生活水平。根據(jù)聯(lián)合國相關(guān)機構(gòu)所做的統(tǒng)計，目前全球尚有8億人用不上電，另有26億人沒有清潔的廚房能源。我們不能為了節(jié)能減排就不讓這些人過上好日子，這是不道德的，也是注定不可能成功的。
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紀錄片《大衛(wèi)·愛登堡：地球上的一段生命旅程》截圖
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那么，人類能否在保持經(jīng)濟高速發(fā)展的同時完成這次能源轉(zhuǎn)型呢？答案是肯定的，理由有三。
首先，能量是一個籠統(tǒng)的概念，不但存在多種形式，比如熱能、勢能、動能、化學能、原子能等，而且可以有很多不同的來源，比如太陽能、風能、化石能源、核能等等。從理論上講，不同形式和來源的能量完全可以相互轉(zhuǎn)換和互相替代，如果一種能源形式對環(huán)境有害，換一種就行了，不像糧食和材料，不同組之間很難互換，靈活性差了很多。
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位于英國埃塞克斯海岸的布拉德韋爾核電站，布拉德韋爾發(fā)電公司要在未來20年內(nèi)建造40GW的海上風力發(fā)電機組——接近英國發(fā)電市場目前在冬季所保證的容量（視覺中國供圖）
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其次，不同能源形式之間的轉(zhuǎn)換技術(shù)我們也已經(jīng)有了，但因為能源密度和價格的差異，轉(zhuǎn)換的成本相差很大。化石能源之所以難以被替代，就是因為它們的能量密度非常高，而且運輸儲存都很方便，實在是太好用了。因此有不少人認為，起碼在目前的條件下，化石能源是最符合經(jīng)濟規(guī)律的能源形式，取代它們是反人性的。
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但是，這些人沒有意識到，化石能源之所以如此便宜，是因為我們沒有把環(huán)境成本加進去。如果我們這一代人不加約束地燒煤燒油，加劇了氣候變化，下一代人將會為此付出更多的環(huán)境和經(jīng)濟代價，這才是真正反人性的做法。所以說，盡快取代化石能源反而是最符合經(jīng)濟規(guī)律的決策，為此多花的那些錢很可能是人類歷史上最明智的一筆投資。
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紀錄片《大衛(wèi)·愛登堡：地球上的一段生命旅程》截圖
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再次，人類歷史上發(fā)生過兩次大的能源轉(zhuǎn)型，分別是從木柴到煤炭，再從煤炭到石油。這兩次能源轉(zhuǎn)型都是因為我們找到了能量密度更高的能源形式，轉(zhuǎn)換起來順理成章，無需干預。這個規(guī)律還能延續(xù)下去嗎？答案是肯定的，因為我們開發(fā)出了核能。核能是宇宙間能量密度最高的能源形式，不但完全符合人類的能源發(fā)展規(guī)律，而且?guī)缀鯖]有碳排放，是當前最應(yīng)該大力發(fā)展的新型能源。
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人類早在上世紀50年代就掌握了和平利用核能的技術(shù)，可惜因為出過幾次核事故，以及一些來自媒體和反核組織的負面宣傳，導致民眾對于核能充滿了各式各樣的誤解。這股情緒反過來又為核能的和平利用增加了很多不必要的成本，極大地削弱了核能的競爭力。實際上，核能無論是投資收益還是真實安全性都要比化石能源好很多，核裂變原料的儲量也足夠豐富，至少可以讓人類安全地使用上千年。
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2021年9月，法國ITER（國際熱核聚變實驗堆）現(xiàn)場，一名工程技術(shù)人員站在世界上最大的磁約束裝置前
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如果核裂變原料用光了的話，我們還有核聚變。地球上擁有取之不盡的核聚變原料，幾乎永遠不必擔心枯竭。而且核聚變產(chǎn)生的核廢料極少，很容易處理，不像核裂變那樣麻煩，所以說核聚變將是人類的終極能源形式，人類對于宇宙的終極想象，將會依靠核聚變來實現(xiàn)。
本文轉(zhuǎn)自于 三聯(lián)生活周刊
