增加供求系統負熵促能源轉型

□ 孫 月 孫 竹

能源轉型的基礎是提供能源供求系統更多的負熵，增加負熵的政策措施將有助于能源轉型這一戰略的實現。提高能源利用效率、提高對可再生能源的消費比重、開采利用新型能源和促進廢棄資源的循環再利用等，都屬于能源轉型的負熵舉措。

使用清潔能源的公交汽車。李曉東 供圖

能源供求系統向來依托于傳統的經濟學思想，市場通過供求關系來決定價格，管制方也可以通過對市場價格的指導來調整供求，但一直沒有屬于能源系統自身的理論。如何從能源系統本身的發展來考慮能源生產與消費之間的關系和尋求更適宜的能源生產與消費以實現能源轉型是我們所關注的問題，在此情況下，“熵”作為一種自然科學的理論給我們提供了新思路。

熵的定義和發展

“熵”在物理學上代表著一種無序或混亂程度，起源于熱力學第二定律，即熱量能自然地從高溫物體轉移到低溫物體，但不能在無外力作用的情況下從低溫物體傳導到高溫物體，也稱熵增加原理，即孤立系統中的熵只會隨著時間的增加而增加或不變，絕不會減少。熵，指無法利用的熱能除以最佳溫度所得到的商，熵的值越高，代表系統中損耗越多，無用功越多，系統中增加的熵，永遠不會低于零，即孤立系統中的熵，不會自動減少，若過程可逆，則熵值保持前一狀態不會增加，若過程不可逆，則系統里的熵增產生。

熵的概念最早由魯道夫·克勞修斯在1865年提出熱力學第二定律時產生，同時熵增原理也伴隨而生。魯道夫·克勞修斯還結合了熱力學第一定律和第二定律并應用于整個宇宙，提出了“熱寂說”這一觀點：宇宙的熵，越接近某一最大的極限值，那么它變化的可能性越小，宇宙將永遠處于一種惰性的死寂狀態。此后，熵的概念被發展并衍化到了許多其他的學科領域中。

1873年吉布斯發表了《流體熱力學的圖解方法》一文，用幾何圖解釋了體積與溫度、熵、壓強和內能等因素相關，開始將熵的概念與幾何方法結合起來。

1889年玻爾茲曼將熵，從宏觀角度擴展到微觀角度。他認為，熵在粒子系統中表示原子和分子之間無序的排列程度，即熵越多，系統里粒子排列越無規則、越混亂；熵越小，則整個系統越有序，且系統某一狀態下的熵與系統在該狀態下對應的熱力學概率的對數成正比，由此正式地將熵與統計物理學結合起來。

1944年薛定諤將熵應用到生物學領域。薛定諤在《生命是什么——活細胞的物理觀》一文中認為生命狀態本身是一種高度有序的狀態，即低熵狀態，但同時生命有機體在不斷地增加熵，當熵達到最大值時生命便處于死亡狀態，生命過程就是通過新陳代謝，不斷吸收低熵排出高熵，延遲高熵進程的過程。

1948年，香農發表了《通信的數學原理》一文，首次將熵的概念引入信息論中，認為在對信息的獲取過程中，同樣體現了知識的不斷增加，即信息熵的不斷增加。

1969年以普利高津為代表的布魯塞爾學派提出了新的科學理論——耗散結構理論，認為熵增原理只存在于孤立系統中，而開放系統是可以實現熵減的。

1987年杰里米·里夫金和特德·霍華德在所著的《熵：一種新的世界觀》一書中將熵這一物理概念應用到哲學等文化領域。

此后熵更是不斷發展，同時也伴隨著各種爭議，對熵的進一步研究更多地注重在更為具體的各個系統中而非學科領域。如果把能源供求系統視作一個整體，同樣可以將熵引入其中，從新的角度重新審視能源消費與生產，促進能源轉型。

熵在能源供求系統中的應用

封閉的系統都會遵循熵增定律，然而事物都有相對性，從耗散結構理論開始，負熵這一概念初顯雛形。熵本身是和熵增定律相伴出現的，在一個孤立的封閉系統中，熵只會隨著時間流逝和事情發展而不斷增加，但實際上這只是一個理想狀態，許多系統都是開放的，是可以在與外界的交換過程中實現自身的熵減，即負熵。負熵表示的是熵增的對立面——有序。

負熵和熵一樣，被擴展應用到許多其他領域，在經濟學中熵增指經濟活動本身所創造的價值低于其實際消耗成本，例如生產一些農作物，而農產品的生長過程中消耗了大量的陽光、雨露和勞動力成本，加上投入的種子和肥料等物質成本，總價值是要大于農產品的售價的。但這是站在整個地球的角度來考慮的，將不需在市場上交易、不存在貨幣價值的自然資源視作了成本的一部分。拋開這些因素，不考慮動植物成長系統與其他系統的資源交換，農作物的生長在本系統內是一種有價值的負熵。但根據熵增原理，在不可逆過程中，系統勢必發生熵增，某子系統達成的負熵代表著必有其他子系統產生了更多的熵增，故母系統最終會因子系統的活動呈現出更多的熵增。

負熵只在開放系統中存在。若將能源供求系統狹窄地定義成最常用的傳統化石能源的集合，則能源供求系統是一個封閉的系統。能源的消費以化石能源為主，化石能源主要包括煤炭、石油和天然氣，屬于一次能源，也是開采技術最成熟和使用最廣泛的能源，是由古代生物的化石經千百萬年時間沉積而來，故化石能源是有總量限制的。隨著人類生活生產的需要，化石能源被不斷地開采和使用，所剩可利用能源越來越少，我們可以從行為上將能源消費理解成使有序退化成無序的一種熵增行為，將能源生產理解成使別處的無序，化成此處的有序的一種半負熵行為（并不能完全稱之為負熵，因為能源生產耗用了其他系統的資源，違背了系統封閉原則）。雖然目前是供應量大于消費量，但考慮代際關系，總體依然是所需的消費量趨近于或大于生產量，即熵增大于負熵，若熵增不斷發生直至最大值則會出現能源枯竭，能源供求系統開始滅寂。

若考慮能源轉型的要求，非常規油氣資源和可再生能源在能源供求系統中的地位將更加突出，能源供求系統從廣義上理解，則處于一個非封閉的狀態。我們可以從整體上，將一切不斷降低能源消耗速度，延長能源可用年限，提高原有能源儲量的行為都理解成負熵。在開放的系統中，能源的總量并非是固定的，是能夠隨著人們的認知水平和技術能力的進步而不斷擴大的，但能源消費總量也會隨之擴大，甚至其增長速度可能會超過技術進步的速度，熵增同樣會不斷地發生，但較之封閉系統，開放系統的負熵行為更加多元化，更能延緩能源供求系統的衰竭。

無論是從狹義上還是從廣義上，能源供求系統中的熵增定理都是指社會生活的進步和便利，是以能源的不斷使用和消耗換取的，是能源資源終將消耗殆盡的發展趨勢。在更貼近現實的非封閉狀態的能源供求系統里，促進能源轉型與實現負熵發展的理念不謀而合，同樣可以延長系統的壽命期。

從負熵的角度促進能源供求系統的能源轉型

生命活動和經濟活動都以熵增為發展趨勢，但又依賴負熵為生。當我們將各個系統分隔開來，忽視其中的資源交換，就會在某些方面發現系統并不遵循熵增定律，原因在于在現實中，各系統常常并不是孤立的，子系統和母系統必然存在交集，不同子系統間也存在關聯，這并不符合熵增定律的原始假設。又恰恰是這開放的系統狀態，才能利用系統外的資源幫助實現系統內的熵減，以減緩系統熵增的速度。

在能源供求系統中，要實現負熵不外乎兩點：擴大總的能源供給量和減少經濟發展的單位能耗。以我國為例，如何在能源供求系統中不斷降低能源消耗速度，延長能源可用年限，促進能源轉型，我們可以從以下四個方面著手。

第一，提高技術水平，提高能源利用效率。單位GDP能耗是反應能源消費水平和節能降耗狀況的主要指標，是能源消耗總量與國內生產總值的比率。發達國家能源利用效率約為46%，而我國能源利用效率僅有36%。改善這一困境我們可以（1）改變能源消費構成，煤炭發電效率就比天然氣發電效率低，損耗更高，在可以選擇的情況下，優先使用能效更高的能源產品；（2）增強技術創新，促進技術設備更新進步，減少中間環節的損耗，直接提高能源使用效率；（3）轉變經濟增長方式，粗放型經濟增長方式比集約型經濟增長方式的能效低，單位GDP能耗更大；（4）調整產業結構，第二產業較之第一產業和第三產業來說能耗高，故發展第三產業或科技行業是降低能耗的好的選擇。能效的提高可以有效減少能源需求量，減少熵增。

第二，提高科技成果轉化應用水平，提高對可再生能源的消費比重。近年來我國能源消費結構中煤炭高居首位，占比約62%，石油緊隨其后約占19%，水電以9%排列第三，天然氣占6%，可再生能源約占3%，核電比重最低約1%。能源消費結構以傳統化石能源為主，但如果能夠增加對可再生能源的使用，就可以減少對化石能源的消耗，且可再生能源如太陽能并非由地球本身生成，而是由太陽不間斷地向地球提供能量，即能量來自于系統之外且太陽能的豐富程度遠超當前消費水平下人類的能源消耗總量，對太陽能的使用也絲毫不會占用其他系統資源，對其他系統造成損害。對可再生能源的利用可以增加能源供求系統里的能源供給，延緩熵增速度。

第三，提高開采水平，尋找并開采利用新型能源。人類對能源的使用主要依賴于化石能源，消費重心從煤炭轉至石油，可見地球上可被利用的能源是能夠隨著技術水平的發展而不斷豐富的。如可燃冰，它是分布于深海沉積物或陸域永久凍土中的一種天然氣水合物，是一種類冰形態的結晶物質，遇火可以燃燒，是比天然氣還高效環保的新型能源，儲量非常豐富，但因目前人類技術水平的限制，難以對可燃冰進行開發利用，多數停留在試采階段，距離正式投入市場還有很長一段路程?？扇急还J為是石油、天然氣等傳統化石能源的替代能源，只要能夠在石油等傳統能源資源枯竭之前實現技術突破，同樣可以減緩能源消費的熵增趨勢。對新型能源的開發利用可以增加系統里的能源總量，總基數增加，熵增勢必減緩。

能源轉型已為社會各界所關注。李曉東 供圖

第四，提高環保水平，促進廢棄資源的循環再生利用。實現能源供求系統里的負熵除卻對自然的各種索取，也可以依賴現有資源，通過增強民眾的環保意識提高社會環保水平。將廢棄資源分類回收循環再利用可以最大化地發揮能源的使用價值。對能源的循環利用，我們可以關注：（1）開發過程中的循環利用，煤炭開采過程中產生的煤層氣是一種有害氣體，容易造成瓦斯事故，但也可以作為高效的能源進行開采利用；（2）生產加工過程中的循環利用，我國陜西榆林府谷縣就實現了將當地煤炭加工廢棄物低溫蒸餾成“蘭煤”用于鐵合金等的循環利用；（3）使用過程中的循環再利用，我國青島董家口循環經濟區有一個青鋼循環經濟配套項目，生產鋼鐵需要消耗大量煤炭，該項目將燃燒煤炭過程中產生的熱氣和加熱后的熱水轉化成電力和供熱，實現了廢棄物的循環再利用。對廢棄資源的循環利用可以減少能源消耗總量，最大化發揮每單位能源的作用，增加系統里的負熵。

能源供求系統中的負熵就是通過擴大可用的能源供給和減少不必要的能源消耗，在保持經濟正常運行的情況下促進能源轉型，推動能源系統的可持續發展。但是值得注意的是，此刻的能源供求系統是一個開放的系統，與外界存在資源交換，能源供求系統里的負熵的發生正是由其他交換系統里更大的熵增所換來的。