未來主力能源是什么

人類社會的存在和發展，從物理意義上，是一個不斷與環境進行物質交互和能量交互的過程。從這個意義上說，能源問題從來都是人類社會發展的一個基本命題。人類文明要維持高速發展，能源問題是一個必須考察的問題。

人類的未來主力能源可能是什么？科學界、產業界眾說紛紜，從各種角度和立場給出了各式各樣完全不同的回答。但如果不追求精確、細致的答案，其實普通人基于一般常識就足以給出一個粗線條的、方向性的結論。

那么，讓我們從未來主力能源應該具備哪些條件開始討論。

未來主力能源應有哪些條件？

首先，未來主力能源只能是指一次能源，任何二次能源都要排除。

二次能源只是一次能源加工和轉化的中間形態，只是能源利用的方式問題，而非能源問題本身。

比如有觀點認為氫能是極具潛力的未來能源。如果基于廉價和充足的電力供應，電解水制氫，以氫能取代以化石能源為基礎的汽油、柴油、煤油、煤氣，不僅是有可能的，而且也是更清潔的。但氫能及其所取代的對象都不是能源本身，只是能源的中間形態，不能成為未來能源的討論對象。

第二，未來能源必須具有現實的，至少是明確可預期的技術可行性。

反物質能源經常出現在科幻小說中，但在現實中連理論可行性都沒有明確回答，顯然不能成為討論對象。可控核聚變，是人類可知范圍內的終極能源，一旦得以突破，從實驗室進入產業應用，那么人類文明很可能進入一個今人難以想象的新階段，未來能源也就成為基本無需討論的問題了。但在當前，其技術前景即使最頂尖的科學家也難以預見，也只能忽略。

實際上，對未來能源的討論只能被限定在已有大規模應用，或至少已經有一定產業實踐基礎的能源范圍內。2017年數據，全球一次能源消費的大致結構是：煤炭占27%，石油占32%，天然氣占22%，生物質能占10%，核能占5%，水力占3%，其他可再生能源合計約2%。換言之，討論范圍應大致限定在，生物質能、化石能源、裂變核能、水能，以及其他項中包含的風能、太陽能、地熱能、潮汐能。

第三，未來能源在可利用總量上相對人類當前的能源利用規模，必須有數量級提升的潛力。

從能源的角度觀察人類社會的發展，人類社會每一次革命性進步都是一次能源利用規模量級的提升。

首先是農業革命。從狩獵-采集社會向農業-畜牧社會的轉變，意味著人類對環境能量的利用，第一次由分散、隨機和基本無儲積的方式，轉變成了集中、有目的和可儲積的方式。盡管都是利用光合作用轉化的太陽能，但農業和畜牧都是大規模的、集中的利用作物的光合作用，并把轉化的能量通過果實或者牲畜儲存起來。

美洲大陸的狩獵采集文明，100人的部落要維持生存需要的土地面積大約在30平方千米～70平方千米，人均200畝～500畝，單個部落一般很難超過300人，300人的部落需要大約100平方千米～200平方千米土地，已經達到狩獵-采集的大致極限范圍。而在農業社會人均僅需5畝～10畝土地，同樣土地可以支撐的人口規模擴張百倍以上。相應的，人類社會的能源利用規模提升了至少兩個數量級。

其次是工業革命。工業革命是人類能源利用規模的第二次量級提升。化石能源的使用，意味著人類可以在短時間內釋放和利用漫長地質時期里地球生態系統所儲積的太陽能。直至今天，人類的主要能源仍然是化石能源，盡管可以有更加細致的時代劃分，但廣義的說，我們仍然處在工業時代。

生物質能在工業革命之前，基本是人類可以利用的全部能量來源。但在目前，生物質能只占人類能源利用總規模的1/10，考慮到當前世界人口規模已經是農業時代的十倍左右，且普遍享有高得多的營養水平。簡單比較可知工業文明相較農業文明，能源利用規模也提升了至少兩個數量級。

如果我們期待人類文明在未來仍然會繼續躍升，那么我們的能源利用規模也必需有數量級的提升。能源是文明發展的基礎動力。雖然如果能源利用規模不再擴張，增長仍然是可能的，但這種增長必然是“內卷化”的，很難被稱為發展。在工業革命以前，發達的農業社會普遍陷入了“內卷化”增長的境地，土地的單位產出無法獲得大幅度提升，也不存在新的產出方式，只能依靠“精耕細作”，依靠勞動力的密集投入，以求盡可能逼近作物的產出極限。顯然沒有工業革命，“馬爾薩斯陷阱”就將一直成立，文明和經濟將被迫保持緩慢的增長，或者叫做痛苦的停滯。

今天，人類所依賴的化石能源，即使不會在可預見的未來耗盡，也已經達到或者接近利用規模的極限，之所以文明的發展還沒有陷入停滯，那是因為已經有新的能源方式在發展和孕育。

第四，未來能源必須不存在顯著的環境閾限。

人類的生存環境是地球生態圈，人類的能源利用必須在地球生態圈的承載閾限之內。

但熱力學第二定律告訴我們，孤立熱力學系統的熵不減少，總是增大或者不變。人類文明是一個不斷建造更大規模、更低熵值的物質系統的過程。人類文明物質系統的熵減，意味著外部能量的輸入。但如果這種能量輸入的來源只局限于地球生態系統的范圍內，那也就是說，人類社會的熵減，即是地球生態系統等量或更大量的熵增，人類的一切發展，都是地球生態的等量或更大量的破壞。

幸運的是，地球生態圈有自我修復能力，因為它也并非封閉系統，有太陽能作為穩定永續的能量輸入源。但人類社會的發展對地球生態的影響整體上是破壞性的，這一點也是確定的結論，可討論的只是這種破壞性是否還在地球生態圈的承載閾限之內。而一切直接取自地球生態圈內部的能源都是在逼近或者挑戰地球生態圈的承載閾限。地球生態圈承載力的確切極限在哪里，無法被準確回答，但是，全球變暖、環境污染，生物多樣性退化等等眾多危險信號已經給我們亮起了紅燈。即使生態極限可以被準確測量，最好也不要去測試這個極限，在懸崖邊起舞是危險的。

從這個角度，任何直接取自地球生態圈內部的能源，都不可能是真正具有革命性的，也不可能成為人類未來能源的理想選擇。

現有的能源選擇

規模潛力和環境限制兩個限定條件足以把現有的大多數能源方式排除出未來主力能源的候選范圍。

化石能源顯然不具備這樣的潛力。根據2016年數據，全球化石能源儲量，煤炭儲采比為114年，石油為50.7年，天然氣52.8年。而作為我國主要能源的煤炭儲采比更低，僅為31年。隨著勘探、開采技術的進步，也許在較近的未來，化石能源的儲采比仍然能夠得以維持，甚至略有增長，暫無枯竭之虞。但是，化石能源的利用規模不可能有數量級增長的潛力，仍然是一個顯而易見的結論。

另外，化石能源很可能也已經達到環境閾限。化石能源在采掘、加工、燃燒過程中難以避免的造成地質破壞和環境污染。更重要的是，無論如何提升利用轉化效率和清潔化使用，化石能源的使用都意味著無法避免碳排放、加劇地球氣候變暖。盡管對于細節和機理仍然存在很多爭議，但對全球變暖本身及其與碳排放之間的關系，科學界已經建立共識。盡管存在各種基于政治和經濟因素的干擾，全球對碳減排的必要性也已經形成共識。顯然，即使化石能源儲量無限，其利用規模也不能大幅度增長，甚至必須削減。目前主要經濟體大多都做出了碳減排的承諾，其中我國承諾碳排放2030年左右達到峰值，單位國內生產總值碳排放比2005年下降60%～65%，也就是說我國將在2030年左右，進入碳排放絕對量下降的階段，化石能源消費量將在不遠的未來開始下降。

核能也是一種礦物能源，不可再生且利用規模極限并不遙遠。鈾在地殼中豐度大約百萬分之2.3，總量非常巨大，但廣泛分布，可開采資源量有限。根據世界原子能組織數據，截止2015年，世界已查明鈾回收成本在130美元/kg之內的資源量571.85萬噸，高成本級別的鈾資源回收成本在260美元/kg的資源量為764.15萬噸。當前鈾資源年消費量約7萬噸，資源儲采比大致和化石能源處于同一水平，同樣沒有驅動能源利用規模做量級提升的潛力。事實上根據當前專家的主流估計，在2020年代鈾就將出現供給缺口。

水力和風力能源同樣沒有支撐人類能源利用規模做數量級提升的潛力。它們都是太陽能在留在地球生態循環中的過程性能源，太陽能的大部分都以直接反射和紅外輻射形式返回空間，在地球表面轉化為空氣和水的動能的部分不到1%。盡管太陽能的小部分相對人類需求也是極為龐大的，但截斷所有空氣和水循環，將之全部轉化為能源，既不可能，也無法接受。2017年全球水電發電量約為41850億千瓦時，全球水電技術開發程度（發電量與技術可開發量的比值）為29%，其中歐洲水電開發程度為53%，北美州為44%，我國為56%。全球水電經濟開發程度（發電量與經濟可開發量的比值）已達48%，歐洲水電經濟開發程度達80%，北美洲達77%，南美洲為47%，亞洲和環太平洋地區為43%，在可預見的未來，水力開發仍有增長潛力，但開發規模極限已經并不遙遠，增長速度整體上必然不斷趨緩。風力開發程度較低，增長潛力也較大，但其性質與水力類似。陸地上風力大于5m/s的地區中，只有約4%的面積有可能安裝風力發電機。以我國為例，具有開發利用價值的陸上風資源大約為25.3萬MW，大體相當于中國水電資源可開發量的51%。風力、水力兩者合計在人類能源格局中都不可能占據主要地位，只是因其可再生能源屬性和較高的能量密度和較好的經濟性占據輔助能源的位置。

生物質能，全部直接和間接來自植物和微生物的光合作用。光合作用對太陽能的轉化效率因植被情況而有很大差異，較高水平的高產水稻一般為0.4%，自然條件下陸地植物平均效率約0.2%～0.3%。事實上，生物質能主要是人類的營養來源，作為燃料和狹義能源并非主要用途。生物質能利用方式多樣，包含生物燃料、垃圾和秸稈發電、沼氣和薪柴等等，有些是能源價格波動驅動的套利行為，有些是生活和農牧業副產品的精益利用，有些則是傳統生活方式的殘余。本質上，生物質能是前工業時代的能源方式，在今天能源意義仍存，但其本身主要依存于農林牧業，并非一種可以獨立發展的能源類型。

另外，水力、風力和生物質能，都是直接取自地球生態圈的能源，雖然通常被認為是清潔能源，但截斷江河、削減風力、開墾和擴張農田，顯然都存在負面生態影響。

再排除目前尚不具備真正的規模化產業應用能力的地熱能和潮汐能，剩下的選項幾乎是唯一的——太陽能的直接利用。

目力可見的未來能源——太陽能發電

太陽能的規模潛力毋庸討論。除了核能、尚難以規模利用的地熱和潮汐能，人類使用的其他一切能源都是太陽能在地球生態圈內不同形式的載體。除可控核聚變之外，并不存在可利用資源量超越太陽能的其他能源形式。以中國為例，2019年全年總用電量72255億千瓦時，按一類資源區日照能量下限6680MJ/m2，以目前光伏發電主流產品20%左右的轉換效率，需要1.95萬km2土地，不到我國當前261萬km2荒漠化土地的1%。

太陽能的直接利用，基本也不存在環境閾限。與其他主流的能源方式的最大區別在于，直接利用太陽能事實上已經部分跨出了地球生態圈的能量循環，它不依賴生態圈內的物質和能量轉換，是對地球生態擾動最小的能源方式之一，而即使是這些擾動，主要的方面對人類也是正面的。覆蓋了太陽能電池的荒漠化地區就不能再被視為荒漠了，太陽能電池板可以近似等效于覆蓋了轉化效率約20%的人工植被。由于太陽能發電減弱了地面蒸騰作用，天然具有保水固沙的功能，實際上，幾乎所有建設在荒漠化土地的光伏項目都帶來了當地自然植被的恢復。

在2010年，主流晶硅太陽能電池轉換效率尚在16～18%，目前，主流晶硅太陽能電池效率已經高于20%，尚未產業化的新型鈣鈦礦太陽能電池的效率已經29.15%。

在我國，2020年就是正式取消補貼，光伏發電實現全面平價上網的一年，而在此之前，光伏發電，在傳統發電方式面前，缺乏價格競爭力，必須依賴政策扶持和補貼。

在此前的2019年，光伏企業隆基股份總裁李振國，還曾放出預言：10年內，光伏發電成本即將全面低于1美分/度電，產能5年內達到400GW。在2020年4月，在阿布扎比的一個2GW的光伏電站招標中，一家中國光伏企業和一家法國企業聯合，就投出了0.7934美分/度電的歷史性的中標價格。

伴隨太陽能發電成本的快速下滑，一場新的能源革命可能就近在我們眼前。