能源的极限

2022-7-27 08:54:54 Author: www.ruanyifeng.com(查看原文) 阅读量:27 收藏

一、

美国能源署统计,1650年到2009年的美国能源消耗,年增长率为2.9%。

[图片说明] 美国的能源消耗,红线为年均2.9%。

你可能觉得,2.9%不是一个很高的增长率。某种程度确实如此,1949年到2019年的七十年间,中国用电量增长了1978倍,折算为年增长率是11.5%。

那么看上去,2.9%的增长似乎比较温和。

但是,加州大学的一个物理学家不这样想。他提出了一个无人问过的问题:如果人类继续以这种速度,生产和消耗能源,那会发生什么事?

下面,我就介绍他的计算结果。我不知道他的计算对不对,但是我觉得他的思路没错。

他后来写了一本书,叫做《一颗有限星球的能源和人类欲望》( Energy and Human Ambitions on a Finite Planet),网上免费下载。书里有详细的计算过程,感兴趣的朋友可以去看。

二、

他首先假定,全世界的能源增长率是每年2.3%。这样比较容易计算,这个速度正好等于每一百年增长10倍。

以这个速度,一百年后的2122年,全世界的能源是今天的10倍;两百年后的2222年,是今天的100倍。

那么,问题就来了。人类怎样才能在两百年内,将能源扩大到今天的100倍?

化石能源是不可能的,太阳能倒是有可能。根据维基百科,一小时内到达地球的太阳能,比人类当前一年消耗的能量还要多。

如果我们充分利用太阳能,确实可能把能源扩大到今天的100倍。但是那样的话,地球的每一寸陆地都必须铺设太阳能板。

计算表明,2.3%的增长率保持400年,地球的所有表面(包括海洋)都必须铺设太阳能板;保持1350年,人类需要的能源将等于整个太阳的能量;保持2500年,等于整个银河系的能量。

[图片说明] 2.3%的能源增长率,将导致两千多年后,人类需要整个银河系的能量。

这显然是不可能的。但是,即使不考虑遥远的将来,只在今后几十年保持2.3%的能源增长率,人类也会遇到一个严重的问题:散热。

三、

物理学告诉我们,能量只要做功,就必然会产生热量。

人类消耗越来越多的能源,不可避免会产生更多的热量,地球的散热问题也就越来越严重。

地球主要通过红外线,向宇宙空间辐射散热。但是,温室气体的增长,阻碍了红外线离开大气层,越来越多的热量因此留在了地球表面,使得全球变暖。

人类产生的热量越多,留在地球表面的热量也就越多,温室气体让这个问题变得更严重了。所以,全球变暖的程度与人类的能源消耗是正相关的。

2020年,全球的平均气温约为14.9℃。如果能源增长率保持2.3%,350年后,全球平均气温会达到体温37℃,450年后达到水的沸点100℃,750年后达到钢铁的熔点1500℃,950年后达到太阳表面的温度5500℃。

[图片说明] 如果保持2.3%的能源增长率,一千年内,地表温度会像太阳表面一样。

这是完全合理的:如果人类在地球上产生与太阳相当的能量,那么地球表面一定也有太阳表面的温度,何况地球比太阳小得多。

四、

联合国预计,全球平均气温如果上升4.5度,一半的物种有灭绝的风险。气温继续上升,人类也可能灭绝。

所以,2.3%的能源增长率再保持一两百年,地球的散热问题,就会让人类面临生存危机。

大家可以这样想,人类现在的能源消耗,已经让夏季气温上升到40度。如果一百年后,能源消耗变成现在的10倍,那时的气温会升高到多少度?

结论显然就是,能源不可能长期保持2.3%的增长率。按照目前的能源增长率,留给人类的时间,已经很少了, 很可能在一百年内,人类就不得不停止能源的增长,以缓解地球的散热问题。

能源增长与经济增长是强相关的。因此,在一百年内,人类的经济增长可能也会停滞。

最理想的情况是,到了那时,全世界人口已经开始减少,也就不需要那么多能源了,生活水平也不会有大幅下降。

五、

理想归理想,现实状况却是,全世界目前对能源有迫切需求,而且还有加速的迹象。

哈佛大学今年有一个研究,估算全世界还需要多少台空调。

他们发现,生活在世界上最热地区有28亿人,随着气温上升,这些人都需要空调。但是,目前其中只有大约8%的人家中有空调,其他人都盼望尽快用上空调。

[图片说明] 空调是印度人最想要的家用电器。

哈佛大学估计,2050年时,需要空调的人口比例,德国是92%,美国是96%,印度和印度尼西亚则是99%。

美国目前的空调普及率是90%,所以再给6%的人装空调就可以了。但是,印度和印度尼西亚的空调普及率,现在分别是5%和9%,这意味着,需要给超过90%的人装空调。

这两个国家都是人口大国,印尼有2.7亿人,印度有14亿人,为所有人装空调,需要的能源将是一个天文数字。

因此未来几十年,全球能源肯定会快速增长,以满足空调的需求。 政府不得不加大能源供应,因为空调不再是奢侈品了,而是维生的必需设备,否则高温会出人命。

六、

这就是人类面临的严峻局面:能源增加,导致气温上升;气温上升,又需要更多的能源来降温,从而形成恶性循环。

就像上面说的,人类的能源增长期,可能只剩下未来一百年了。人类社会如何在这么短的时间内,一边经受全球变暖,一边实现经济转型,减少能源消耗,实在是一条不乐观的未知之路。

(完)


文章来源: http://www.ruanyifeng.com/blog/2022/07/energy-consumption.html
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