顛覆經(jīng)濟地理格局，開創(chuàng)一個嶄新世界

美國麻省理工學院(MIT)核科學與工程系首席研究科學家查爾斯•弗斯伯格,[1] 11月中旬在《ASME》網(wǎng)上發(fā)表的“專欄”文章說，[2] 在人類歷史的大部分時間，僅僅是為了讓北緯地區(qū)的人們保持溫暖，就需要大量的勞動力。但化石燃料改變了這一點，拓寬了我們可以生活得舒適和繁榮的地理區(qū)域。如今，從化石燃料轉(zhuǎn)向更可持續(xù)的能源資源，將再次改變世界......

轉(zhuǎn)向低碳能源體系可能改變?nèi)蚪?jīng)濟地理

在美國明尼蘇達河谷冬季露營，是一種非凡的經(jīng)歷。雕刻著雪堆的風在山谷中基本上消失了，以至于當氣溫接近華氏零度時，在半英里或更遠的地方，都能聽到人們穿過樹林的聲音。它比隔音室還要安靜。

我清楚地記得多年前的一次冬季露營之旅，需要努力保持溫暖。為此，我們需要建和維持一堆很大的篝火。我們把倒下的樹砍倒，然后把木頭拖回火堆，目的不是燃起烈火，而是等到大家都上床睡覺的時候，堆成一層厚厚的燒過的碳床。在碳上形成一層火灰，使它們在夜間保持隔熱和高溫。誰清早起來，攪動碳灰取暖，加些木柴，使火燒旺。灼熱的碳提供片刻的熱量。雖然我們不認為這是一種安全系統(tǒng)，但它實際上是使冬季露營安全，防止凍瘡的方法——能在一堆木頭里儲存熱碳的熱量和燃料。

野營是一種選擇，一種娛樂活動。但在冰封的森林里度過的時光，凸顯人類在不能依賴廉價、容易儲存的化石燃料的時代，面臨的真實的挑戰(zhàn)。如今，在隆冬時節(jié)的明尼蘇達州，只有約2.5%的家庭依靠木材取暖，而在美國其他州和加拿大，整整三分之二的家庭使用天然氣。然而，在過去、化石燃料革命之前的150年里，北部地區(qū)人的生存，依賴體力勞動和森林資源。

僅僅為了保暖而付出的勞動不能用于其他目的，而且這個事實對外有影響。盡管現(xiàn)在很難記得，在那個時代，“全球北方”就是地球上最富裕地區(qū)的“借喻詞”，但曾經(jīng)有一段時間，北方就是“貧窮”。在中世紀，英國很富裕，斯堪的納維亞半島很貧窮。英國有良好的農(nóng)田，冬天氣候溫和，可以為人和動物提供食物。而斯堪的納維亞地區(qū)農(nóng)業(yè)用地貧瘠，冬季嚴寒，能源需求巨大。如果住在斯堪的納維亞半島，就要花更多的時間，來滿足對食物、熱和光的資源需求。

化石燃料出現(xiàn)改變了一切。化石燃料的基本經(jīng)濟屬性，便宜、容易運輸，而且容易儲存，使它成為全球貿(mào)易體系的基石商品。一船煤、石油或液化天然氣，在紐約港的價格與上海港的價格大致相當，一艘超大型油輪可以運輸200多萬桶石油，相當于50萬捆木頭的能量。

供應(yīng)化石燃料，改變了世界的經(jīng)濟地理格局，促進了靠近煤礦地區(qū)的重工業(yè)和靠近油田的石化工廠的發(fā)展。全球汽車工業(yè)的興衰取決于全球油價和石油的可得性。開采化石燃料儲備的能力，使數(shù)十億人得以躋身中產(chǎn)階級。

今天，我們生活在“遠離”化石燃料的風口浪尖上。專家預測，為了消除與全球氣候變化相關(guān)的二氧化碳排放，未來幾十年，世界能源系統(tǒng)要在很大程度上“拋棄”煤炭和石油。目前還不清楚哪種新能源將取代化石燃料：核能會占據(jù)主導地位嗎?太陽能和風能會以難以想象的規(guī)模部署嗎?但在這個轉(zhuǎn)變中，很少有人意識到，這將徹底“顛倒”世界的經(jīng)濟地理格局。

這個世界的經(jīng)濟地理，與化石燃料時代之前有所不同，在化石燃料時代之后也會有所不同。

工業(yè)中心地帶

千百年來，人類社會的能源是有限的。在“地勢”合適的地方，人們可以利用風能或水力;否則，選擇動物牽引、生物量和人力。隨著人口的增長，砍伐森林，用來生火做飯;在氣候寒冷的地區(qū)，用來取暖。早在1900年，馬薩諸塞州還是美國森林覆蓋率最低的州，因為人們砍伐這個州的樹木作為燃料。由于冬季取暖的需求，抑制了北部地區(qū)的發(fā)展，難怪古代和中世紀的大城市，一般都位于氣候溫暖的地區(qū):美索不達米亞、印度、中美洲和地中海。(中國是個例外。)

在“前現(xiàn)代”時期，人類社會的能源是有限的。在“地勢”合適的地方，人們可以利用水力，比如這個中世紀的水磨房。

19世紀中期開始，大規(guī)模開采煤炭是一場革命。從生物燃料到煤炭再到石油的轉(zhuǎn)變，導致老城市消亡，新城市建立，以及全球數(shù)億人遷移。在歐洲，德國的魯爾河谷、英國的中部和法國的東北部地區(qū)，都成了工業(yè)中心，因為這些地區(qū)很容易獲得煤炭。在美國，鋼鐵工業(yè)在伊利諾斯州、印第安納州、俄亥俄州和賓夕法尼亞州興起，因為從明尼蘇達州運來的鐵礦石順流而下，與當?shù)厣a(chǎn)的煤炭和石灰石“匯合”了。

化石燃料的優(yōu)勢延伸到冬季供暖。今天，由于化石燃料可貯存，北方城市可獲得廉價的熱能。民用燃油儲存在罐中。天然氣全年通過管道輸送到客戶附近的地下儲存設(shè)施內(nèi)，最多可儲存天然氣年用量的四分之一。如果要建一個長距離的管道系統(tǒng)，滿足高峰供暖需求，用天然氣采暖，成本貴得會使普通人家負擔不起。

這種影響不僅僅是經(jīng)濟上的。由于家庭采暖使用燃油和天然氣，馬薩諸塞州的許多森林得以重新生長，因為現(xiàn)在木頭只是“壁爐”取暖的燃料。(現(xiàn)在中國江浙一代，即使鄉(xiāng)下農(nóng)村，也不拾柴生火做飯了。)

為了應(yīng)對氣候變化，低碳或零碳能源體系前景，正面對上述所有需求的挑戰(zhàn)。所有削減碳排放的計劃，都要求在未來30年左右的時間里逐步淘汰煤炭和石油的使用。某些人呼吁再縮短時間，一并淘汰天然氣。這些燃料資源，約占現(xiàn)今世界能源供應(yīng)總量的85%。如是，就必須以前所未有的速度，用零碳資源如核能、風能、太陽能、生物質(zhì)能、地熱等來替代。

如此快速的能源轉(zhuǎn)型將帶來巨大的經(jīng)濟影響，而從化石燃料轉(zhuǎn)向低碳能源，也將產(chǎn)生類似的地理影響。能源占國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的8%，但某些行業(yè)的能源投入要大得多。當?shù)氐吞寄茉捶?wù)成本的巨大差異,將導致產(chǎn)業(yè)和就業(yè)機會大規(guī)模地流動。美國數(shù)以千萬計、全世界數(shù)以億計的人，將過渡到低碳經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)。

在某些地方，新的工業(yè)基地可能會建立在風能或太陽能的基礎(chǔ)上。例如，智利的北部海岸距離阿塔卡馬沙漠很近。那里非常干燥，高山環(huán)繞，靠近赤道，一年365天都能得到強烈的陽光。阿塔卡馬省的低成本太陽能產(chǎn)業(yè)，依靠山區(qū)水庫抽水發(fā)電，可以給沿海地區(qū)的工廠和用電密集型的鋁廠提供電力。

美國德克薩斯州或許也是大贏家，盡管它與石油工業(yè)有著悠久的淵源。該州的特色是，夏季是用電高峰期，風能和太陽能成本低，天然氣價格低，地質(zhì)條件也支持低成本二氧化碳封存。

然而，像這樣的地方很少。

后勤方面的挑戰(zhàn)

電力部門，低碳轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)尤為明顯。

電力是在化石燃料的推動下發(fā)展起來的，化石燃料燃燒的經(jīng)濟效應(yīng)也塑造了電力行業(yè)。(這是歷史的偶然;風能和水力發(fā)電遠遠早于化石燃料的使用。可以想象，一個替代電力的行業(yè)如何建立在這些能源的優(yōu)勢和劣勢之上的。) 化石燃料發(fā)電機組的基建成本低于該機組燃燒化石燃料的成本。意味著運行一個機組的成本與機組的產(chǎn)能同步變化。因此，以部分負荷運行的化石燃料發(fā)電機組，以滿足每小時和季節(jié)性的電力需求是經(jīng)濟的。

在核能、風能和太陽能的低碳世界里，提供可調(diào)度的電力將成為更大的物流和經(jīng)濟挑戰(zhàn)。每一種技術(shù)都有很高的基建成本和較低的運營成本，意味著無論是滿負荷運行還是部分負荷運行，設(shè)施的運營成本大致相同。因此，這些技術(shù)以50%的產(chǎn)能運行，能源成本會翻倍。

太陽能發(fā)電的基建成本高，運營成本低，意味著無論是滿負荷運行還是部分負荷運行，運營成本大致相同。

如果把美國加(里福尼亞)州一年的平穩(wěn)電力需求與風力和太陽能發(fā)電設(shè)施的平穩(wěn)發(fā)電量進行比較，會發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)和需求之間存在季節(jié)性不匹配。電力需求與太陽能/風能發(fā)電量之間不匹配，說明在德國、加州和其他大規(guī)模增加風能和太陽能的地方，為什么電價會大幅上漲。由于這種不匹配，在風力和太陽能發(fā)電不足的時候，就需要第二套發(fā)電機發(fā)電，而相關(guān)的成本基本上是這兩種發(fā)電系統(tǒng)。第二個系統(tǒng)確保發(fā)電能力，但是風能和太陽能基本上沒有燃料成本。(核電出力恒定與季節(jié)性影響更匹配。)

蓄電池甚至抽水蓄能等存儲技術(shù)都不能解決生產(chǎn)和需求之間的季節(jié)性不匹配問題，因此，它們沒有解決低碳電網(wǎng)的主要挑戰(zhàn)。

低碳到零碳能源系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，由于供暖問題而變得更加復雜。盡管美國目前幾乎所有的煤炭需求都來自電力和鋼鐵行業(yè)，但約65%的天然氣供應(yīng)給了住宅、商業(yè)或工業(yè)客戶，其中很大一部分用于加工或空間供暖。事實上，工業(yè)熱能的總需求(包括來自石油、生物質(zhì)和天然氣的投入)是美國發(fā)電總量的兩倍。如果要使經(jīng)濟脫碳，就要用電力取代化石燃料滿足的大部分采暖需求。

雖然工業(yè)過程的熱能需求多少是恒定的，但商業(yè)和住宅的熱能需求隨著位置和季節(jié)變化而變化，風能和太陽能資源也是如此，但通常它們不會同步變化。由于供暖需要由電力而不是天然氣或燃油來滿足，電力需求的高峰將出現(xiàn)在冬季，那時太陽能和風能都很少。

雖然熱泵可以滿足某些住宅和商業(yè)的采暖負荷，降低電力需求，但在用電阻加熱成為標準的冰點附近，它們就不再起作用了。地源熱泵和大規(guī)模蓄熱等技術(shù)解決方案占用空間，在人口密度較高的城鎮(zhèn)不可行。“超級隔熱建筑物”意味著要取代美國部分地區(qū)的大部分住宅。

如果這些選擇都不可行，就必須增建額外的可再生能源發(fā)電能力，以滿足及時的供暖需求。不僅電力更加昂貴(以今天的價格計算約為原來的六倍)，而且在冬季供暖需求最大的地區(qū)，太陽能的輸出減少，將不得不建長距離的傳輸線路。除增加成本外，這些輸電線路的規(guī)模還要適應(yīng)冬季高峰，而冬季高峰每年只出現(xiàn)有限的幾個小時。

地理能源貧困

額外的成本和可再生能源有時有限的可用性，會對一些區(qū)域產(chǎn)生負面影響。工業(yè)供熱價格上漲有可能使美國工業(yè)失去競爭力。由化石燃料資源定義的整個行業(yè)將會“搬家”。例如，在低碳的世界里，位于煤炭資源豐富地區(qū)的鋼鐵業(yè)歷史基地，就要隨著能源的可用性而轉(zhuǎn)變。在明尼蘇達州，利用風能和核能生產(chǎn)氫氣，鐵礦石可以轉(zhuǎn)化為鋼鐵，因為沒有必要因化石燃料讓鐵礦石“搬家”。另一種選擇是，在允許生產(chǎn)低碳鋼的碳封存“站點”建鋼鐵廠，啟用更傳統(tǒng)的石化工藝。

如果這些方案看起來不夠明確，那是因為化石燃料系統(tǒng)已深深嵌入我們的工業(yè)系統(tǒng)中，而我們對化石燃料消失后會發(fā)生什么，理解非常有限。

人們不再使用廉價、可儲存的化石燃料取暖，也可能大幅推高新英格蘭等地的生活成本——就像中世紀的斯堪的納維亞半島一樣。事實上，在低碳的世界里，人們可以預期，由于能源服務(wù)成本高昂，新英格蘭地區(qū)(包括美國的6個州：緬因州、佛蒙特州、新罕布什爾州、馬薩諸塞州，羅得島州、康涅狄格州)將成為美國周邊最貧窮的地區(qū)。

由于核能具有化石燃料的可儲存性和可運輸性，因此核能不受地理上能源匱乏的限制;就是說，它與當?shù)貧夂颍臀恢脽o關(guān)。在向低碳經(jīng)濟轉(zhuǎn)型中遭受“顛覆”的程度，部分地取決于核能的成本和社會決策。與100%可再生能源系統(tǒng)相比，新英格蘭地區(qū)，由于可再生能源發(fā)電和電力需求曲線之間的匹配程度較差，大量核能發(fā)電的成本降低了50%。德州的影響較小，那里空調(diào)的電力需求峰值與可再生能源的生產(chǎn)更匹配。成本影響的差異還表明，與今天相比，在發(fā)電技術(shù)的選擇上存在很大差異。

另一個明顯的變化是，在可用核能的地方，最好用于滿足工業(yè)過程的供熱需求。盡管與電力工業(yè)關(guān)系密切，但核反應(yīng)堆產(chǎn)生熱量比生產(chǎn)電力便宜得多。根據(jù)熱力學定律，需要幾個熱量單位的熱能才能產(chǎn)生一個單位的電力。(相比之下，風能和太陽能光伏發(fā)電是一單位電力產(chǎn)生一單位的熱能。)這意味著核反應(yīng)堆產(chǎn)生熱能的成本是電價的三分之一。

人們不再使用廉價的可儲存化石燃料取暖，這也可能大幅推高新英格蘭等寒冷地區(qū)的生活成本

應(yīng)廣泛采用核熱-電聯(lián)產(chǎn)(即核反應(yīng)堆為工業(yè)提供熱能，外加發(fā)電和低成本、上億度(GWh)級的蓄熱)。應(yīng)以現(xiàn)有模式為基礎(chǔ):石化燃料的熱電聯(lián)產(chǎn)一直用于化工行業(yè)，在一些地方，工業(yè)熱-電聯(lián)產(chǎn)機組為當?shù)囟鄠€行業(yè)提供電力和熱能。熱-電聯(lián)產(chǎn)使高溫蒸汽與工業(yè)生產(chǎn)中使用的高壓渦輪的低溫蒸汽一起用于發(fā)電，從同一單位的熱量中“榨”出兩種用途。能優(yōu)化電力和工業(yè)能源的組合需求，使總成本最小化。

雖然大用戶可能會有自己的反應(yīng)堆，但小用戶可能發(fā)現(xiàn)有必要搬到大型工業(yè)園區(qū)，那兒有同時給許多客戶提供熱-電的聯(lián)產(chǎn)機組。工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施將會改變，核反應(yīng)堆(或有二氧化碳封存的化石燃料機組)將以蒸汽、高溫導熱油或高溫熔鹽的形式，給圍繞個中央熱源建造的工業(yè)園區(qū)內(nèi)的多個工業(yè)設(shè)施提供高溫熱能。

此外，在未來，工廠和設(shè)施選擇的最佳地點，可能與今天截然不同。在低碳世界里，高效部署核能供熱的區(qū)域，會有競爭優(yōu)勢，成為“超級能源”，像德克薩斯州的許多地點，有廉價的天然氣和二氧化碳封存組合的地址，而且許多地址得天獨厚，既有可靠的可再生能源供應(yīng)，地理上也支持抽水蓄能。目前分散的、接入天然氣管道、提供工業(yè)過程熱能、二氧化碳排入大氣的小型工業(yè)設(shè)施的模式，大部分會消失。

轉(zhuǎn)型

當我想到過去的能源轉(zhuǎn)型時，就會想起許多個冬天前去露營的河谷林地，或者是馬薩諸塞州新造林的景觀。在低碳的世界里，供暖突然變得昂貴起來，那些樹木將會全部消失，被砍下來當柴燒。

以前的每一次能源轉(zhuǎn)型都帶來巨大的社會變化，工業(yè)和人口大規(guī)模流動，以及世界各地相對生活水平的巨大變化。廉價的煤炭為大英帝國的建立提供了工業(yè)力量，但以水磨坊為中心的地區(qū)卻失去了競爭優(yōu)勢。石油的廣泛供應(yīng)幫助汽車和卡車重塑了這里的面貌，但鐵路城鎮(zhèn)卻日漸式微。如今，廉價的天然氣在很大程度上對美國工業(yè)的重建負責——我們擁有世界上價格最低的天然氣——但煤礦開采地區(qū)正在消亡。

沒有理由相信，向低碳能源體系轉(zhuǎn)變會有所不同。將會有地域上的贏家和輸家。

進入低碳世界，在一定程度上為不同國家成為21世紀的工業(yè)超級大國掃清了障礙。以某種方式成功地將核能、風能和太陽能結(jié)合在一起，使能源總成本最小的國家，將會興旺發(fā)達。

要保持當今工業(yè)中心地帶的活力，就必須找到可再生能源和核能的解決方案，在成本、可儲存和可運輸方面與化石燃料相匹敵。對于美國中西部工業(yè)區(qū)、德國的萊茵-魯爾河谷或中國東部的制造業(yè)中心來說，這是21世紀的工程挑戰(zhàn)。如果做不到這一點，我們的世界將會像中世紀一樣，成為位置決定哪些地方享有高生活水準，哪些國家是新興的超級工業(yè)大國，哪些國家是貧困世界。

資料與注釋：

1. Charles W. Forsberg ，查爾斯·福斯伯格，劍橋麻省理工學院核科學與工程系首席研究科學家，美國能源部高溫氟鹽冷卻反應(yīng)堆綜合研究項目首席研究員。

2. Charles Forsberg，Column: A Whole New World，ASME，Nov 16, 2020