The Logic of Energy and the Next Industrial Revolution

董洁林：如果一系列能源技术问题不能解决，“可持续新能源纪”不一定是美丽新世界。工业革命能源逻辑是什么？下一场工业革命的特征又是什么？

clean energy

能源转换将至。它遵循什么样的逻辑？给人类造成的技术挑战是什么？可持续新能源所支撑的世界会不会更美好？这是本文欲讨论的问题。

太阳是养育地球生命的万能之能。太阳中的轻原子发生核聚变，产生大量的热和光，这些光热旅行500秒、穿越1.5亿公里，照耀在大地上，给人以温暖，让树木得生长。

太阳的光热并没能让其他行星万物生长。地球之所以形成今天的生态环境，最重要的一环是地球生物在约30亿年前就演化出“光合作用”这么一个奇妙的功能，即微生物和植物利用太阳光把水分解为氢气和氧气，并从空气中捕捉二氧化碳分子，把这些混合的分子原子转化为有机碳体，然后把多余的氧气释放到空气中。

从能量的角度来说，光合作用过程把自然中功率密度较低、较紊乱的水和二氧化碳分子转化为功率密度较高并且较有序的有机碳体物质，既增加了能量的功率密度，也减少了整个体系的紊乱程度（熵减少）。“功率密度”和“熵”是衡量能源质量非常重要的两个指标。光合作用给人类树立了一个能源操控的卓越榜样。

化腐朽为神奇的光合作用，是让地球上的生物耐以生存的最基本的“技术”。因此，地球上草木茂密生长，腐朽后的草木回归地下，亿万年累积化为煤炭、石油等化石能源。于是，人类的故事才得以开始，伟大的工业革命才能在历史长河中闪耀登场。


人类的三个能源纪

从初级能源来划分历史，人类只有三个纪元，即“草木能源纪”、“化石能源纪”和未来的“可持续新能源纪”。

人类绝大部分时间都靠草木能源赖以生存，并以此到达了农耕文明的巅峰。草木生生不息，但其生长受地域限制且每年生长的数量也有限。这个时代人们随水草而居，一个村庄或城市，需要方圆30reach50倍人群聚落面积的草木以支持其日常能源消耗。“草木能源纪”城市规模的顶峰人口约1百万。

几千年前，古人就开始利用水能。他们发明的水库和水坝显著降低了水能的熵，让其变得可控、好用。这是“草木能源纪”的古人发明的一项重要的能源操控技术。

两百多年前，瓦特发明了蒸汽机，烧煤把水变成蒸汽、蒸汽驱动机器来替代人做粗笨费力的工作，于是启动了工业革命，以化石为主要能源的纪元也开始了。近几百年化石能源的利用和生机蓬勃的科技创新，让人类享受到空前的繁荣和富足,世界人口规模和人均GDP都迅速增长。同时，也产生了很多副作用，如污染、全球变暖等。

然而，化石和核裂变能源都是有限资源。未来百年，可持续新能源，如太阳能、地热/海洋热、自然机械能（风能、潮汐以及其他自然机械能）等，不得不逐渐取代化石能源成为支撑社会运转和人们生活的主力，下一场工业革命也将波澜壮阔地展开。

无论是上一轮、还是下一轮工业革命，能源和材料都是最基层的科技元素。科学家通过所发现的自然现象而发明新的能源操控技术、人们进而发明新机器和工具，从而让人类高效而充分使用能源，这是最为关键和基本的一条科技发展路径，会深刻地驱动各方面的科技和社会变化。

三个能源纪

工业革命的能源逻辑

优质能源的物理特征是功率密度高、有序可控性好（即“熵”低）。能量在使用过程中不会消失（能量守恒），但其被使用之后，会转化为密度低而无序的高熵能源，很难再被利用。因此，人类把控能源的物理学逻辑就是尽量寻找和发明高功率密度且低熵的能源，增加能源使用效益、部分弥补在其使用过程中的不断耗散。像“光合作用”那样能够逆转功率密度减少和熵增加的能源操控过程，更是格外弥足珍贵。

化石能源的功率密度比草木和自然河流高几个数量级。上一轮工业革命的重点是从使用草木能源转为以化石能源为主，于是发明了大量新机器和新工艺来利用功率密度高而熵较低的化石和核裂变等能源。其基本物理过程就是首先使其燃烧成为热能，人或机器要么直接用其热能、要么转化为动能再利用，过程中大部分热量都会被浪费掉，很是暴殄天物。

发电技术被发明之后，化石燃烧产生的热能被转化为动能、然后再转化为电能，这个过程会浪费更多能量。由于电能的可控制性特别好、使用非常方便，于是人们建立了庞大的全球电力体系，形成了集中供能的模式。这些科技成就奠定了当下社会人们的生活和经济运转的底层基础。

如果优质的高功率密度且低熵的化石和核裂变能源消耗殆尽，人们不得不再次转换能源。目前可供选择的可持续能源，如传统可持续能源如草木和河流等、及太阳能等可持续新能源，比化石能源功率密度低几个数量级、其熵也比化石能源高很多， 这必将导致新一轮工业革命。


下一场工业革命的特征

如果将来以低功率密度的可持续能源为主，必将形成能源供给分布式格局。从能源使用的角度来说，人们分散使用能源的习惯和需求一直存在，例如分散居住和移动人群。现代社会物联网、传感网络、机器人和人工智能等技术的到来，产生了数目巨大、分布性广、移动性强、功耗小的电子器件，这也导致庞大的分散能源需求。很难想象如此海量而分布极广的器件都由寿命有限的电池驱动，更换电池麻烦，浪费和污染都可能很严重。更好的供能模式应该是自驱动。智能地匹配分布式能源供给和分散的能源需求将变得越来越重要。

因此，下一场工业革命的主要技术挑战主要有：1，低熵高密度能源缺乏和高熵低密度能源的有效利用，与之相匹配的新机制、新器件和新机器需要被重新发明出来。2，伴随着化石能源消失的还有巨大的材料缺口，这是另外一大类创新需求和方向。3，如何实现分布式供电和分散化用电的智能匹配，物联网、传感器等如何与新能源相结合以实现自驱动等也是非常重要的一大类科技创新需求。

这些都是上一轮工业革命未曾有过的独特挑战。为此，科学家们正在竭尽全力发现新事物、发明新技术、创造新产品，从科学走向产业去解决人类所面对的共同大挑战。一方面，人们采用“演化”思路，尽量用新能源替代旧能源发电以减少化石能源消耗量，用太阳能发电是目前的一个主流方向。另外，提升终端用户的能源传输和使用效率，同时发明很多能够衔接新旧能源的机器和工具等领域都是目前科技创新的活跃领域。

另外，一些革命性的新能源技术也在逐渐展开中。在发明利用低熵高密度能源方面，人们自1950年代开始已经投入了大量资源来研究核聚变发电机（俗称“小太阳”），但现在仍然在研发之中。高能量密度的氢气可以用作移动能源，但目前主要原材料来自化石原料，用水制氢成本太高。如果人类能够达到“光合作用”分解水为氢氧的能力，优质能源的可持续性就无需忧虑了。虽然很难预料这些技术什么时候该可以成熟地投入使用，但这种关乎人类未来命运的战略技术，长期研发投入是必要的。

在利用高熵低功率密度能源方面，近年来也有一些科研亮点。例如王中林院士发明的摩擦纳米发电机，是一种利用摩擦起电机理而发明的使能技术，可以把自然界的零散机械能转化为电能。通过对材料的不断选择和优化，以及对能源采集、转换和存储及输出过程的不断改进，现在已经可以把功率密度低而熵较高的无用机械能，高效转化为功率密度较高、熵显著较低的电能。

纳米发电机是一种提升功率密度和逆转熵“化无用为有用”的过程，与“光合作用”异曲同工。由于零散机械能无处不在，既存在于不断运动的人体之中、存在于微风和震动之中、也存在于汪洋大海之中，因此这项技术不仅应用前景非常广阔，也很符合当代和未来能源使用分散化的特征，可以让很多器件和机器实现自驱动。


“可持续新能源纪”的未来社会

百年之后，最后一轮工业革命或许已经完成，当我们再回首科技创新的一路风景，演化性技术大多会停留在历史深处，而崭新的技术则逐渐会成为世界新能源格局的主力，“可持续新能源纪”就此诞生了。

无论人类是否愿意，这场正在发生的能源更替是大势所趋，别无选择。这场革命不仅技术挑战很大，社会和经济成本也都是巨大的。

如果一系列能源技术问题不能解决，“可持续新能源纪” 不一定是一些人期待的美丽新世界。比如，如果今天超大规模城市难以获得足够高密度能源支撑，人们居住不得不分散化，占据更多地表面积。如果大型交通运输载体，如飞机、远洋巨轮等不能获得足够的高密度移动能源驱动，则不得不用陆路来进行更多的运输，速度也可能变慢。这些场景都可能使得大陆更为拥挤。

我们有一百年的时间去做这场能源转换的准备，但百年将倐忽而过。

当然，可持续新能源比草木能源的总量和功率密度都大得多，无论如何未来人类都不会再回到狩猎采集或农耕时代。但很可能，今天这个问题重重的“化石能源纪”，会成为人类历史上一座孤耸的繁荣高峰、供子子孙孙翘首回望，期间的奋斗、痛苦和辉煌都将成为绝响。

注：本文仅代表作者个人观点，作者任职于科思技术研究院、清华大学中国科技政策研究中心。本文部分内容来自作者著作《科技创新简史：欲望的力量》