能源的极限

作者: 阮一峰

日期: 2022年7月27日

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)

留言(59条)

不急,马斯克在开发火星了。

加速,加速

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%。

这个比较法就离谱,中国用了更短的时间完成现代化,到你这还成反面例子了?怎么不说他们人均用电量是我们的三倍?

太阳能板的转换率是按多少算的呢?随着科技进步,这个转换率应该会逐步提升的,所需的覆盖面积也就越小

引用月夜笙歌的发言:

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%。

这个比较法就离谱,中国用了更短的时间完成现代化,到你这还成反面例子了?怎么不说他们人均用电量是我们的三倍?

你这阅读理解有毒。

能源一直都是危机问题,对我们个人的影响就是能源会越来越贵。。。

感觉作者好多问题没考虑到:
1.如果用太阳能,太阳能板的技术已经不能提升了?所以必须铺满地球表面?或者用核能不行?
2.如果不把太阳能搜集起来使用,那太阳辐射到地球的热量最后不在地球上发挥作用了?必须通过太阳能板转化为电能才会产生热量?
3.人类能产生温室气体把地球上空遮住,不会有科技进步把温室气体消灭掉?
4.据说中国元朝末年之所以暴乱,一个大原因是冰川期又来了,那么问题来了,冰川期怎样才会到来?一百年,两百年之后会来么?

还有好多。。。

气温再升高个10°海平面将会上升,淹没大部分沿海地区了,到那个时候气候,粮食等问题会导致人口必将大幅度减少,而且再过一段时间,石油,煤烧完之后,就没啥可烧的了,所以我的推测是,气温会升高到一定程度就不升高了

引用we125182的发言:

你这阅读理解有毒。

确实有毒

上面那个计算方式已经说了,按既定方式推算的结果是糟糕的,出这种计算方式的本意也就是提醒能源获取和使用方式要得到改变,至于如何改变、改变成什么样谁都说不准,但改变的时候已经到了。要靠人类探索出一种新型的、可靠的、可持续发展的能源获取和使用方式。所以不要去纠结作者是不是考虑出了所有可能(谁都不能说出所有可能),应该把重点放在这个真实的、已经发生的、需要重视的问题上。

假设都使用太阳能的话,按照能量守恒,地球从太阳所获得的总输入能量并没有增加,不会发散出更多的热量。而且化石燃料释放的二氧化碳大幅度减少,温室效应减弱,大气温度应该会降低,而不是升高。

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,一年有365*24=8760小时,如果能获得其中的10%,也是876小时,也就说我们还有800倍的增长空间,如果100年增长10倍,是不是太阳能可以支撑200年,如果能100%利用,可以再支撑100年。

中国2020年主要用电是工业,占80%,如果将来能把工业都送到太空,在太空发电,又可以多支撑100年。
这时候估计地球上也没多少人了常驻了,因为大家都在太空生活了

我感觉这篇文章忽略了海洋和冰川的吸热能力,温度不可能无限上涨,考虑要把覆盖地球表面70%多的水蒸发得要多少热能?蒸发就是个吸热过程,降雨也是个降温过程。这一百年内温度上升是必然的,但水分的蒸发和降雨也将更加频繁,必然不会像文章里说的那样悲观。

能量是守恒的,空调下降的温度会在其它地方上升回来,而且空调本身还会产生热量

引用月夜笙歌的发言:

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%。

这个比较法就离谱,中国用了更短的时间完成现代化,到你这还成反面例子了?怎么不说他们人均用电量是我们的三倍?

这句话挺中性的,我读到的倒是对中国现代化的赞美

1.能量使用每年2.3%,推论人类发展真是非常有意思的观点

2.第二部分散热的模型估计的简单了,有些参考意见,人类能量利用率是逐年在增长,但是散热并不是,可以追溯历史上的冰川期,因为前文也说了人类利用的能源仅是太阳能的一小部分,大部分散溢掉了,未来很长时间,应该都是提高太阳能的利用比例,这在整体上不会明显增加热量的增长。

3.目前气候变暖和温室气体之间的明确关系还有争议,先不讨论,假设有直接关系,温室气体的排放是不是也是线性增长呢,应该不是的,全球在进行新一轮的能源转换,新能源的比例在大幅提升。所以不是线性关系。

用科学的角度看人类发展,真的非常有意思,感谢阮兄分享。

一百年以后的事,确实很难想象。

想想一百年前是什么时代?你让一个一百年前的人去预测一百年后,别说一百年,三十年前的人能预测到今天的互联网么?

一些预测里的世界人口峰值只有90亿,现在的电动汽车变革也在如火如荼进行,更何况这个增长率也不一定会保持下去。当年计算计划生育不是也这么算的么?人口生育率会逐渐下降,这个数字也未必就会一直持续下去。

拿木头造不出来航空母舰,就算以我们现在的工具解决不了,以后上火星、开发太阳系,都未尝不可,实在没必要那么悲观。

生年不满百,常怀千岁忧啊。
(我死后哪管他洪水滔天!)

文章为什么不考虑使用核能呢,核能的能源上限更高,开发难度更小吧。

文章主要还是表明,不能无限使用化石燃料;而应使用清洁的太阳能
最大的疑点,现在没有安装太阳能板,太阳照到地面的能量去哪了?

第一段很有趣,第二段坑很大

因为过去全球的能量使用发展并没有带来气温同步的上升,所以温度问题不像他说的,几十年内就会带来毁灭性灾难。

当然这是我们这代的人使命之一,决不可轻视,但也不能危言耸听

看来曾仕强教授的预言,是值得人类深思的。不是盲目迷信他的预言,但是最近事实摆明,还真就按他预言的方向靠,就很离谱。

太阳的能量大部分被红外线散射掉了,只是温室效应在阻挡这一过程。
冰山融化只是能延缓地球变暖,却不能阻挡变暖。随着冰山这这一重要调温剂的减少,我相信未来的极端天气会越来越多,极端高温和暴雪,极端降雨和干旱来回肆掠更频繁。
人类最大的优势就是未雨绸缪,人类最大的威胁就是傲慢

过好每一天,哪天没了,也说不定。未知才是最可怕的,即使是假的真知,也比完全未知,来的要有预感些。

所有以10年为单位的预测都有很大概率会失败,以50年为单位的基本都是神话,100年的那就是笑话了。
在20世纪50年代以前的数据都是没太大意义的,随着技术进步能源消耗需求虽然增长但不一定还是几何级数增长了,毕竟效率越来越高了。

我也想过同样的问题,只是没有把它数据化,看到这篇文章比我想象的更加切合实际,能源危机离我们很近了。

卡尔达肖夫指数, 已经很好的预言了未来.
人类不光要利用太阳能, 未来还要利用宇宙黑洞的能量.

作为第一步, 已经有人设想出戴森球的概念.

引用tom的发言:

气温再升高个10°海平面将会上升,淹没大部分沿海地区了,到那个时候气候,粮食等问题会导致人口必将大幅度减少,而且再过一段时间,石油,煤烧完之后,就没啥可烧的了,所以我的推测是,气温会升高到一定程度就不升高了

你的推测不合理,你知道全球石油煤炭的储量有多少吗?还能供应多少年吗?

我之前一直有个想法(仅为主观猜想),现在大家使用空调本质上是把室内的热量搬运到了室外(因为根据能量守恒定律,我实在不知道是哪的热能转化成什么其他形式的能量了,这只能默认它转移了),所以越多的室内空间使用空调,就有越多的本来不应存在于室外的热量被累积到室外,就导致室外环境越来越热,现在回想起来以前的夏天再怎么热中午顶着太阳还是能出门,外面越热大家就越需要给室内装上空调呆在家里,形成一个恶性循环,随着空调的使用越来越普及,导致未来年益炎热。

你这没把科技进步给算进去啊? 我相信以后会有更好的清洁能源来满足能源需求,就像人造太阳这类的热核聚变能源。

在地球上方,安装一个巨大的,利用太阳能的排气扇,把热量排到太空中。

很简单,把地球推得离太阳远些,换一条稍远的运行轨道,温度自然就降低了。
ps: 参考刘慈欣的《流浪地球》:)

核酸检测三天三检,倡导足不出省,足不出小区,出示行程码。真的想多了,还保护地球家园。

今年夏天已经很热了,地球在报复我们了。
炎热的夏天开空调,就相当于沙漠里的月牙泉,迟早会干涸。
就像把冰棍放进开水,就像把冰箱置于太阳底下,凉快得一时,凉快不了一世

引用月夜笙歌的发言:

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%。

这个比较法就离谱,中国用了更短的时间完成现代化,到你这还成反面例子了?怎么不说他们人均用电量是我们的三倍?

您的理解也太超前了吧?爱国爱魔怔了?人家讨论人类文明,你看看你在说啥。

几百年后能源枯竭,人类为了争夺资源会展开一场史无前例的战争。现代武器的运用,杀伤力惊人,战争过后,只有少部分的人类能够幸存。

>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℃。

这个作者应该是只学了数学,温度上升也会导致大气层变稀薄,然后散热会快,气温不会这么涨上去的,但那时候人类是否还能生存,大概率是不能了吧

引用月夜笙歌的发言:

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%。

这个比较法就离谱,中国用了更短的时间完成现代化,到你这还成反面例子了?怎么不说他们人均用电量是我们的三倍?

确实,,我们阮总的文章一直都是潜移默化的美国吹

引用666的发言:

确实,,我们阮总的文章一直都是潜移默化的美国吹

喷子都是这样做阅读理解的么

引用666的发言:

确实,,我们阮总的文章一直都是潜移默化的美国吹

思想上的影响从来都不是一上来就否定你,而是潜移默化的,只要能感觉到有这层意思那就基本是有这个意思了。
我不否定阮老师的文章能学到不少技术,但也确认是夹带私货的,有关注阮老师的推就更能感觉到。
看看文章,好好学技术就行了,在这里当理中客的不是蠢就是坏

荒谬,如果小明三天分别写1个字、10个字、100个字,是不是要得出第100天他要写10^10个字

熱力學第二定律,還有啥可說的

全球变暖,就是一个彻头彻尾的谎言
可笑的是还有很多人信了
这本书的作者是个傻子。缺少对地球的敬畏。

还变暖,地球给你来个冰期。

标题:掩耳盗铃

课前问题:
1.宇宙是冷的,还是热的?
2.核能是什么?
3.太阳能等于光伏板吗?
4.生产过程不产生能耗的光伏板是魔法产物吗?

课后作业(2选1)
1.按照书所用方法,按照世界人口死亡率8.8%来算,应用公式,结合当前人口,推算人类经过几次灭绝与再生,请编写《人口和人类的灭绝与再生》
2.按照书所用方法,按照人类吸气一口300ml, 应用公式,结合地球当前体积,推算氧气可用时间,请编写《氧气和人类的欲望》

下一个风口,去印度卖空调?..

核能,核能,核能!
核能是解决能源问题的必选项。
核能是绿色能源。
目前已有的核裂变技术已经非常成熟了,如果商业核聚变技术能取得突破,那么人类将彻底解决能源问题。

我觉得不能完全这么一直增长,就像人口一样一点是会有一个峰值然后有所回落保持在一个相对固定的范围的。到时候能量再多也没有多出来的人去消耗这么多的能量了。

正如消费促进生产,这又何尝不是一种促进技术进步的动力呢?

历来战争都是资源争夺战,能源危机会不会诱发第三次战争

绝对温度越高,向外流失越多,所以温度曲线是需要被质疑的
温室气体,能源科技在进步,我一向认为只要不是剧变,人类的适应和解决问题的能力是足矣应付危机的

引用月夜笙歌的发言:

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%。

这个比较法就离谱,中国用了更短的时间完成现代化,到你这还成反面例子了?怎么不说他们人均用电量是我们的三倍?

哦吼,这里也有粉红。

这个角度很好,不过我估计肯定有解决方案。就像几十年前,人们发现石油很快就要用完了。结果几十年过去,地球上发现的石油储量越来越多。

引用tedmeng的发言:

文章为什么不考虑使用核能呢,核能的能源上限更高,开发难度更小吧。

核能 热的更快, 核能是把原子中的热量释放出来, 这部分热量不是来自太阳的。

2.9%的假设不成立

只要人口数量不增加,很多问题就能很好解决;只要人口数量下降,很多问题就不是问题。

空调这不算把人类产生的热量降温吧?只是局部降温,体感降温,并不是把地球热量散发出去,这书有点民科

引用xxx的发言:

在地球上方,安装一个巨大的,利用太阳能的排气扇,把热量排到太空中。

你是想说在大气层开个大洞,装个巨大的排气扇把热空气排出去是吧0.o

我认为核聚变(至少目前来看)是解决能源问题的最终方案,实现了商业化的可控核聚变后,能源就不再是什么需要节省的东西了。
同时,我充分的相信100年内人类必然能实现可控核聚变。想想100年前人类的科技水平吧!

正如“一苇浮江河”的留言:

一百年以后的事,确实很难想象。
想想一百年前是什么时代?你让一个一百年前的人去预测一百年后,别说一百年,三十年前的人能预测到今天的互联网么?

所有的地球表面都铺设太阳能板?那为什么不用太阳能板把太阳围起来呢?

这不就是戴森球了嘛

作者确实在这本书里没考虑一个根本问题:基础理论和科技水平的进步,本质上解决地球问题的根本方法只能是科技革命,而不是维持现状和缝缝补补。比如你说的可控核聚变,还有基础理论方面如果量子力学理论本身得到一些突破,会产生巨大的能量。

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