狐貍說(shuō)：“對(duì)我來(lái)說(shuō)，你只是一個(gè)小男孩，就像其他成千上萬(wàn)個(gè)小男孩一樣沒有什么兩樣。我不需要你，你也不需要我。對(duì)你來(lái)說(shuō)，我也只是一只狐貍，和其他成千上萬(wàn)的狐貍沒有什么不同。但是，如果你馴養(yǎng)了我，我們就會(huì)彼此需要。對(duì)我來(lái)說(shuō)，你就是我的世界里獨(dú)一無(wú)二的了；我對(duì)你來(lái)說(shuō)，也是你的世界里的唯一了?！?/span>

——安東尼·德·圣-?？颂K佩里《小王子》

三次能源革命，從“庶出”逆襲成為小王子

能源究竟是什么玩意？

最經(jīng)典的理論當(dāng)然是高中課本上的熱力學(xué)三大定律。不過(guò)還是英國(guó)科學(xué)家和小說(shuō)家C·P·斯諾在經(jīng)典名著《The Two Cultures》解釋得通俗易懂。

第一定律：你可能不勞而獲（能力既不會(huì)被創(chuàng)造、也不會(huì)被消滅，只會(huì)從一個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)系統(tǒng)，能量永遠(yuǎn)守恒）

第二定律：你也不可能不賠不賺（能源轉(zhuǎn)移是個(gè)不可逆的過(guò)程，總是隨著能量損失，其表現(xiàn)就是熵的增加，或者說(shuō)系統(tǒng)變得更加無(wú)序）

第三定律：你無(wú)法擺脫這個(gè)游戲（在絕對(duì)零度的理想狀態(tài)下，所有原子都會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，但絕對(duì)零度卻無(wú)法達(dá)到）

永動(dòng)機(jī)專利轉(zhuǎn)讓，要不要來(lái)交點(diǎn)智商稅？

能量是以物資資源為基礎(chǔ)，比如天然氣石油等化石燃料、水、空氣、太陽(yáng)光等，資源就會(huì)涉及可用性、成本、影響和可持續(xù)性等問題。

人類文明跨越幾千年，看似取得了無(wú)比閃耀的科技進(jìn)步，但令人羞愧又遺憾的是我們?nèi)匀皇且粋€(gè)靠火來(lái)照明、建造和驅(qū)動(dòng)的世界。

人類文明是怎樣開始？用木頭生活取暖和烹飪食物，利用陽(yáng)光來(lái)加熱和曬干，利用風(fēng)和水獲得動(dòng)力，利用動(dòng)物做體力活。今天又在用什么？火，來(lái)自煤炭、石油、天然氣、核燃料和生物質(zhì)；陽(yáng)光，用來(lái)獲取太陽(yáng)能和供熱，而且在世界很多地方仍用來(lái)曬干和取暖；風(fēng)，用來(lái)發(fā)電，提供機(jī)械動(dòng)力（磨坊）和行駛動(dòng)力（帆船）。對(duì)了，還有無(wú)機(jī)動(dòng)物，也就是機(jī)器。

其實(shí)，發(fā)現(xiàn)新的造火形式，追求更高效率的造火能源，這是當(dāng)今能源時(shí)代的一個(gè)標(biāo)志，甚至是唯一的標(biāo)志，同時(shí)似乎也是人類文明進(jìn)步的標(biāo)志。

早在25萬(wàn)年前，原始人類就掌握了對(duì)火的利用，之后除了做飯采暖小規(guī)模冶金燒陶等外人類社會(huì)幾乎不消耗能源，木柴和木炭足以滿足需求。

直到18世紀(jì)，瓦特看到外婆家的茶壺蓋被壺里的沸水頂起來(lái)，發(fā)明了蒸汽機(jī)（實(shí)質(zhì)是改良），開啟人類工業(yè)革命的偉大歷程。蒸汽機(jī)的出現(xiàn)，木柴和木炭已經(jīng)無(wú)法滿足需求，需要追求能量密度更高的原料，原先小規(guī)模的應(yīng)用且蘊(yùn)藏豐富的煤炭在英國(guó)推廣開來(lái)。

利用便宜的煤炭引出的第一次能源革命，人類力量得以在機(jī)器上不斷的延伸，現(xiàn)代工業(yè)文明得以發(fā)展。

第二次能源革命緣起于美國(guó)，那就是石油的廣泛應(yīng)用?；仡^來(lái)看，石油締造了美國(guó)帝國(guó)，這話一點(diǎn)也不夸張。

1859年，美國(guó)打出了第一口油井，開啟了美國(guó)第一次石油浪潮，但除了照明之外，煤炭仍然是機(jī)器時(shí)代的基礎(chǔ)。直到19世紀(jì)90年代，內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明改變了一切。

相比于煤炭，作為液體燃料，石油更容易運(yùn)輸和儲(chǔ)存，能力密度更高，流動(dòng)性更是無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。

20世紀(jì)初，得益于德州發(fā)現(xiàn)的大型油田以及福特創(chuàng)造性的生產(chǎn)流水線，內(nèi)燃機(jī)汽車開始進(jìn)入千家萬(wàn)戶。

隨著一戰(zhàn)、二戰(zhàn)的接連爆發(fā)，軍事上的擴(kuò)張，不斷增長(zhǎng)的汽車、飛機(jī)、卡車、坦克和艦船宣告了碳?xì)浠衔飼r(shí)代的到來(lái)。

在20世紀(jì)大多數(shù)時(shí)間里，天然氣對(duì)于貴為國(guó)王的石油而言一直都是多余的庶子而已。因?yàn)闆]多大的需求，天然氣往往在石油開采過(guò)程中被人當(dāng)成廢物被直接排放到空氣中或者被直接燒掉。

時(shí)不時(shí)出現(xiàn)的石油危機(jī)、碳排放的憂慮、不斷發(fā)現(xiàn)的巨大儲(chǔ)量以及跨國(guó)的管線運(yùn)輸船保證天然氣貿(mào)易，在20世紀(jì)末至21世紀(jì)，天然氣成為全球增長(zhǎng)最快的主要能源，一舉從庶出成為王儲(chǔ)。

第三次能源革命，人類邁入氣體能源時(shí)代。

正如所謂四大發(fā)明一樣，要說(shuō)起來(lái)，天然氣最早應(yīng)用的記載也來(lái)自于中國(guó)，可追溯至漢代，中國(guó)歷史崇拜、祖先崇拜簡(jiǎn)直不要太厲害。

公元前200年，在四川省人們便使用沖擊工具打井，天然氣通過(guò)竹管引到大鐵鍋下方燃燒蒸制鹵水以制鹽。

美國(guó)人是天然氣行業(yè)現(xiàn)代化的先驅(qū)，天然氣進(jìn)入千家萬(wàn)戶和工業(yè)領(lǐng)域得益于三項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步，第一項(xiàng)是1885年Robert Bunsen 發(fā)明了燃?xì)庠?，第二?xiàng)是二戰(zhàn)后隨著冶金、焊接技術(shù)的進(jìn)步，管道建設(shè)進(jìn)入熱潮，第三項(xiàng)是二戰(zhàn)后效率更好的燃?xì)廨啓C(jī)渠道了往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)，用于壓縮機(jī)提供動(dòng)力，為氣站間的輸送氣體增壓。

全球天然氣開采量迅速擴(kuò)張，從1950年的大約200G方到1957年的1.2T方，再到2000年的2.4T方，50年里增長(zhǎng)了12倍，到2017年天然氣總產(chǎn)量達(dá)到3.7T方，十七年時(shí)間里增長(zhǎng)了54%，全球天然氣消費(fèi)量占全球一次能源消費(fèi)量比例提升至23%。

21世紀(jì)能源霸主：電力時(shí)代

20世紀(jì)的電氣化和21世紀(jì)信息化促成了電力成為當(dāng)今社會(huì)首選能源形式，現(xiàn)代文明運(yùn)行的一大特質(zhì)便是以電力為基礎(chǔ)的控制和自動(dòng)化，電力承擔(dān)著控制、管理、驅(qū)動(dòng)材料流和信息流的角色。

電力的應(yīng)用給人類帶來(lái)其他能源無(wú)法企及的優(yōu)勢(shì)：

• 沒有一種能源能像電力一樣能在如此之大的功率范圍內(nèi)進(jìn)行精準(zhǔn)控制（從最高效微型芯片不到1W的功率到大型國(guó)家或區(qū)域電網(wǎng)GW級(jí)供能）

• 沒有一種能源能像電力一樣在能想象到的任意規(guī)模得到集中應(yīng)用（從微型機(jī)械加工到為世界上最大的挖掘機(jī)和最快的列車提供動(dòng)力）

• 電力不需要專門存儲(chǔ)，隨需即供，使用起來(lái)極為便利

• 工作時(shí)無(wú)噪音

• 電力向其他能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中基本可算是清潔的（不考慮效率損耗）

電力帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)高于其他燃料，他有著優(yōu)秀的轉(zhuǎn)換效率、卓越的生產(chǎn)力和無(wú)與倫比的靈活性，是應(yīng)用范圍最為廣泛的能源，從照明到空調(diào)到工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域，如今隨著電動(dòng)汽車的普及，電力在交通運(yùn)輸領(lǐng)域也逐步占據(jù)重要位置，只是受蓄電能力限制，目前重型卡車、駁船、遠(yuǎn)洋船舶和飛機(jī)等大型交通工具還無(wú)法實(shí)現(xiàn)電力功能。

信息化時(shí)代，各種數(shù)據(jù)中心更成為耗電怪獸。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球數(shù)據(jù)中心的電力消耗總量已經(jīng)占據(jù)了全球電力使用量的百分之三。

而最近因?yàn)楸├d起的比特幣挖礦更是耗電哥斯拉。隨著比特幣價(jià)格近日創(chuàng)出新高，我們也了解到，比特幣挖礦耗費(fèi)的電量超過(guò)了全球159個(gè)國(guó)家的年均用電量。比特幣博客和分析網(wǎng)站Digiconomistd的站長(zhǎng)亞歷克斯·德弗里斯（Alex de Vries），最近發(fā)布了對(duì)比特幣挖礦年用電量進(jìn)行追蹤的“比特幣能耗指數(shù)”，其中顯示這個(gè)數(shù)字已經(jīng)達(dá)到30.59太瓦時(shí)。

這個(gè)數(shù)字跟摩洛哥全國(guó)的能源使用量持平，超過(guò)了19個(gè)歐洲國(guó)家，約占美國(guó)能源總需求的0.7%，也就是相當(dāng)于280萬(wàn)戶美國(guó)家庭一年的用電量。

電力行業(yè)舉足輕重。2017年，全球一次能源消費(fèi)有40%用于發(fā)電，使電力成為最大的用能行業(yè)。

低碳轉(zhuǎn)型下的主要選擇

全球氣候變化是21世紀(jì)人類討論的重大議題，大量溫室氣體排放造成海平面上升、極端氣候頻現(xiàn)，京都議定書、巴黎協(xié)定雖然還有很多人質(zhì)疑但已基本成為全球共識(shí)。

化石燃料在驅(qū)動(dòng)著全球經(jīng)濟(jì)和軍隊(duì)的同時(shí)也制造了2/3人為溫室氣體，全球40%二氧化碳排放來(lái)源于發(fā)電，20%來(lái)源于交通運(yùn)輸，現(xiàn)在隨著汽車電動(dòng)化這20%也會(huì)逐漸向發(fā)電端轉(zhuǎn)換。

為人類龐大的能源系統(tǒng)減碳是21世紀(jì)最大的挑戰(zhàn)，能源由生物質(zhì)木材-煤炭-石油-天然氣的逐步轉(zhuǎn)化，這恰好就是能源低碳化的進(jìn)程。

能源系統(tǒng)減碳大致有四類途徑：

• 提高能源效率。

• 利用低碳能源和技術(shù)。

• 碳捕獲和封存（CCS）。

• 減少對(duì)化石能源的需求。

美國(guó)油氣探勘專家Robert.A.Hefner 預(yù)測(cè)了一個(gè)千年能源轉(zhuǎn)型圖譜，雖然對(duì)未來(lái)預(yù)測(cè)是一件很愚蠢的事，但至少以目前的趨勢(shì)來(lái)看確實(shí)如此，天然氣在1個(gè)世紀(jì)甚至2個(gè)世紀(jì)仍將作為主要的“低碳型”化石能源在能源系統(tǒng)占據(jù)重要的一席之地。

1、燃?xì)獍l(fā)電

隨著信息化、通信、人工智能等技術(shù)的進(jìn)一步升級(jí)換代，電力的地位將會(huì)越來(lái)越重要，未來(lái)全球發(fā)電的一次能源消耗預(yù)計(jì)會(huì)超過(guò)50%甚至更多。

隨著目前全球很多政府都在力推發(fā)電用能的清潔和低碳化，近年來(lái)可再生能源發(fā)電也呈現(xiàn)顯著增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但令人慚愧的是全球發(fā)電結(jié)構(gòu)在過(guò)去20年間幾乎沒有取得突破，2017年非化石能源發(fā)電的占比甚至比20年前還要低。

光伏、風(fēng)電等可再生能源發(fā)電受能量密度、轉(zhuǎn)換效率、氣候條件、技術(shù)條件等各種因素的限制，無(wú)法完全滿足全球用電需求，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法完全取代化石燃料發(fā)電，從熱力學(xué)三大定律角度出發(fā)光伏、風(fēng)電恐怕永遠(yuǎn)無(wú)法在發(fā)電端占據(jù)最大的份額。

煤電、燃?xì)獍l(fā)電等傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電恐怕還在繼續(xù)作為主要發(fā)電手段得以延續(xù)下去，期待一下技術(shù)爆炸。

講個(gè)科幻臆想故事。

2009年，所謂的科學(xué)家Jacobson和Delucchi提出一個(gè)實(shí)現(xiàn)100%可再生能源發(fā)電的終極構(gòu)想：在全球安裝380萬(wàn)架5MW的風(fēng)機(jī)、4萬(wàn)個(gè)300MW的聚光太陽(yáng)能電廠、17億個(gè)3kw屋頂光伏、5530個(gè)100MW地?zé)岚l(fā)電廠、270座1.3GW水電站、72萬(wàn)個(gè)0.75MW的波浪發(fā)電設(shè)備以及49萬(wàn)座1WM潮汐發(fā)電機(jī)。

比大劉《流浪地球》還要科幻…

2、不可或缺的工業(yè)原料

很奇怪，在很多所謂研究可再生能源替代化石燃料的轉(zhuǎn)型研究中大多數(shù)都忽略高質(zhì)量煤炭和天然氣等作為主要工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中關(guān)鍵原材料或供能物的不可或缺作用。

正是這些工業(yè)基礎(chǔ)產(chǎn)品構(gòu)筑了我們現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)，讓無(wú)數(shù)人享受高品質(zhì)文明生活，不使用化石原料遠(yuǎn)不足以支撐目前人類所需的如此龐大的規(guī)模。

鋼鐵高爐中用到的焦炭，水泥生產(chǎn)用到的煤炭和石油焦炭，合成氨和塑料用到的天然氣等等。這些工業(yè)生產(chǎn)確實(shí)能夠找到一些替代方案，但也確實(shí)無(wú)法滿足人類如此龐大的需求。

3、氫能社會(huì)遐想

在前文《流浪地球，末日英雄氫能源的本質(zhì)與未來(lái)》中，提到目前全球氫氣大部分來(lái)源于化石燃料（煤、天然氣、石油等）重整制備。中國(guó)制氫來(lái)源主要是化石燃料，約占97%，其中煤占三分之二，天然氣及石油制氫約占20%。

從本質(zhì)上來(lái)看，氫能源無(wú)法成為人類能源變革中可持續(xù)一次能源的終極選擇，無(wú)法從根本上實(shí)現(xiàn)對(duì)化石燃料的替代，僅能作為一種清潔無(wú)污染的能量載體，不過(guò)隨著能源轉(zhuǎn)型的深入尤其是汽車交通領(lǐng)域的不斷低碳化，氫能源勢(shì)必將在人類發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮重要的作用。

而隨著氫能源應(yīng)用尤其是氫燃料電池汽車的不斷深入，氫氣的需求將可能出現(xiàn)急劇的提升。從目前已成熟的制氫工藝而言，煤制氫、天然氣制氫和電解水制氫仍是最主要的大規(guī)模制氫工藝。

相比而言，天然氣重整在設(shè)備規(guī)模靈活性和管道輸送的穩(wěn)定性具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，如加氫站可以靈活配置一套專用的天然氣重整制氫設(shè)備，未來(lái)天然氣在氫能源領(lǐng)域可能無(wú)法占據(jù)霸主地位，但依然不可或缺。

天然氣啥時(shí)候枯竭？

一提到儲(chǔ)量問題，很多人會(huì)說(shuō)天然氣是一種過(guò)渡能源。根據(jù)BP全球能源統(tǒng)計(jì)年鑒，2017年全球探明儲(chǔ)量193.5萬(wàn)億方（儲(chǔ)量/產(chǎn)量(R/P)比率—用任何一年年底所剩余的儲(chǔ)量除以該年度的產(chǎn)量，所得出的極端結(jié)果即表明如果產(chǎn)量繼續(xù)保持在該年度的水平，這些剩余儲(chǔ)量可控開采的年限。）

2017年，全球天然氣儲(chǔ)采比為52.6，這一數(shù)據(jù)似乎有些悲觀，但還要看到其他幾個(gè)因素：

• 2017年石油儲(chǔ)采比僅為50.4，而全球儲(chǔ)量最大的煤炭也僅有134。

• 頁(yè)巖氣革命使美國(guó)在10年間天然氣儲(chǔ)量增加一倍，而隨著中國(guó)加大天然氣勘探力度，天然氣儲(chǔ)量也增加了一倍。

• 儲(chǔ)采比是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念，隨著勘探和開采技術(shù)的推進(jìn)，天然氣儲(chǔ)量可能會(huì)繼續(xù)上升。

• 經(jīng)濟(jì)周期的輪回可能帶來(lái)能源需求增長(zhǎng)的反復(fù)。

• 回望石油發(fā)展，峰值主義信徒所預(yù)言的“世界末日”20世紀(jì)80年代后期、90年代或者21世紀(jì)10年代均被打臉。

但這并不否認(rèn)化石燃料的枯竭性和可獲得性是一個(gè)非常嚴(yán)肅而現(xiàn)實(shí)的問題。參照石油開發(fā)利用的短暫百余年歷史而言，天然氣一直到本世紀(jì)末應(yīng)該還能在能源系統(tǒng)占據(jù)一席之地，下個(gè)世紀(jì)會(huì)如何就留給后人言說(shuō)吧。

下一個(gè)路口：技術(shù)爆炸

大劉在《三體》中，葉文潔告訴羅輯最重要的兩件事：黑暗森林法則和技術(shù)爆炸。

黑暗森林法則有道理但還無(wú)從驗(yàn)證，但回望人類歷史技術(shù)爆炸確實(shí)在實(shí)實(shí)在在的發(fā)生。

天然氣上一次技術(shù)爆炸便是美國(guó)頁(yè)巖氣技術(shù)革命帶來(lái)美國(guó)天然氣儲(chǔ)量翻番，下一次最大潛在變量可能便源自于天然氣水合物開采的技術(shù)爆炸。

天然氣水合物是一種在地球上自然產(chǎn)出的，由甲烷為主的烴類氣體與水分子組成的白色冰雪狀晶體化合物，俗稱可燃冰。天然氣水合物的氣體99%以上市甲烷，因此有時(shí)又稱作甲烷水合物。

天然氣水合物能生成和穩(wěn)定存在于低溫和較高壓力的環(huán)境中。在常壓條件下它只能0℃以下穩(wěn)定，但在30大氣壓時(shí)能存在于0℃以上。

天然氣水合物通常賦存于3類地質(zhì)環(huán)境中：一是極地及高緯度寒冷地區(qū)和高山地區(qū)的永久凍土帶；二是深水海底沉積層中；三是在宇宙星球中也存在水合物。

1961年，蘇聯(lián)科學(xué)家首次在西西伯利亞麥索亞哈氣田的永久凍土層中發(fā)現(xiàn)了自然界產(chǎn)出的天然氣水合物，從此揭開了認(rèn)識(shí)天然氣水合物的新篇章。

1979年，在執(zhí)行深海鉆探DSDP66航次中于中美海溝墨西哥近海鉆孔巖心中取到了天然氣水合物，這是世界上第一次被確證的海底天然氣水合物，也是天然氣水合物作為能源研究的一個(gè)重要里程碑。

天然氣水合物是一種高效清潔的能源資源，1m3水合物分解后可以釋放出164m3甲烷氣體，能量密度是天然氣的2-5倍，是煤的10倍。因此被認(rèn)為是一種高度濃縮固體天然氣。

據(jù)估計(jì)海底水合物分布的范圍約占海洋總面積的10%，相當(dāng)于4000萬(wàn)平方米，是迄今海底最具價(jià)值的礦產(chǎn)資源，但絕大部分原位水合物在巖層中含量太低，只有少部分可作為資源開發(fā)利用，這部分資源量仍然十分巨大，約為2000萬(wàn)億方-5000萬(wàn)億方，大于全球天然氣總儲(chǔ)量，可滿足世界100多年的需要。

天然氣水合物儲(chǔ)量驚人，但目前離商業(yè)開采還有很長(zhǎng)一段距離。

天然氣水合物的開采通常有3種基本方法：降壓法、熱激法和化學(xué)試劑法。

陸上試驗(yàn)開采的實(shí)踐證明降壓法開采較為經(jīng)濟(jì)適用，且能夠持久開采。

降壓開采的簡(jiǎn)要工程原理是由中心鉆管對(duì)含水合物儲(chǔ)層進(jìn)行抽水使儲(chǔ)層降壓，水合物因壓力降低而發(fā)生分解并釋放出甲烷和水。通過(guò)氣液分離裝置把氣體分離出來(lái)，再通過(guò)外層管道將甲烷氣體抽取到平臺(tái)井口上。

熱激法開采需要消耗大量熱能，且產(chǎn)氣不能持久，因此不經(jīng)濟(jì)。降壓法是一種較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的開采方法，。

近年還試驗(yàn)出一種二氧化碳水合物置換法?；驹硎峭ㄟ^(guò)鉆井向水合物儲(chǔ)層注入液態(tài)二氧化碳，二氧化碳在儲(chǔ)層中與甲烷水合物反應(yīng)生成二氧化碳水合物，并置換出甲烷，再通過(guò)鉆井的密封套管提取分解出甲烷氣體。這種開采方法的優(yōu)點(diǎn)是一方面可以用二氧化碳水合物填補(bǔ)采空的水合物儲(chǔ)層，另一方面又可以把溫室氣體二氧化碳固定在深部地層中，起到了碳捕捉和儲(chǔ)存（CCS）中的固碳作用。

天然氣水合物所儲(chǔ)藏的甲烷氣體既是一種高效清潔的新能源，同時(shí)又是一種極強(qiáng)的溫室氣體。因此天然氣水合物的開發(fā)是一種包含機(jī)遇和風(fēng)險(xiǎn)的雙刃劍。

甲烷是一種比二氧化碳更強(qiáng)的溫室效應(yīng)氣體，單分子甲烷儲(chǔ)存熱量的能力是二氧化碳的27倍，甲烷對(duì)氣候的增溫作用是二氧化碳的10倍。全球天然氣水合物中的甲烷儲(chǔ)量約為大氣中甲烷總量的3000倍，約占全球甲烷總量的99%，設(shè)想只要水合物中0.5%甲烷泄露到大氣中，就會(huì)引起全球氣溫迅速變暖，導(dǎo)致災(zāi)難性后果。

如何安全穩(wěn)定高效的開采天然氣水合物可能需要下一次技術(shù)爆炸。

We are all in the gutter, but some of usare looking at the stars.

我們都在陰溝里，但仍有人仰望星空。

——奧斯卡.王爾德《溫德密爾夫人的扇子》