美国麻省理工学院(MIT)核科学与工程系首席研究科学家查尔斯?弗斯伯格,[1] 11月中旬在《ASME》网上发表的“专栏”文章说，[2] 在人类历史的大部分时间，仅仅是为了让北纬地区的人们保持温暖，就需要大量的劳动力。但化石燃料改变了这一点，拓宽了我们可以生活得舒适和繁荣的地理区域。如今，从化石燃料转向更可持续的能源资源，将再次改变世界......
　　
　　转向低碳能源体系可能改变全球经济地理
　　
　　在美国明尼苏达河谷冬季露营，是一种非凡的经历。雕刻着雪堆的风在山谷中基本上消失了，以至于当气温接近华氏零度时，在半英里或更远的地方，都能听到人们穿过树林的声音。它比隔音室还要安静。
　　
　　我清楚地记得多年前的一次冬季露营之旅，需要努力保持温暖。为此，我们需要建和维持一堆很大的篝火。我们把倒下的树砍倒，然后把木头拖回火堆，目的不是燃起烈火，而是等到大家都上床睡觉的时候，堆成一层厚厚的烧过的碳床。在碳上形成一层火灰，使它们在夜间保持隔热和高温。谁清早起来，搅动碳灰取暖，加些木柴，使火烧旺。灼热的碳提供片刻的热量。虽然我们不认为这是一种安全系统，但它实际上是使冬季露营安全，防止冻疮的方法——能在一堆木头里储存热碳的热量和燃料。
　　
　　野营是一种选择，一种娱乐活动。但在冰封的森林里度过的时光，凸显人类在不能依赖廉价、容易储存的化石燃料的时代，面临的真实的挑战。如今，在隆冬时节的明尼苏达州，只有约2.5%的家庭依靠木材取暖，而在美国其他州和加拿大，整整三分之二的家庭使用天然气。然而，在过去、化石燃料革命之前的150年里，北部地区人的生存，依赖体力劳动和森林资源。
　　
　　仅仅为了保暖而付出的劳动不能用于其他目的，而且这个事实对外有影响。尽管现在很难记得，在那个时代，“全球北方”就是地球上最富裕地区的“借喻词”，但曾经有一段时间，北方就是“贫穷”。在中世纪，英国很富裕，斯堪的纳维亚半岛很贫穷。英国有良好的农田，冬天气候温和，可以为人和动物提供食物。而斯堪的纳维亚地区农业用地贫瘠，冬季严寒，能源需求巨大。如果住在斯堪的纳维亚半岛，就要花更多的时间，来满足对食物、热和光的资源需求。
　　
　　化石燃料出现改变了一切。化石燃料的基本经济属性，便宜、容易运输，而且容易储存，使它成为全球贸易体系的基石商品。一船煤、石油或液化天然气，在纽约港的价格与上海港的价格大致相当，一艘超大型油轮可以运输200多万桶石油，相当于50万捆木头的能量。
　　
　　供应化石燃料，改变了世界的经济地理格局，促进了靠近煤矿地区的重工业和靠近油田的石化工厂的发展。全球汽车工业的兴衰取决于全球油价和石油的可得性。开采化石燃料储备的能力，使数十亿人得以跻身中产阶级。
　　
　　今天，我们生活在“远离”化石燃料的风口浪尖上。专家预测，为了消除与全球气候变化相关的二氧化碳排放，未来几十年，世界能源系统要在很大程度上“抛弃”煤炭和石油。目前还不清楚哪种新能源将取代化石燃料：核能会占据主导地位吗?太阳能和风能会以难以想象的规模部署吗?但在这个转变中，很少有人意识到，这将彻底“颠倒”世界的经济地理格局。
　　
　　这个世界的经济地理，与化石燃料时代之前有所不同，在化石燃料时代之后也会有所不同。
　　
　　工业中心地带
　　
　　千百年来，人类社会的能源是有限的。在“地势”合适的地方，人们可以利用风能或水力;否则，选择动物牵引、生物量和人力。随着人口的增长，砍伐森林，用来生火做饭;在气候寒冷的地区，用来取暖。早在1900年，马萨诸塞州还是美国森林覆盖率最低的州，因为人们砍伐这个州的树木作为燃料。由于冬季取暖的需求，抑制了北部地区的发展，难怪古代和中世纪的大城市，一般都位于气候温暖的地区:美索不达米亚、印度、中美洲和地中海。(中国是个例外。)
　　
　　在“前现代”时期，人类社会的能源是有限的。在“地势”合适的地方，人们可以利用水力，比如这个中世纪的水磨房。
　　
　　19世纪中期开始，大规模开采煤炭是一场革命。从生物燃料到煤炭再到石油的转变，导致老城市消亡，新城市建立，以及全球数亿人迁移。在欧洲，德国的鲁尔河谷、英国的中部和法国的东北部地区，都成了工业中心，因为这些地区很容易获得煤炭。在美国，钢铁工业在伊利诺斯州、印第安纳州、俄亥俄州和宾夕法尼亚州兴起，因为从明尼苏达州运来的铁矿石顺流而下，与当地生产的煤炭和石灰石“汇合”了。
　　
　　化石燃料的优势延伸到冬季供暖。今天，由于化石燃料可贮存，北方城市可获得廉价的热能。民用燃油储存在罐中。天然气全年通过管道输送到客户附近的地下储存设施内，最多可储存天然气年用量的四分之一。如果要建一个长距离的管道系统，满足高峰供暖需求，用天然气采暖，成本贵得会使普通人家负担不起。
　　
　　这种影响不仅仅是经济上的。由于家庭采暖使用燃油和天然气，马萨诸塞州的许多森林得以重新生长，因为现在木头只是“壁炉”取暖的燃料。(现在中国江浙一代，即使乡下农村，也不拾柴生火做饭了。)
　　
　　为了应对气候变化，低碳或零碳能源体系前景，正面对上述所有需求的挑战。所有削减碳排放的计划，都要求在未来30年左右的时间里逐步淘汰煤炭和石油的使用。某些人呼吁再缩短时间，一并淘汰天然气。这些燃料资源，约占现今世界能源供应总量的85%。如是，就必须以前所未有的速度，用零碳资源如核能、风能、太阳能、生物质能、地热等来替代。
　　
　　如此快速的能源转型将带来巨大的经济影响，而从化石燃料转向低碳能源，也将产生类似的地理影响。能源占国内生产总值(GDP)的8%，但某些行业的能源投入要大得多。当地低碳能源服务成本的巨大差异,将导致产业和就业机会大规模地流动。美国数以千万计、全世界数以亿计的人，将过渡到低碳经济产业。
　　
　　在某些地方，新的工业基地可能会建立在风能或太阳能的基础上。例如，智利的北部海岸距离阿塔卡马沙漠很近。那里非常干燥，高山环绕，靠近赤道，一年365天都能得到强烈的阳光。阿塔卡马省的低成本太阳能产业，依靠山区水库抽水发电，可以给沿海地区的工厂和用电密集型的铝厂提供电力。
　　
　　美国德克萨斯州或许也是大赢家，尽管它与石油工业有着悠久的渊源。该州的特色是，夏季是用电高峰期，风能和太阳能成本低，天然气价格低，地质条件也支持低成本二氧化碳封存。
　　
　　然而，像这样的地方很少。
　　
　　后勤方面的挑战
　　
　　电力部门，低碳转型的挑战尤为明显。
　　
　　电力是在化石燃料的推动下发展起来的，化石燃料燃烧的经济效应也塑造了电力行业。(这是历史的偶然;风能和水力发电远远早于化石燃料的使用。可以想象，一个替代电力的行业如何建立在这些能源的优势和劣势之上的。) 化石燃料发电机组的基建成本低于该机组燃烧化石燃料的成本。意味着运行一个机组的成本与机组的产能同步变化。因此，以部分负荷运行的化石燃料发电机组，以满足每小时和季节性的电力需求是经济的。
　　
　　在核能、风能和太阳能的低碳世界里，提供可调度的电力将成为更大的物流和经济挑战。每一种技术都有很高的基建成本和较低的运营成本，意味着无论是满负荷运行还是部分负荷运行，设施的运营成本大致相同。因此，这些技术以50%的产能运行，能源成本会翻倍。

　　太阳能发电的基建成本高，运营成本低，意味着无论是满负荷运行还是部分负荷运行，运营成本大致相同。
　　
　　如果把美国加(里福尼亚)州一年的平稳电力需求与风力和太阳能发电设施的平稳发电量进行比较，会发现生产和需求之间存在季节性不匹配。电力需求与太阳能/风能发电量之间不匹配，说明在德国、加州和其他大规模增加风能和太阳能的地方，为什么电价会大幅上涨。由于这种不匹配，在风力和太阳能发电不足的时候，就需要第二套发电机发电，而相关的成本基本上是这两种发电系统。第二个系统确保发电能力，但是风能和太阳能基本上没有燃料成本。(核电出力恒定与季节性影响更匹配。)
　　
　　蓄电池甚至抽水蓄能等存储技术都不能解决生产和需求之间的季节性不匹配问题，因此，它们没有解决低碳电网的主要挑战。
　　
　　低碳到零碳能源系统的挑战，由于供暖问题而变得更加复杂。尽管美国目前几乎所有的煤炭需求都来自电力和钢铁行业，但约65%的天然气供应给了住宅、商业或工业客户，其中很大一部分用于加工或空间供暖。事实上，工业热能的总需求(包括来自石油、生物质和天然气的投入)是美国发电总量的两倍。如果要使经济脱碳，就要用电力取代化石燃料满足的大部分采暖需求。
　　
　　虽然工业过程的热能需求多少是恒定的，但商业和住宅的热能需求随着位置和季节变化而变化，风能和太阳能资源也是如此，但通常它们不会同步变化。由于供暖需要由电力而不是天然气或燃油来满足，电力需求的高峰将出现在冬季，那时太阳能和风能都很少。
　　
　　虽然热泵可以满足某些住宅和商业的采暖负荷，降低电力需求，但在用电阻加热成为标准的冰点附近，它们就不再起作用了。地源热泵和大规模蓄热等技术解决方案占用空间，在人口密度较高的城镇不可行。“超级隔热建筑物”意味着要取代美国部分地区的大部分住宅。
　　
　　如果这些选择都不可行，就必须增建额外的可再生能源发电能力，以满足及时的供暖需求。不仅电力更加昂贵(以今天的价格计算约为原来的六倍)，而且在冬季供暖需求最大的地区，太阳能的输出减少，将不得不建长距离的传输线路。除增加成本外，这些输电线路的规模还要适应冬季高峰，而冬季高峰每年只出现有限的几个小时。
　　
　　地理能源贫困
　　
　　额外的成本和可再生能源有时有限的可用性，会对一些区域产生负面影响。工业供热价格上涨有可能使美国工业失去竞争力。由化石燃料资源定义的整个行业将会“搬家”。例如，在低碳的世界里，位于煤炭资源丰富地区的钢铁业历史基地，就要随着能源的可用性而转变。在明尼苏达州，利用风能和核能生产氢气，铁矿石可以转化为钢铁，因为没有必要因化石燃料让铁矿石“搬家”。另一种选择是，在允许生产低碳钢的碳封存“站点”建钢铁厂，启用更传统的石化工艺。
　　
　　如果这些方案看起来不够明确，那是因为化石燃料系统已深深嵌入我们的工业系统中，而我们对化石燃料消失后会发生什么，理解非常有限。
　　
　　人们不再使用廉价、可储存的化石燃料取暖，也可能大幅推高新英格兰等地的生活成本——就像中世纪的斯堪的纳维亚半岛一样。事实上，在低碳的世界里，人们可以预期，由于能源服务成本高昂，新英格兰地区(包括美国的6个州：缅因州、佛蒙特州、新罕布什尔州、马萨诸塞州，罗得岛州、康涅狄格州)将成为美国周边最贫穷的地区。
　　
　　由于核能具有化石燃料的可储存性和可运输性，因此核能不受地理上能源匮乏的限制;就是说，它与当地气候，和位置无关。在向低碳经济转型中遭受“颠覆”的程度，部分地取决于核能的成本和社会决策。与100%可再生能源系统相比，新英格兰地区，由于可再生能源发电和电力需求曲线之间的匹配程度较差，大量核能发电的成本降低了50%。德州的影响较小，那里空调的电力需求峰值与可再生能源的生产更匹配。成本影响的差异还表明，与今天相比，在发电技术的选择上存在很大差异。
　　
　　另一个明显的变化是，在可用核能的地方，最好用于满足工业过程的供热需求。尽管与电力工业关系密切，但核反应堆产生热量比生产电力便宜得多。根据热力学定律，需要几个热量单位的热能才能产生一个单位的电力。(相比之下，风能和太阳能光伏发电是一单位电力产生一单位的热能。)这意味着核反应堆产生热能的成本是电价的三分之一。
　　
　　人们不再使用廉价的可储存化石燃料取暖，这也可能大幅推高新英格兰等寒冷地区的生活成本
　　
　　应广泛采用核热-电联产(即核反应堆为工业提供热能，外加发电和低成本、上亿度(GWh)级的蓄热)。应以现有模式为基础:石化燃料的热电联产一直用于化工行业，在一些地方，工业热-电联产机组为当地多个行业提供电力和热能。热-电联产使高温蒸汽与工业生产中使用的高压涡轮的低温蒸汽一起用于发电，从同一单位的热量中“榨”出两种用途。能优化电力和工业能源的组合需求，使总成本最小化。
　　
　　虽然大用户可能会有自己的反应堆，但小用户可能发现有必要搬到大型工业园区，那儿有同时给许多客户提供热-电的联产机组。工业基础设施将会改变，核反应堆(或有二氧化碳封存的化石燃料机组)将以蒸汽、高温导热油或高温熔盐的形式，给围绕个中央热源建造的工业园区内的多个工业设施提供高温热能。
　　
　　此外，在未来，工厂和设施选择的最佳地点，可能与今天截然不同。在低碳世界里，高效部署核能供热的区域，会有竞争优势，成为“超级能源”，像德克萨斯州的许多地点，有廉价的天然气和二氧化碳封存组合的地址，而且许多地址得天独厚，既有可靠的可再生能源供应，地理上也支持抽水蓄能。目前分散的、接入天然气管道、提供工业过程热能、二氧化碳排入大气的小型工业设施的模式，大部分会消失。
　　
　　转型
　　
　　当我想到过去的能源转型时，就会想起许多个冬天前去露营的河谷林地，或者是马萨诸塞州新造林的景观。在低碳的世界里，供暖突然变得昂贵起来，那些树木将会全部消失，被砍下来当柴烧。
　　
　　以前的每一次能源转型都带来巨大的社会变化，工业和人口大规模流动，以及世界各地相对生活水平的巨大变化。廉价的煤炭为大英帝国的建立提供了工业力量，但以水磨坊为中心的地区却失去了竞争优势。石油的广泛供应帮助汽车和卡车重塑了这里的面貌，但铁路城镇却日渐式微。如今，廉价的天然气在很大程度上对美国工业的重建负责——我们拥有世界上价格最低的天然气——但煤矿开采地区正在消亡。
　　
　　没有理由相信，向低碳能源体系转变会有所不同。将会有地域上的赢家和输家。
　　
　　进入低碳世界，在一定程度上为不同国家成为21世纪的工业超级大国扫清了障碍。以某种方式成功地将核能、风能和太阳能结合在一起，使能源总成本最小的国家，将会兴旺发达。
　　
　　要保持当今工业中心地带的活力，就必须找到可再生能源和核能的解决方案，在成本、可储存和可运输方面与化石燃料相匹敌。对于美国中西部工业区、德国的莱茵-鲁尔河谷或中国东部的制造业中心来说，这是21世纪的工程挑战。如果做不到这一点，我们的世界将会像中世纪一样，成为位置决定哪些地方享有高生活水准，哪些国家是新兴的超级工业大国，哪些国家是贫困世界。
　　
　　资料与注释：
　　
　　1. Charles W. Forsberg ，查尔斯·福斯伯格，剑桥麻省理工学院核科学与工程系首席研究科学家，美国能源部高温氟盐冷却反应堆综合研究项目首席研究员。
　　
　　2. Charles Forsberg，Column: A Whole New World，ASME，Nov 16, 2020