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》網上發表的“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域。如今，從化石燃料轉向更可持續的能源資源，將再次改變世界......

轉向低碳能源體系可能改變全球經濟地理

在美國明尼蘇達河谷冬季露營，是一種非凡的經歷。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，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。如今，在隆冬時節的明尼蘇達州，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。盡管現在很難記得，在那個時代，“全球北方”就是地球上最富裕地區的“借喻詞”，但曾經有一段時間，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農業用地貧瘠，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。

化石燃料出現改變了一切。化石燃料的基本經濟屬性，便宜、容易運輸，而且容易儲存，使它成為全球貿易體系的基石商品。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。

供應化石燃料，改變了世界的經濟地理格局，促進了靠近煤礦地區的重工業和靠近油田的石化工廠的發展。全球汽車工業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，使數十億人得以躋身中產階級。

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的二氧化碳排放，未來幾十年，世界能源系統要在很大程度上“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：核能會占據主導地位嗎?太陽能和風能會以難以想象的規模部署嗎?但在這個轉變中，很少有人意識到，這將徹底“顛倒”世界的經濟地理格局。

這個世界的經濟地理，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，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，抑制了北部地區的發展，難怪古代和中世紀的大城市，一般都位于氣候溫暖的地區:美索不達米亞、印度、中美洲和地中海。(中國是個例外。)

在“前現代”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，大規模開采煤炭是一場革命。從生物燃料到煤炭再到石油的轉變，導致老城市消亡，新城市建立，以及全球數億人遷移。在歐洲，德國的魯爾河谷、英國的中部和法國的東北部地區，都成了工業中心，因為這些地區很容易獲得煤炭。在美國，鋼鐵工業在伊利諾斯州、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，與當地生產的煤炭和石灰石“匯合”了。

化石燃料的優勢延伸到冬季供暖。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施內，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，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，因為現在木頭只是“壁爐”取暖的燃料。(現在中國江浙一代，即使鄉下農村，也不拾柴生火做飯了。)

為了應對氣候變化，低碳或零碳能源體系前景，正面對上述所有需求的挑戰。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，約占現今世界能源供應總量的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、生物質能、地熱等來替代。

如此快速的能源轉型將帶來巨大的經濟影響，而從化石燃料轉向低碳能源，也將產生類似的地理影響。能源占國內生產總值(GDP)的8%，但某些行業的能源投入要大得多。當地低碳能源服務成本的巨大差異,將導致產業和就業機會大規模地流動。美國數以千萬計、全世界數以億計的人，將過渡到低碳經濟產業。

在某些地方，新的工業基地可能會建立在風能或太陽能的基礎上。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業，依靠山區水庫抽水發電，可以給沿海地區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

電力部門，低碳轉型的挑戰尤為明顯。

電力是在化石燃料的推動下發展起來的，化石燃料燃燒的經濟效應也塑造了電力行業。(這是歷史的偶然;風能和水力發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如何建立在這些能源的優勢和劣勢之上的。) 化石燃料發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能同步變化。因此，以部分負荷運行的化石燃料發電機組，以滿足每小時和季節性的電力需求是經濟的。

在核能、風能和太陽能的低碳世界里，提供可調度的電力將成為更大的物流和經濟挑戰。每一種技術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，設施的運營成本大致相同。因此，這些技術以50%的產能運行，能源成本會翻倍。

太陽能發電的基建成本高，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)州一年的平穩電力需求與風力和太陽能發電設施的平穩發電量進行比較，會發現生產和需求之間存在季節性不匹配。電力需求與太陽能/風能發電量之間不匹配，說明在德國、加州和其他大規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，在風力和太陽能發電不足的時候，就需要第二套發電機發電，而相關的成本基本上是這兩種發電系統。第二個系統確保發電能力，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性影響更匹配。)

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

低碳到零碳能源系統的挑戰，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，但約65%的天然氣供應給了住宅、商業或工業客戶，其中很大一部分用于加工或空間供暖。事實上，工業熱能的總需求(包括來自石油、生物質和天然氣的投入)是美國發電總量的兩倍。如果要使經濟脫碳，就要用電力取代化石燃料滿足的大部分采暖需求。

雖然工業過程的熱能需求多少是恒定的，但商業和住宅的熱能需求隨著位置和季節變化而變化，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。地源熱泵和大規模蓄熱等技術解決方案占用空間，在人口密度較高的城鎮不可行。“超級隔熱建筑物”意味著要取代美國部分地區的大部分住宅。

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，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，這些輸電線路的規模還要適應冬季高峰，而冬季高峰每年只出現有限的幾個小時。

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，會對一些區域產生負面影響。工業供熱價格上漲有可能使美國工業失去競爭力。由化石燃料資源定義的整個行業將會“搬家”。例如，在低碳的世界里，位于煤炭資源豐富地區的鋼鐵業歷史基地，就要隨著能源的可用性而轉變。在明尼蘇達州，利用風能和核能生產氫氣，鐵礦石可以轉化為鋼鐵，因為沒有必要因化石燃料讓鐵礦石“搬家”。另一種選擇是，在允許生產低碳鋼的碳封存“站點”建鋼鐵廠，啟用更傳統的石化工藝。

如果這些方案看起來不夠明確，那是因為化石燃料系統已深深嵌入我們的工業系統中，而我們對化石燃料消失后會發生什么，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，由于能源服務成本高昂，新英格蘭地區(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。

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，它與當地氣候，和位置無關。在向低碳經濟轉型中遭受“顛覆”的程度，部分地取決于核能的成本和社會決策。與100%可再生能源系統相比，新英格蘭地區，由于可再生能源發電和電力需求曲線之間的匹配程度較差，大量核能發電的成本降低了50%。德州的影響較小，那里空調的電力需求峰值與可再生能源的生產更匹配。成本影響的差異還表明，與今天相比，在發電技術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，最好用于滿足工業過程的供熱需求。盡管與電力工業關系密切，但核反應堆產生熱量比生產電力便宜得多。根據熱力學定律，需要幾個熱量單位的熱能才能產生一個單位的電力。(相比之下，風能和太陽能光伏發電是一單位電力產生一單位的熱能。)這意味著核反應堆產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的生活成本

應廣泛采用核熱-電聯產(即核反應堆為工業提供熱能，外加發電和低成本、上億度(GWh)級的蓄熱)。應以現有模式為基礎:石化燃料的熱電聯產一直用于化工行業，在一些地方，工業熱-電聯產機組為當地多個行業提供電力和熱能。熱-電聯產使高溫蒸汽與工業生產中使用的高壓渦輪的低溫蒸汽一起用于發電，從同一單位的熱量中“榨”出兩種用途。能優化電力和工業能源的組合需求，使總成本最小化。

雖然大用戶可能會有自己的反應堆，但小用戶可能發現有必要搬到大型工業園區，那兒有同時給許多客戶提供熱-電的聯產機組。工業基礎設施將會改變，核反應堆(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園區內的多個工業設施提供高溫熱能。

此外，在未來，工廠和設施選擇的最佳地點，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域，會有競爭優勢，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，地理上也支持抽水蓄能。目前分散的、接入天然氣管道、提供工業過程熱能、二氧化碳排入大氣的小型工業設施的模式，大部分會消失。

轉型

當我想到過去的能源轉型時，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型都帶來巨大的社會變化，工業和人口大規模流動，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力量，但以水磨坊為中心的地區卻失去了競爭優勢。石油的廣泛供應幫助汽車和卡車重塑了這里的面貌，但鐵路城鎮卻日漸式微。如今，廉價的天然氣在很大程度上對美國工業的重建負責——我們擁有世界上價格最低的天然氣——但煤礦開采地區正在消亡。

沒有理由相信，向低碳能源體系轉變會有所不同。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、風能和太陽能結合在一起，使能源總成本最小的國家，將會興旺發達。

要保持當今工業中心地帶的活力，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區、德國的萊茵-魯爾河谷或中國東部的制造業中心來說，這是21世紀的工程挑戰。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堆綜合研究項目首席研究員。

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