增長的極限：論能源收益遞減效應對社會發(fā)展的影響

曹峰毓，吳 磊

一、對能源與社會發(fā)展極限間關系的爭論

能源是否會成為決定人類社會發(fā)展極限的重要因素？對于這一問題，學者們有著截然不同的回答。其中，“能源悲觀主義”曾長期占據(jù)學界的主導地位。其認為由于能源資源儲量的有限性，不可避免的能源短缺最終將成為人類社會發(fā)展的阻礙，甚至是促使現(xiàn)代社會解體的誘因。這一觀點的思想源泉，可追溯至18世紀末的馬爾薩斯。在名著《人口原理》中，馬爾薩斯提出了人口增長需與自然資源生產(chǎn)相匹配的思想。(1)程美娥：《從“增長的極限”到“可持續(xù)消費”》，《南京政治學院學報》2006年第1期。工業(yè)革命以來，伴隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，學界逐漸認為，能源的儲量極限已經(jīng)逐漸成為阻礙社會發(fā)展的重要因素。在20世紀初，哲學與經(jīng)濟學家威廉·斯坦利·杰文斯在《煤炭問題：關于國家發(fā)展和我國煤礦可能枯竭的調(diào)查》一書中認為，英國的煤炭儲量將很快耗盡。(2)See William Stanley Jevons，The Coal Question：An Inquiry Concerning the Progress of the Nation，and the Probable Exhaustion of Our Coal Mines，London：Macmillan，1906.兩次世界大戰(zhàn)期間，戴維·懷特與哈羅德·伊克斯也曾對美國的石油儲量做出極為悲觀的預測。(3)[美]斯科特·L.蒙哥馬利：《全球能源大趨勢》，宋 陽，姜文波譯，北京：機械工業(yè)出版社，2012年，第116頁。在該領域，最著名的論述要數(shù)哈伯特提出的石油峰值論(Peak Oil Theory)。他認為，由于石油資源的不可再生性，全球石油產(chǎn)量將在2000年到達頂點并不可避免地開始下跌。(4)Marion King Hubbert，“Nuclear Energy and the Fossil Fuel”，Drilling and Production Practice，1956，no.1，p.22.丹尼斯·梅多斯等人的《增長的極限》可看成這一觀點的代表作。他們認為，人口、工業(yè)化、糧食生產(chǎn)、環(huán)境污染與資源消耗是決定社會發(fā)展的5個根本要素。如果不改變現(xiàn)有的發(fā)展模式，那么人類將在未來一個世紀內(nèi)達到發(fā)展極限。(5)See Donella H.Meadows，Dennis L.Meadows，J?rgen Randers and William W Behrens III，The Limits to Growth，Arlington：Potomac Associates，1972.

相比之下，直至20世紀90年代，“能源樂觀主義”才開始得到快速發(fā)展。這一觀點認為，能源資源儲量的有限性只具備地質(zhì)學上的意義；進而指出能源短缺是可被避免的，能源不會成為阻礙人類發(fā)展的主要因素。該理論的核心思想源于經(jīng)濟學家朱利安·西蒙。他認為，從經(jīng)濟學的角度上看，資源實際上是無限的。一方面，產(chǎn)量、技術與價格之間存在著動態(tài)平衡關系。另一方面，他認為不斷增加的人口是社會的終極資源。由于一個人創(chuàng)造的總是比他消耗的更多，那么只要人口保持增長，社會的資源產(chǎn)出便會增加。(6)See Julian Lincoln Simon，The Ultimate Resource 2，Princeton：Princeton University Press，1996.具體到能源領域，萊昂納多·毛杰里認為，供求緊張會導致石油價格上升，較高的價格會刺激新技術的應用并導致石油產(chǎn)量的增加，最終導致生產(chǎn)重心逐漸由常規(guī)石油向非常規(guī)石油資源的轉(zhuǎn)移。(7)Leonardo Maugeri，The Age of Oil：The Mythology，History，and Future of the World’s Most Controversial Resource，Santa Barbara：Praeger Publishers，2006，p.214.邁克爾·林奇也指出，石油儲量與開采能力均是動態(tài)變化的，與需求、技術、政策和投資等因素密切相關，而目前人類能夠開采的石油資源僅占總量的約35%。(8)Morris A.Adelman and Michael C.Lynch，“Fixed view of Resource Limits Creates Undue Pessimism”，Oil and Gas Journal，1997，vol.95，no.14，pp.56～60；Michael C.Lynch，“Petroleum Resources Pessimism Debunked in Hubbert Model and Hubbert Modeler’s Assessment”，Oil and Gas Journal，2003，vol.101，no.27，pp.25～30；Charles A.S.Hall，Robert Powers and William Schoenberg，“Peak Oil，EROI，Investments and the Economy in an Uncertain Future”，in David Pimentel，ed.Biofuels，Solar and Wind as Renewable Energy Systems，Dordrecht：Springer，2008，p.113.這些學者認為，雖然不可能完全避免偶發(fā)性的供應危機，但能源資源的枯竭日期從長遠上看可被無限推遲。

從結果上看，目前顯然是“能源樂觀主義”占據(jù)了上風，能源資源的儲量至今未成為阻礙社會發(fā)展的主要因素。相反，2020年5月國際石油市場中負油價的出現(xiàn)，似乎意味著供過于求才是目前能源產(chǎn)業(yè)面臨的緊迫問題。正如石器時代的結束不是因為人們耗盡了石頭，同樣我們也沒理由堅信工業(yè)時代的終結是因為人們用盡了化石燃料。

不過，該領域的爭論仍在持續(xù)。一方面，有學者指出，“能源樂觀主義”大幅低估了能源消費的增長速度，技術進步帶來的產(chǎn)量增加并不一定可以充分滿足快速上升的消費需求。(9)[美]斯科特·L·蒙哥馬利：《全球能源大趨勢》，宋 陽，姜文波譯，北京：機械工業(yè)出版社，2012年，第127頁。另一方面，“能源悲觀主義”也修正了原有理論。他們認為石油等能源資源的產(chǎn)量不會因儲量耗盡而突然下滑，而是會逐漸進入高位穩(wěn)產(chǎn)期，隨后緩慢下降。(10)Richard A.Kerr，“The Looming Oil Crisis Could Arrive Uncomfortably Soon”，Science，2007，vol.316，no.5823，p.351.

二、邊際收益遞減效應在能源生產(chǎn)活動中的體現(xiàn)

通過上述討論可以看出，現(xiàn)有研究一直將能源資源的儲量作為討論的核心。悲觀與樂觀主義者實際上均認為能源資源的總儲量是阻礙人類社會發(fā)展極限的重要因素。只是前者認為能源資源的儲量是固定的，遲早會被耗盡；后者則認為能源資源儲量的耗盡會因供求關系、技術進步等原因而被無限推遲。

從邏輯上看，人類對物質(zhì)財富的創(chuàng)造活動均可被看成是通過能源消費而實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)換的過程。因此作為社會運行所必須的基本要素，能源必然以某種方式?jīng)Q定著人類社會的發(fā)展極限。早在1943年，人類學家萊斯利·懷特便意識到，在其他條件相同的情況下，人均能源消費以及能源利用效率與社會的發(fā)展程度有著直接聯(lián)系。(11)Vaclav Smil，Energy in World History，Boulder：Westview Press，1994，p.2.統(tǒng)計學上的大樣本研究也表明，聯(lián)合國人類發(fā)展指數(shù)(HDI)與人均能源消費之間存在著很強的正相關性。(12)BP，BP Energy Outlook 2019，London：BP，2019，p.23.尼古拉斯·喬治庫斯·羅根則聲稱：“既然經(jīng)濟增長依賴能源，而能源產(chǎn)量的增加又受制于熱力學第二定律，那么經(jīng)濟便不可能無限增長?！?13)Nicholas Georgescu-Roegen，Energy and Economic Myths：Institutional and Analytical Economic Essays，New York：Pergamon Press，2014.

筆者認為，目前學界在這一問題上仍存在分歧的主要原因，是現(xiàn)有研究均忽視了一個十分重要的問題，即能源資源的質(zhì)量?？v使能源資源的儲量可被看成是“無限的”，其也必然存在優(yōu)劣之分，而其中優(yōu)質(zhì)的能源資源往往最先得到開發(fā)。在一定的技術條件下，伴隨著資源質(zhì)量的逐漸下降，即使對某一要素的投入量能夠?qū)崿F(xiàn)無限增加，能源產(chǎn)業(yè)的收益也將最終減少。這實際上是邊際收益遞減效應在能源生產(chǎn)活動中的具體表現(xiàn)。

針對能源開發(fā)中的邊際收益遞減現(xiàn)象，查爾斯·霍爾指出，只有在預先投入一定能量的情況下，能源產(chǎn)業(yè)才能實現(xiàn)能量產(chǎn)出，并于1984年提出了能源收益率(Energy Return on Investment)概念，(14)Cutler J.Cleveland，Robert Costanza，Charles A.S.Hall and Robert Kaufman，“Energy and the US Economy：a Biophysical Perspective”，Science，1984，vol.225，no.4665，pp.890～897.其指的是生產(chǎn)活動中獲得的能源總量與投入能源總量的比值。隨著能源資源開采難度的上升，能源生產(chǎn)過程中需要預先投入的能源也將逐漸增加，能源收益率會隨之降低，并迫使人類減少對非必要活動(如文藝、高等教育等)的能量投入。(15)Jessica G.Lambert，Charles A.S.Hall，Stephen Balogh，Ajay Gupta and Michelle Arnold，“Energy，EROI and Quality of Life”，Energy Policy，2014，vol.64，p.155.能源收益率一旦降低至1，便意味著能源生產(chǎn)的潛在收益會被資源開采、加工與運輸所需的能源消費完全抵消，社會發(fā)展也將無從談起。通常情況下，能源收益率需要達到7才能維持經(jīng)濟的正常發(fā)展。(16)James Conca，“EROI— A Tool To Predict The Best Energy Mix”，F(xiàn)orbes：https：//www.forbes.com/sites/jamesconca/2015/02/11/eroi-a-tool-to-predict-the-best-energy-mix/#598b2540a027，2020年5月7日。

值得注意的是，“技術水平保持不變”是該規(guī)律能夠成立的重要約束條件。在不斷的技術進步中，能源收益率有可能保持不變甚至增加。不過在某一能源體系中，隨著技術發(fā)展?jié)摿Φ闹饾u枯竭，其進步速度也隨之放緩，能源收益遞減效應對社會發(fā)展的制約效果將愈發(fā)明顯。在這種情況下，只有通過能源的體系性變革，徹底改變能源產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)銷模式，才能夠打破這一約束(參見圖1)。工業(yè)革命以來的能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展便體現(xiàn)了這一螺旋式上升的過程。相較于前文對于能源資源儲量的討論，能源邊際收益遞減效應對社會發(fā)展的制約具有更強的確定性。在下文中，筆者將對不同能源體系中能源收益遞減效應的表現(xiàn)，以及其對社會發(fā)展造成的影響進行討論。

圖1：能源收益率變化趨勢示意圖

三、生物能源體系中的能源收益遞減效應

在前工業(yè)時代中，人類社會對動力、制熱等基本能源服務的需求均依靠生物能源來完成。其中，前者主要依靠對人體與役畜等生物動力機的集中使用，后者則主要依靠對柴薪燃料的燃燒。雖然風車、水車等非生物動力機在這一時期也得到了一定發(fā)展，但受技術與自然條件的限制，只得到了十分有限的使用。據(jù)統(tǒng)計，11世紀初，畜力占英國動力總輸出的約81%，人力占到了10%，水力僅為9%，而風力則幾乎可以忽略不計。(17)Roger Fouquet，Heat，Power and Light：Revolutions in Energy Services，Cheltenham：Edward Elgar Publishing，2008，pp.115～116.從能量的基本來源上看，我們完全可將這種能源產(chǎn)銷系統(tǒng)稱為生物能源體系。

在生物能源體系中，人體與役畜等生物動力機的運行，需要以糧食與飼料的充足供應為前提，柴薪燃料的采集也需要消耗大量森林資源。這意味著在此種能源體系中，農(nóng)業(yè)是社會的基本能源生產(chǎn)部門。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對各類農(nóng)作物的種植可被認為是對“能源轉(zhuǎn)換器”的“制造”活動，主要目的是利用植物的光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為可被人類、役畜吸收或用于燃燒的化學能。

主要能源生產(chǎn)部門的角色決定了生物能源體系中的農(nóng)業(yè)需要有較高的能源收益率。據(jù)估算，羅馬帝國的小麥種植業(yè)能源收益率約為12，苜蓿種植業(yè)則為27。(18)Thomas Homer-Dixon，The Upside of Down：Catastrophe，Creativity，and the Renewal of Civilization，Washington，DC：Island Press，2006，p.52.對目前仍處于生物能源體系中的欠發(fā)達地區(qū)的研究也顯示出，非洲木薯種植的能源收益率約為22.93，新幾內(nèi)亞地區(qū)遷移農(nóng)業(yè)的能源收益率約為15.40，而墨西哥地區(qū)的玉米種植能源收益率也達到了10.74。(19)C.Cleveland，Encyclopedia of Energy，New York：Elsevier，2004，p.753.

在生物能源體系中，能源收益遞減效應對社會發(fā)展的阻礙主要體現(xiàn)在對土地資源的開發(fā)上。在該能源體系下，動力產(chǎn)出的增加需要更多的人口和役畜，而這則以更多的糧食與飼料生產(chǎn)為前提。糧食與飼料產(chǎn)量的增加又反過來需要更多的人口和役畜參與耕種。最終，新增動力的相當部分又被重新投入到了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。在理想狀態(tài)下，生物能源體系可以在生活條件總體不變的情況下保持人口的增加。

不過，實際情況下土地的邊際收益是逐漸遞減的。一方面，考慮到最肥沃的耕地經(jīng)常最先得到開墾，新增農(nóng)田的產(chǎn)量往往會逐漸降低。另一方面，對相同土地不斷追加勞動力與資本投入所帶來的收益增量也遲早會出現(xiàn)下降。耕種技術的進步(如由刀耕火種向集約型農(nóng)業(yè)的過渡)僅能在一定程度上緩解這一趨勢。(20)Joseph A.Tainter，The Collapse of Complex Societies，Cambridge：Cambridge University Press，1988，pp.110～111.這意味著新增動力產(chǎn)能被耕地所吞噬的比重將越來越多，并最終導致人均收入長期處于低水平均衡狀態(tài)，甚至導致社會解體。托馬斯·荷馬·迪克森的研究表明，羅馬帝國的滅亡在很大程度上是一場“熱力學危機”。隨著地中海沿岸優(yōu)質(zhì)農(nóng)田逐漸開墾殆盡，羅馬人被迫加大對低回報貧瘠土地的開發(fā)力度，最終導致他們無法生產(chǎn)出足夠的高質(zhì)量能源來支持復雜社會的運行。(21)Thomas Homer-Dixon，The Upside of Down：Catastrophe，Creativity，and the Renewal of Civilization，Washington，DC：Island Press，2006，p.44，p.55.此外也有證據(jù)表明，瑪雅文明的衰落也與其農(nóng)業(yè)能源收益率的降低密切相關。(22)Joseph A.Tainter，The Collapse of Complex Societies，Cambridge：Cambridge University Press，1988，pp.169～178.

在生物能源體系中，能源收益遞減效應對社會發(fā)展的阻礙有著諸多表現(xiàn)。第一，隨著人口的上升與耕地質(zhì)量的下降，人們被迫將更高比例的土地用于種植糧食以應對不斷上升的人口，進而導致役畜數(shù)量的降低與人均動力消費的下降，并進一步削弱了社會的生產(chǎn)能力。以英國為例，該國在公元10世紀初，人均動力消費約為每年300千瓦·時，而到了1 300年，則大幅下降至每年130千瓦·時。(23)Roger Fouquet，Heat，Power and Light：Revolutions in Energy Services，Cheltenham：Edward Elgar Publishing，2008，p.113.

第二，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐漸集中于少量幾種能量密度較高的食物。其中小米、小麥、大米、玉米占到了這一時期中國居民飲食攝入量的四分之三，而歐洲居民的飲食也多以黑面包、各類粗糧、甘藍與土豆為主。(24)Vaclav Smil，Energy in World History，Boulder：Westview Press，1994，p.79.不過，這仍無法阻止民眾生活質(zhì)量的下降。例如，公元前3000至2400年生活在美索不達米亞地區(qū)的居民能量攝入量，相較于20世紀初生活在該地區(qū)的居民要高出約20%。羅馬城居民的人均谷物攝入量則由16世紀末的每年290公斤下降至18世紀初的每年200公斤，同一時期的肉類攝入量由40公斤下降至30公斤。(25)Robert Forster and Orest Ranum，F(xiàn)ood and Drink in History，Baltimore：Johns Hopkins University Press，1979，pp.37～49.

第三，社會經(jīng)濟增長乏力。由于農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的能源又有相當部分被重新投入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，生物能源體系只能為社會發(fā)展提供十分有限的能源支持。根據(jù)羅杰·富凱的測算，由于大量能源被用于維持農(nóng)業(yè)運轉(zhuǎn)等僅產(chǎn)生較少附加值的活動，16世紀英國經(jīng)濟的能源強度可能高達每百萬英鎊1 400噸油當量，處于歷史最高水平。(26)Roger Fouquet，Heat，Power and Light：Revolutions in Energy Services，Cheltenham：Edward Elgar Publishing，2008，p.280.從全球水平上看，世界人均生產(chǎn)總值在公元元年后的約1 700年中，僅由每人444美元上升至615美元，年均增長率只有不到萬分之二。(27)Angus Maddisson，The World Economy：A Millennium Perspective，Paris：OCED，2001，p.264.

四、化石能源體系中的能源收益遞減效應

18世紀以來，隨著煤炭等化石燃料的大規(guī)模使用，人類社會逐漸開始了由生物能源體系向化石能源體系轉(zhuǎn)型的進程。其中，1709年亞伯拉罕·達比發(fā)明的焦炭煉鐵法掃清了煤炭在工業(yè)制熱領域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模應用的阻礙；而18世紀80年代詹姆斯·瓦特對蒸汽機進行的一系列改良，則成為煤炭向動力燃料轉(zhuǎn)化的誘因。此外，內(nèi)燃機的發(fā)明、現(xiàn)代石油與電力工業(yè)的建立，均為化石燃料的大規(guī)模使用創(chuàng)造了條件。在全球范圍內(nèi)，化石燃料在一次能源消費中的比重于20世紀初超過了柴薪燃料。(28)C.Cleveland，Encyclopedia of Energy，New York：Elsevier，2004，p.554.這一變化標志著人類正式進入了化石能源體系。

化石能源體系的能源生產(chǎn)方式與生物能源體系存在著本質(zhì)區(qū)別。在化石能源體系中，煤炭、石油與天然氣成為了能量的主要來源，而采掘業(yè)則代替農(nóng)業(yè)成為能源的主要生產(chǎn)部門。這直接帶來了以下兩點巨大變化：

第一，農(nóng)業(yè)的能源收益率大幅降低。由于失去了作為主要能源生產(chǎn)部門的地位，農(nóng)業(yè)不必再制造大量能源盈余，人類可以通過加大能量投入的方式實現(xiàn)更高的農(nóng)業(yè)產(chǎn)出。每公頃耕地的能源消費由1900年的不足2公斤油當量持續(xù)上升至1990年的約200公斤油當量。在大約同一時期，世界糧食的畝產(chǎn)量上升了三倍，總產(chǎn)量上升了約五倍。(29)Vaclav Smil，Energy in World History，Boulder：Westview Press，1994，pp.189～191.能源收益率則由10以上普遍降低至不足3。(30)C.Cleveland，Encyclopedia of Energy，New York：Elsevier，2004，p.753.若將收割、運輸、儲存、烹飪等領域的能源開銷計算在內(nèi)，人類在食物生產(chǎn)上的能源虧損可能高達近90%。(31)Earl Cook，Man，Energy，Society，San Francisco：W.H.Freeman and Company，1976，p.114.如此巨大的能源虧損，意味著農(nóng)業(yè)已主要承擔能源轉(zhuǎn)化者角色，即將電能、太陽能以及化石燃料轉(zhuǎn)化為可被人類食用的化學能。

第二，能源生產(chǎn)與人口或役畜數(shù)量間的關系被極大削弱?；剂蠈儆诮?jīng)千萬年地質(zhì)變化后濃縮的太陽能，在能量密度上較植物有著壓倒性優(yōu)勢。早在1900年，美國一名礦工的煤炭開采便可滿足超過200人的能量需求。(32)Earl Cook，Man，Energy，Society，San Francisco：W.H.Freeman and Company，1976，p.112.這意味著能源產(chǎn)業(yè)只需要吸收一小部分勞動力就可以滿足整個社會的能源需求，能源生產(chǎn)與人口或役畜總量間的聯(lián)系被極大地弱化了。這使得能源可脫離人口總量的限制，以獨立經(jīng)濟變量的身份實現(xiàn)增長。人類經(jīng)濟發(fā)展模式逐漸由勞動密集型過渡至能源密集型。在大量能源消費的支撐下，工業(yè)化國家每十年的經(jīng)濟增長率往往能達到20%至60%。(33)Angus Maddisson，The World Economy：A Millennium Perspective，Paris：OCED，2001，p.264.

不過，化石能源體系中的社會發(fā)展同樣無法擺脫能源收益遞減效應的制約。與土地的開墾類似，容易開采的燃料礦藏通常會得到首先開發(fā)。隨著優(yōu)質(zhì)礦藏的逐漸枯竭，新礦藏的開采也開始需要更多的資本投入。有研究表明，在2002至2004年中，全球發(fā)現(xiàn)的新油田價值尚不及石油公司的勘探成本。(34)David Pimentel，Biofuels，Solar and Wind as Renewable Energy Systems，Dordrecht：Springer，2008，p.118.杰里米·里夫金認為，人均石油占有量早在1979年便達到了峰值。(35)[美]杰里米·里夫金：《第三次工業(yè)革命》，張體偉，孫豫寧譯，北京：中信出版社，2012年，第10頁。為了保障石油供給，工業(yè)界被迫將開發(fā)的重點轉(zhuǎn)移至非傳統(tǒng)油氣資源。由于在開發(fā)過程中需要使用水力壓裂(Hydraulic Fracturing)、水平鉆井(Horizontal Drilling)、蒸汽吞吐(Cyclic Steam Injection)等特殊技術，非常規(guī)油氣資源在生產(chǎn)成本上要不可避免地高于常規(guī)油氣資源。根據(jù)羅伯托·阿奎萊拉的研究，雖然非常規(guī)油氣在資源儲量上要明顯高于常規(guī)油氣，但其開采成本也要昂貴得多。(36)Roberto F.Aguilera，“Production Costs of Global Conventional and Unconventional Petroleum”，Energy Policy，vol.64，2014，pp.134～140.

隨著開采成本的不斷增加，優(yōu)質(zhì)礦藏的逐漸耗竭意味著人們也不得不將更多的能源產(chǎn)出投入到對能源資源的開發(fā)中。其顯著表現(xiàn)便是化石燃料產(chǎn)業(yè)的能源收益率已經(jīng)出現(xiàn)了持續(xù)下降。據(jù)查爾斯·霍爾等人的統(tǒng)計，在1992至2006年中，全球油氣產(chǎn)開采的能源收益率已經(jīng)下降了約50%，而美國煤炭開采的能源收益率也由20世紀50年代的80降低至70年代的30，目前僅剩約5-11。(37)Charles A.S.Hall，Jessica G.Lambert and Stephen B.Balogh，“EROI of Different Fuels and the Implications for Society”，Energy Policy，vol.64，no.114，2014，pp.144.159；徐 博，馮連勇，胡 燕等：《能源投入回報(EROI)研究進展探析》，《中國礦業(yè)》2016年第2期?；a(chǎn)業(yè)能源收益率的降低將顯著降低經(jīng)濟的發(fā)展速度。據(jù)估算，若美國的平均能源收益率由20(2005年平均值)降低至5，則該國的可支配收入占GDP的比重將由約50%下降至約10%。(38)David Pimentel，Biofuels，Solar and Wind as Renewable Energy Systems，Dordrecht：Springer，2008，p.127.這意味著，即使在不考慮儲量極限與環(huán)境污染問題的情況下，隨著能源產(chǎn)出中被用于能源開發(fā)的比例逐漸增加，社會的發(fā)展速度也將逐漸放緩乃至停滯。

五、可再生能源體系中的能源收益遞減效應

與生物能源體系中對柴薪等可再生能源的直接利用不同，現(xiàn)代意義上的可再生能源產(chǎn)業(yè)多是將相關能源轉(zhuǎn)化為電能、液體與氣體燃料后再加以利用，以增加可再生能源使用的靈活性，并契合工業(yè)革命后建立起的現(xiàn)代能源體系。1881年，世界第一座水電站在英國的戈德爾明建成，開創(chuàng)了現(xiàn)代意義上的可再生能源產(chǎn)業(yè)。隨后，風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等技術也先后問世。不過受制于技術瓶頸，水力發(fā)電在很長時間內(nèi)成為了唯一得到較大發(fā)展的可再生能源產(chǎn)業(yè)。

隨著2010年以來太陽能與風力發(fā)電技術的逐漸成熟，可再生能源的大規(guī)模推廣最終成為可能。在2010至2016年中，1兆瓦以上光伏發(fā)電系統(tǒng)的全球加權平均安裝成本(the global weighted average total installed cost)下降了約65%，而平準化電力成本(levelised cost of electricity)(39)“平準化能源成本”指的是電站生命周期內(nèi)的成本現(xiàn)值除以電站生命周期內(nèi)發(fā)電量。則下降了67%，降至平均每千瓦·時0.12美元。在同一時間內(nèi)，陸上風力發(fā)電的加權平準化發(fā)電成本降低了18%，達到了每千瓦·時0.07美元。(40)REN21，Renewables Global Status Report 2017，Paris：REN21 Secretariat，2017，p.91.學界與工業(yè)界也普遍對可再生能源技術的未來發(fā)展持較為樂觀的態(tài)度。根據(jù)英國BP公司的預測，可再生能源的發(fā)電成本在2015至2035年中將進一步降低，并最終取得相較于傳統(tǒng)能源明顯的成本優(yōu)勢。(41)BP，BP Energy Outlook 2017，London：BP，2017，pp.41～43.

正是在這種預期之下，可再生能源已成為國際社會的重點發(fā)展對象。從2015年開始，可再生能源在全球新增發(fā)電能力中已經(jīng)超過了化石能源。(42)UNEP，Global Trends in Renewable Energy Investment 2017，F(xiàn)rankfurt School-UNEP Collaborating Centre for Climate，2017，pp.31～34.包括貝拉·利普塔克、杰里米·里夫金等在內(nèi)的大量學者對可再生能源的未來發(fā)展報以了極高期望，并認為其具有替代化石能源產(chǎn)業(yè)的潛力，成為推動新一輪工業(yè)革命的重要動力。(43)李堯遠：《正在進行的“工業(yè)革命”：次第與主題之辨》，《讀書》2018年第3期。有學者甚至認為人類將在2050年之前實現(xiàn)能源消費的完全可再生化。(44)Mark A.Delucchi & Mark Z.Jacobson，“Providing All Global Energy with Wind，Water，and Solar Power，Part II：Reliability，System and Transmission Costs，and Policies”，Energy Policy，vol.39，no.3，2011，pp.1170～1190.以此為背景，雖然目前可再生能源體系尚未建立，但仍有必要分析這一能源變革對社會發(fā)展帶來的可能影響。

可再生能源體系的建立意味著風能、太陽能發(fā)電將成為社會主要的能源消費形式。決定能源供給總量的關鍵因素將由化石燃料的開采總量變?yōu)樘柲茈姵匕迮c風力發(fā)電機的生產(chǎn)與運行總量。這一變化意味著能源生產(chǎn)的主要部門將由采掘業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞓I(yè)，而能源采掘業(yè)的主要任務則將轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚴突づc煤炭化工等部門提供必要的原材料。

雖然目前可再生能源技術的能源收益率仍然偏低，(45)據(jù)測算，目前光伏發(fā)電、風力發(fā)電與聚光太陽能發(fā)電的能源收益率分別為1.6、3.9、9。距化石能源尚存在巨大差距。D.Wei·bach，G. Ruprecht，A. Huke，“Energy Intensities，EROIs(Energy Returned on Invested)，and Energy Payback Times of Electricity Generating Power Plants”，Energy，2013，vol.52，p.219.但制造業(yè)與采掘業(yè)在生產(chǎn)模式上的巨大差異，意味著能源體系的基本運行邏輯將再次出現(xiàn)根本性變革。與采掘業(yè)中開采成本不可避免地持續(xù)上升不同，可再生能源產(chǎn)業(yè)作為一種制造業(yè)，風力發(fā)電機與太陽能電池板等設備的成本，將隨著技術進步與規(guī)模效應而不斷下降。賈根良認為，這將成為人類能源史上前所未有的重大進步，標志著能源的生產(chǎn)將首次可以遵循收益遞增規(guī)律。(46)賈根良：《可再生能源革命的性質(zhì)與意義》，《光明日報》2014年5月21日。以此為基礎，里夫金甚至提出了“零邊際成本社會”的概念。(47)參見[美]杰里米·里夫金：《零邊際成本社會》，北京：中信出版社，2014年。從這一角度看，發(fā)展可再生能源產(chǎn)業(yè)并不是為了避免環(huán)境污染而進行的次優(yōu)選項，而是社會發(fā)展規(guī)律下的必然選擇。

目前，學界與工業(yè)界認為，可再生能源產(chǎn)業(yè)有兩種可能的發(fā)展模式。其一認為，應該在沙漠與海洋等地建立大型光伏或風力發(fā)電廠，對可再生能源進行集中開發(fā)。(48)[德]赫爾曼·希爾：《能源變革：最終的挑戰(zhàn)》，王乾坤譯，北京：人民郵電出版社，2013年，第114～130頁。其二則認為，全球任何地區(qū)都具備一定的可再生能源開發(fā)潛力。人類完全可以在能源消耗點就地開發(fā)可再生能源以滿足需求，將每個建筑都變成分布式發(fā)電站。(49)[美]杰里米·里夫金：《第三次工業(yè)革命》，張體偉，孫豫寧譯，北京：中信出版社，2012年，第32頁。

然而不論采用何種發(fā)展模式，可再生能源均需要面臨功率密度較為低下的固有缺陷。其中，太陽輻射能的平均功率密度為每平方米170瓦，風能為每平方米1至10瓦。此外，水電站的功率密度約為每平方米1至10瓦，植物光合作用的功率密度為每平方米0.5至1瓦，大部分地區(qū)地熱能的功率密度為每平方米0.1瓦。(50)[加]瓦科拉夫·斯米爾：《能源轉(zhuǎn)型：數(shù)據(jù)、歷史與未來》，高 峰，江艾欣，李宏達譯，北京：科學出版社，2018年，第9～12頁。相比之下，以能源開發(fā)活動所需的占地面積作為衡量標準，煤田的功率密度約為每平方米1千至1萬瓦；中東地區(qū)油田的功率密度超過每平方米1萬瓦，北美地區(qū)則約為每平方米1至2千瓦；天然氣田的功率密度與油田相似。減去運輸、加工、傳輸?shù)裙ば虻哪茉磽p耗后，化石能源的典型功率密度約為每平方米250至500瓦。(51)[加]瓦科拉夫·斯米爾：《能源轉(zhuǎn)型：數(shù)據(jù)、歷史與未來》，高 峰，江艾欣，李宏達譯，北京：科學出版社，2018年，第9～12頁.可見，與化石能源相比，各類可再生能源均在功率密度上處于絕對劣勢，且除太陽能外均達到了數(shù)量級級別。

較低的功率密度意味著可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要占用大量土地資源。據(jù)估算，目前人類社會用于生產(chǎn)、加工與運輸化石燃料或進行火力發(fā)電的土地面積約為3萬平方千米，相當于比利時的全部國土面積。相比之下，若以能源密度每平方米1瓦計算，完全采用可再生能源替代現(xiàn)有的能源體系，則需要1 250萬平方千米的土地，相當于美國與印度國土面積的總和。(52)Vaclav Smil，Energy Transitions：History，Requirements，Prospects，Santa Barbara：Praeger，2010，p.117.

對土地資源的嚴重依賴，使可再生能源體系與生物能源體系具有了一定的相似性，土地邊際收益遞減將成為可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大阻礙。對于集中式開發(fā)模式來說，太陽能或風能富集區(qū)將會得到優(yōu)先開發(fā)；而對于分布式開發(fā)模式來說，可再生能源產(chǎn)業(yè)則將先在城市等人口密集地區(qū)大規(guī)模發(fā)展。隨著這些優(yōu)質(zhì)地區(qū)土地資源的逐漸耗盡，可再生能源產(chǎn)業(yè)不得不將開發(fā)重點轉(zhuǎn)移至風能、太陽能貧乏或人口較少的地區(qū)，邊際收益最終也將不可避免地降低，直至無利可圖。此外值得注意的是，可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢必會對農(nóng)業(yè)等同樣嚴重依賴土地資源的活動造成嚴重不利影響。由此可見，可再生能源體系同樣不能在絕對意義上實現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展。

目前水力發(fā)電業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)了類似趨勢。隨著具備最佳工程條件的地點已先后得到開發(fā)，水電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點不得不轉(zhuǎn)移至建設條件更差的地區(qū)，建設與征地成本不斷上升，并導致邊際收益的持續(xù)降低。國際可再生能源機構(IRENA)對未來水電成本的進一步降低持謹慎態(tài)度；(53)IRENA，Renewable Energy Technologies：Cost Analysis Series，Abu Dhabi：International Renewable Energy Agency，2012，p.26.而中國部分水電站的正常運營已經(jīng)需要特殊電價政策支持。(54)張偉波、譚 軒、袁玉琪、楊 映、成 果：《我國水電發(fā)展存在的主要問題及對策建議》，《中國能源》2013年第2期。

結 語

本文的分析表明：在不同能源體系中，邊際收益遞減效應一直限制著能源生產(chǎn)活動，進而成為制約社會發(fā)展的重要因素。只有在能源產(chǎn)業(yè)的體系性變革下，這種邊際收益的遞減趨勢才能得到暫時改變，社會也才有機會實現(xiàn)躍升式發(fā)展。

需要說明的是，本文并不試圖建立一種僵化的“能源決定論”。能源收益遞減效應雖然是社會發(fā)展的重要制約條件，但絕不是決定社會實際發(fā)展的唯一因素，更不應該被用于預測社會的未來發(fā)展。以能源為單一尺度的歷史觀忽視了眾多道德、智慧等非物質(zhì)的因素；而在很多情況下，決定社會發(fā)展的恰恰是人類的主觀選擇，而不是能源體系運行所基于的物理規(guī)律。如果將人類社會比喻成一個多邊形，那么能源收益的遞減效應決定的是它的周長，但無法決定其形狀、面積與顏色。

不過，通過對能源收益遞減效應與社會發(fā)展間關系的討論，本文依舊可從以下幾個方面增益學界的相關研究。第一，丹尼斯·梅多斯等學者對于能源與人類社會發(fā)展之間的討論都基于“靜態(tài)資源觀”，即認為能源資源總量的不變性是阻礙社會發(fā)展的根本因素。但本文則回避了對能源資源總量的討論，認為隨著能源資源質(zhì)量的逐漸下降，能源收益率將持續(xù)降低，而以化石能源為核心的第一、二次工業(yè)革命，以及以可再生能源為核心的第三次工業(yè)革命，均可以看成是人類通過改變能源體系來打破這一趨勢的努力。這可被看成是在“動態(tài)資源觀”下對社會發(fā)展制約因素的有益探討。

第二，學界目前主要從環(huán)境承載力角度對可持續(xù)發(fā)展問題進行討論。本文指出，通過將主要能源生產(chǎn)部門由農(nóng)業(yè)依次過渡至采掘業(yè)與制造業(yè)，人類得以多次扭轉(zhuǎn)能源收益率的持續(xù)下降趨勢。尤為值得注意的是，在可再生能源體系中，通過將能源的主要生產(chǎn)部門轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞓I(yè)，技術進步與規(guī)模效應已經(jīng)使人類能夠在能源生產(chǎn)中實現(xiàn)一定意義上的收益遞增。這一過程可看成是從能源生產(chǎn)角度對可持續(xù)發(fā)展問題的全新詮釋。

第三，在能源收益遞減效應的影響下，伴隨著能源收益率的降低，石油、天然氣、煤炭等化石能源的價格很可能會保持高位運行或持續(xù)上漲。尋找替代能源已成為國際社會的當務之急，而可再生能源被普遍認為是理想的“接班者”。然而值得注意的是，雖然化石能源的收益率已有了明顯下降，但其仍是現(xiàn)有能源形式中最高的。在目前技術條件下貿(mào)然推廣可再生能源可能無助于能源問題的解決。尤為值得注意的是，部分可再生能源的能源收益率極低，如生物乙醇只有約1.1。(55)David Pimentel，Biofuels，Solar and Wind as Renewable Energy Systems，Dordrecht：Springer，2008，p.205.這類可再生能源的大規(guī)模使用反而有可能加劇人類面臨的能源危機。