增加供求系統(tǒng)負熵促能源轉(zhuǎn)型

□ 孫 月 孫 竹

能源轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)是提供能源供求系統(tǒng)更多的負熵，增加負熵的政策措施將有助于能源轉(zhuǎn)型這一戰(zhàn)略的實現(xiàn)。提高能源利用效率、提高對可再生能源的消費比重、開采利用新型能源和促進廢棄資源的循環(huán)再利用等，都屬于能源轉(zhuǎn)型的負熵舉措。

使用清潔能源的公交汽車。李曉東 供圖

能源供求系統(tǒng)向來依托于傳統(tǒng)的經(jīng)濟學思想，市場通過供求關(guān)系來決定價格，管制方也可以通過對市場價格的指導來調(diào)整供求，但一直沒有屬于能源系統(tǒng)自身的理論。如何從能源系統(tǒng)本身的發(fā)展來考慮能源生產(chǎn)與消費之間的關(guān)系和尋求更適宜的能源生產(chǎn)與消費以實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型是我們所關(guān)注的問題，在此情況下，“熵”作為一種自然科學的理論給我們提供了新思路。

熵的定義和發(fā)展

“熵”在物理學上代表著一種無序或混亂程度，起源于熱力學第二定律，即熱量能自然地從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體，但不能在無外力作用的情況下從低溫物體傳導到高溫物體，也稱熵增加原理，即孤立系統(tǒng)中的熵只會隨著時間的增加而增加或不變，絕不會減少。熵，指無法利用的熱能除以最佳溫度所得到的商，熵的值越高，代表系統(tǒng)中損耗越多，無用功越多，系統(tǒng)中增加的熵，永遠不會低于零，即孤立系統(tǒng)中的熵，不會自動減少，若過程可逆，則熵值保持前一狀態(tài)不會增加，若過程不可逆，則系統(tǒng)里的熵增產(chǎn)生。

熵的概念最早由魯?shù)婪颉た藙谛匏乖?865年提出熱力學第二定律時產(chǎn)生，同時熵增原理也伴隨而生。魯?shù)婪颉た藙谛匏惯€結(jié)合了熱力學第一定律和第二定律并應(yīng)用于整個宇宙，提出了“熱寂說”這一觀點：宇宙的熵，越接近某一最大的極限值，那么它變化的可能性越小，宇宙將永遠處于一種惰性的死寂狀態(tài)。此后，熵的概念被發(fā)展并衍化到了許多其他的學科領(lǐng)域中。

1873年吉布斯發(fā)表了《流體熱力學的圖解方法》一文，用幾何圖解釋了體積與溫度、熵、壓強和內(nèi)能等因素相關(guān)，開始將熵的概念與幾何方法結(jié)合起來。

1889年玻爾茲曼將熵，從宏觀角度擴展到微觀角度。他認為，熵在粒子系統(tǒng)中表示原子和分子之間無序的排列程度，即熵越多，系統(tǒng)里粒子排列越無規(guī)則、越混亂；熵越小，則整個系統(tǒng)越有序，且系統(tǒng)某一狀態(tài)下的熵與系統(tǒng)在該狀態(tài)下對應(yīng)的熱力學概率的對數(shù)成正比，由此正式地將熵與統(tǒng)計物理學結(jié)合起來。

1944年薛定諤將熵應(yīng)用到生物學領(lǐng)域。薛定諤在《生命是什么——活細胞的物理觀》一文中認為生命狀態(tài)本身是一種高度有序的狀態(tài)，即低熵狀態(tài)，但同時生命有機體在不斷地增加熵，當熵達到最大值時生命便處于死亡狀態(tài)，生命過程就是通過新陳代謝，不斷吸收低熵排出高熵，延遲高熵進程的過程。

1948年，香農(nóng)發(fā)表了《通信的數(shù)學原理》一文，首次將熵的概念引入信息論中，認為在對信息的獲取過程中，同樣體現(xiàn)了知識的不斷增加，即信息熵的不斷增加。

1969年以普利高津為代表的布魯塞爾學派提出了新的科學理論——耗散結(jié)構(gòu)理論，認為熵增原理只存在于孤立系統(tǒng)中，而開放系統(tǒng)是可以實現(xiàn)熵減的。

1987年杰里米·里夫金和特德·霍華德在所著的《熵：一種新的世界觀》一書中將熵這一物理概念應(yīng)用到哲學等文化領(lǐng)域。

此后熵更是不斷發(fā)展，同時也伴隨著各種爭議，對熵的進一步研究更多地注重在更為具體的各個系統(tǒng)中而非學科領(lǐng)域。如果把能源供求系統(tǒng)視作一個整體，同樣可以將熵引入其中，從新的角度重新審視能源消費與生產(chǎn)，促進能源轉(zhuǎn)型。

熵在能源供求系統(tǒng)中的應(yīng)用

封閉的系統(tǒng)都會遵循熵增定律，然而事物都有相對性，從耗散結(jié)構(gòu)理論開始，負熵這一概念初顯雛形。熵本身是和熵增定律相伴出現(xiàn)的，在一個孤立的封閉系統(tǒng)中，熵只會隨著時間流逝和事情發(fā)展而不斷增加，但實際上這只是一個理想狀態(tài)，許多系統(tǒng)都是開放的，是可以在與外界的交換過程中實現(xiàn)自身的熵減，即負熵。負熵表示的是熵增的對立面——有序。

負熵和熵一樣，被擴展應(yīng)用到許多其他領(lǐng)域，在經(jīng)濟學中熵增指經(jīng)濟活動本身所創(chuàng)造的價值低于其實際消耗成本，例如生產(chǎn)一些農(nóng)作物，而農(nóng)產(chǎn)品的生長過程中消耗了大量的陽光、雨露和勞動力成本，加上投入的種子和肥料等物質(zhì)成本，總價值是要大于農(nóng)產(chǎn)品的售價的。但這是站在整個地球的角度來考慮的，將不需在市場上交易、不存在貨幣價值的自然資源視作了成本的一部分。拋開這些因素，不考慮動植物成長系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的資源交換，農(nóng)作物的生長在本系統(tǒng)內(nèi)是一種有價值的負熵。但根據(jù)熵增原理，在不可逆過程中，系統(tǒng)勢必發(fā)生熵增，某子系統(tǒng)達成的負熵代表著必有其他子系統(tǒng)產(chǎn)生了更多的熵增，故母系統(tǒng)最終會因子系統(tǒng)的活動呈現(xiàn)出更多的熵增。

負熵只在開放系統(tǒng)中存在。若將能源供求系統(tǒng)狹窄地定義成最常用的傳統(tǒng)化石能源的集合，則能源供求系統(tǒng)是一個封閉的系統(tǒng)。能源的消費以化石能源為主，化石能源主要包括煤炭、石油和天然氣，屬于一次能源，也是開采技術(shù)最成熟和使用最廣泛的能源，是由古代生物的化石經(jīng)千百萬年時間沉積而來，故化石能源是有總量限制的。隨著人類生活生產(chǎn)的需要，化石能源被不斷地開采和使用，所?？衫媚茉丛絹碓缴伲覀兛梢詮男袨樯蠈⒛茉聪M理解成使有序退化成無序的一種熵增行為，將能源生產(chǎn)理解成使別處的無序，化成此處的有序的一種半負熵行為（并不能完全稱之為負熵，因為能源生產(chǎn)耗用了其他系統(tǒng)的資源，違背了系統(tǒng)封閉原則）。雖然目前是供應(yīng)量大于消費量，但考慮代際關(guān)系，總體依然是所需的消費量趨近于或大于生產(chǎn)量，即熵增大于負熵，若熵增不斷發(fā)生直至最大值則會出現(xiàn)能源枯竭，能源供求系統(tǒng)開始滅寂。

若考慮能源轉(zhuǎn)型的要求，非常規(guī)油氣資源和可再生能源在能源供求系統(tǒng)中的地位將更加突出，能源供求系統(tǒng)從廣義上理解，則處于一個非封閉的狀態(tài)。我們可以從整體上，將一切不斷降低能源消耗速度，延長能源可用年限，提高原有能源儲量的行為都理解成負熵。在開放的系統(tǒng)中，能源的總量并非是固定的，是能夠隨著人們的認知水平和技術(shù)能力的進步而不斷擴大的，但能源消費總量也會隨之擴大，甚至其增長速度可能會超過技術(shù)進步的速度，熵增同樣會不斷地發(fā)生，但較之封閉系統(tǒng)，開放系統(tǒng)的負熵行為更加多元化，更能延緩能源供求系統(tǒng)的衰竭。

無論是從狹義上還是從廣義上，能源供求系統(tǒng)中的熵增定理都是指社會生活的進步和便利，是以能源的不斷使用和消耗換取的，是能源資源終將消耗殆盡的發(fā)展趨勢。在更貼近現(xiàn)實的非封閉狀態(tài)的能源供求系統(tǒng)里，促進能源轉(zhuǎn)型與實現(xiàn)負熵發(fā)展的理念不謀而合，同樣可以延長系統(tǒng)的壽命期。

從負熵的角度促進能源供求系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)型

生命活動和經(jīng)濟活動都以熵增為發(fā)展趨勢，但又依賴負熵為生。當我們將各個系統(tǒng)分隔開來，忽視其中的資源交換，就會在某些方面發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)并不遵循熵增定律，原因在于在現(xiàn)實中，各系統(tǒng)常常并不是孤立的，子系統(tǒng)和母系統(tǒng)必然存在交集，不同子系統(tǒng)間也存在關(guān)聯(lián)，這并不符合熵增定律的原始假設(shè)。又恰恰是這開放的系統(tǒng)狀態(tài)，才能利用系統(tǒng)外的資源幫助實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的熵減，以減緩系統(tǒng)熵增的速度。

在能源供求系統(tǒng)中，要實現(xiàn)負熵不外乎兩點：擴大總的能源供給量和減少經(jīng)濟發(fā)展的單位能耗。以我國為例，如何在能源供求系統(tǒng)中不斷降低能源消耗速度，延長能源可用年限，促進能源轉(zhuǎn)型，我們可以從以下四個方面著手。

第一，提高技術(shù)水平，提高能源利用效率。單位GDP能耗是反應(yīng)能源消費水平和節(jié)能降耗狀況的主要指標，是能源消耗總量與國內(nèi)生產(chǎn)總值的比率。發(fā)達國家能源利用效率約為46%，而我國能源利用效率僅有36%。改善這一困境我們可以（1）改變能源消費構(gòu)成，煤炭發(fā)電效率就比天然氣發(fā)電效率低，損耗更高，在可以選擇的情況下，優(yōu)先使用能效更高的能源產(chǎn)品；（2）增強技術(shù)創(chuàng)新，促進技術(shù)設(shè)備更新進步，減少中間環(huán)節(jié)的損耗，直接提高能源使用效率；（3）轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式，粗放型經(jīng)濟增長方式比集約型經(jīng)濟增長方式的能效低，單位GDP能耗更大；（4）調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，第二產(chǎn)業(yè)較之第一產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)來說能耗高，故發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)或科技行業(yè)是降低能耗的好的選擇。能效的提高可以有效減少能源需求量，減少熵增。

第二，提高科技成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用水平，提高對可再生能源的消費比重。近年來我國能源消費結(jié)構(gòu)中煤炭高居首位，占比約62%，石油緊隨其后約占19%，水電以9%排列第三，天然氣占6%，可再生能源約占3%，核電比重最低約1%。能源消費結(jié)構(gòu)以傳統(tǒng)化石能源為主，但如果能夠增加對可再生能源的使用，就可以減少對化石能源的消耗，且可再生能源如太陽能并非由地球本身生成，而是由太陽不間斷地向地球提供能量，即能量來自于系統(tǒng)之外且太陽能的豐富程度遠超當前消費水平下人類的能源消耗總量，對太陽能的使用也絲毫不會占用其他系統(tǒng)資源，對其他系統(tǒng)造成損害。對可再生能源的利用可以增加能源供求系統(tǒng)里的能源供給，延緩熵增速度。

第三，提高開采水平，尋找并開采利用新型能源。人類對能源的使用主要依賴于化石能源，消費重心從煤炭轉(zhuǎn)至石油，可見地球上可被利用的能源是能夠隨著技術(shù)水平的發(fā)展而不斷豐富的。如可燃冰，它是分布于深海沉積物或陸域永久凍土中的一種天然氣水合物，是一種類冰形態(tài)的結(jié)晶物質(zhì)，遇火可以燃燒，是比天然氣還高效環(huán)保的新型能源，儲量非常豐富，但因目前人類技術(shù)水平的限制，難以對可燃冰進行開發(fā)利用，多數(shù)停留在試采階段，距離正式投入市場還有很長一段路程。可燃冰被公認為是石油、天然氣等傳統(tǒng)化石能源的替代能源，只要能夠在石油等傳統(tǒng)能源資源枯竭之前實現(xiàn)技術(shù)突破，同樣可以減緩能源消費的熵增趨勢。對新型能源的開發(fā)利用可以增加系統(tǒng)里的能源總量，總基數(shù)增加，熵增勢必減緩。

能源轉(zhuǎn)型已為社會各界所關(guān)注。李曉東 供圖

第四，提高環(huán)保水平，促進廢棄資源的循環(huán)再生利用。實現(xiàn)能源供求系統(tǒng)里的負熵除卻對自然的各種索取，也可以依賴現(xiàn)有資源，通過增強民眾的環(huán)保意識提高社會環(huán)保水平。將廢棄資源分類回收循環(huán)再利用可以最大化地發(fā)揮能源的使用價值。對能源的循環(huán)利用，我們可以關(guān)注：（1）開發(fā)過程中的循環(huán)利用，煤炭開采過程中產(chǎn)生的煤層氣是一種有害氣體，容易造成瓦斯事故，但也可以作為高效的能源進行開采利用；（2）生產(chǎn)加工過程中的循環(huán)利用，我國陜西榆林府谷縣就實現(xiàn)了將當?shù)孛禾考庸U棄物低溫蒸餾成“蘭煤”用于鐵合金等的循環(huán)利用；（3）使用過程中的循環(huán)再利用，我國青島董家口循環(huán)經(jīng)濟區(qū)有一個青鋼循環(huán)經(jīng)濟配套項目，生產(chǎn)鋼鐵需要消耗大量煤炭，該項目將燃燒煤炭過程中產(chǎn)生的熱氣和加熱后的熱水轉(zhuǎn)化成電力和供熱，實現(xiàn)了廢棄物的循環(huán)再利用。對廢棄資源的循環(huán)利用可以減少能源消耗總量，最大化發(fā)揮每單位能源的作用，增加系統(tǒng)里的負熵。

能源供求系統(tǒng)中的負熵就是通過擴大可用的能源供給和減少不必要的能源消耗，在保持經(jīng)濟正常運行的情況下促進能源轉(zhuǎn)型，推動能源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。但是值得注意的是，此刻的能源供求系統(tǒng)是一個開放的系統(tǒng)，與外界存在資源交換，能源供求系統(tǒng)里的負熵的發(fā)生正是由其他交換系統(tǒng)里更大的熵增所換來的。