未来城市的能源从哪里来，要怎么用｜未来城市大哉问
腾讯研究院&澎湃研究所&清华大学建筑学院龙瀛课题组
如果能源可以不受限——比如，人类从自然界获取能源的效率大幅提高，远远超过自身生存发展所需，那么，城市的运行方式一定会更奇妙。试想一下，跟随信息流的召唤，能源流可以任意倒腾折换，从发电装置到储能设备再到耗能电器，哪怕每个环节耗损九成以上，都可忽略不计。可用的能源总量无比巨大，人类社会将真正进入新的时代。
人类的能源需求永远在增长。创新和想象力都需要消耗更多能量。众所周知，化石能源形态稳定，燃烧利用最方便。但人们也认识到，这些有机物自远古沉积而来，如果在短短百余年内不加节制地燃烧殆尽，就会有大量二氧化碳排放到空中，加剧大气层中的温室效应，地表的温度随之变化，进而改变大气和水体的流向。倘若如此，人类最终或许也将无法呼吸，和地球上的其他生物一同归于沉寂，成为下个世代的化石。
要让多余的碳回归土地，而不是留在空中。这可视为“双碳”目标的题中之义，也是未来城市处理能源问题的大前提。如何不依赖化石能源，采用基于自然的风能、光能、生物质能等，这确是一项挑战。大自然风起云涌，有无穷的能量不断流转。关键在于，自然界中能量密度低、存在形式不稳定的能源，如何能为城市所采集、传输、存储和利用。
在更远的未来，人类取用能源的瓶颈也许会彻底解决。比如，核聚变技术如果成熟，人类就相当于有了可控的太阳 。近期世界首次激光核聚变点火成功，但离投入应用还需几十年。当下我们还不能以此为前提，对未来城市的远景做过分浪漫的畅想 ，而是需要考虑，在现有技术条件下，如何更好地开源和节流。
设计未来城市，并使其能够生长，就要思考和理解城市。针对有关城市的大问题，我们访谈了许多处在前沿的思考者和实践者，包括建筑与城市规划研究者、人文地理学者、技术史学者、互联网法学者、经济学者、公共管理学者、未来学家、政府决策咨询专家，以及从事城市服务的企业管理者，试图得到一些答案和线索，能够更好地前行。
智慧用能
站在能源的视角看，针对一座城市的方方面面，都做出精准预测，不仅没有必要，更重要的是做不到。智慧的技术必然消耗更多能量，在可预见的未来，能源系统无法支持这样的运算。也就是说，在微观层面，要想预测复杂系统的走向，消耗的能量将过于庞大。
具体而言，研究者指出，信息负荷自身能耗展现出动态复杂系统的“蝴蝶效应”，比如，通常移动终端每产生1个单位的信息，端到端能耗则至少增加10倍。在数据驱动方法中采用最恰当数据集（just enough），达到系统状态感知和优化控制，是未来信息能源领域中重要的研究课题。
不过，我们仍可立足当下，设想一座城市未来的生产生活将是怎样的，所匹配的又应当是怎样的能源系统。
一座小城市未必一二三产业齐全，但必然存在相对高密度的集聚。以现有的能源结构而言，北京大学城市与环境学院教授吕斌认为，高密度的城市，无法单靠自身实现碳中和。尽管源头上使用清洁能源，能解决很大一部分问题，但最后还有20%左右的碳，需要通过节能减少。这就要构建城乡协同的社会生态共生系统，也就是说，城市并非独立存在，需要以都市圈或都市区为单元， 进行城乡协同，通过乡村的农作物，来提供碳汇。
农作物的生态化种植，秸秆还田，让更多碳排放回到土壤，即可视为碳汇。在城市里，也可以促成这类闭环。尽管物质循环和能源流动，往往被分列不同学科体系之中加以审视，但在城市生产生活的终端，它们往往对应同一件事。比如，食物是人摄取能量的载体，而垃圾是新陈代谢的产物——何为物质，何为能量，无从区分；对应到城市之中，食物和垃圾，分别是家家户户的冰箱和垃圾桶，工业园区的食堂或资源回收处。也就是说，针对这些系统，可以采取一些办法 ，让物质当中的能量，向可持续造福人类的方向流动。
谷歌的Sidewalk实验室此前对多伦多Quayside的计划中，就有这类考虑。在当时的计划中，每栋楼的每一层，都有智能垃圾回收桶，鼓励居民环保地处理垃圾。如果所在楼层每个人都做得很好，一些节省下来的钱就发还给居民。如果整栋楼都做得很好，当月租金就会得到减免。这样的方案对民众有明显的吸引力。因为，当地每个人都知道，有意义地解决气候变化，是一件大事，即便生活成本高一些，只要能够实现社会目标，没有人会对这样的做法提出反对。碳排放的问题是被置于中心的。
另一方面，智能化也可对节能做出贡献。如前所述，相比传统的生产生活方式，智能化意味着，需要调动更多能源去计算。虽然计算工作本身耗能，但对整体流程而言，可以提高效率，节约时间和成本。这对应着减少了单位能耗。而如果面向节能的目标进行计算，也就是在运作过程中，进行能源的计量，就可能在整体上更为节能。
日本工程院院士沈振江对我们说到，日本的智慧城市建设，就是在绿色的基础上强调低碳，然后追求智慧的目标。比如，日本城市规划就是通过大数据，测度人的行为，根据1分钟中内人的行为，评估不同智慧技术条件下建筑节能的效果。更多考虑结合传感器，让能量浪费尽可能减少。一个简单的例子是，研究发现，空调每运行一小时，再关闭半小时，对人的身体感受影响较小。因此，可以通过智能控制空间来减少用电。
创新节流
低碳的线索贯穿在城市之中。让城市的运转与能源的流动更好地呼应。不但需要开发新的技术，还要让这些技术流转起来，在不同的条块网络中，相互激发出新的可能性。
比如，城市需要能够促成各种人群的交流，以及各种要素的流动。无论如何，交通工具必不可少。基于电池技术的发展，我们可以把电动车当作移动的储能设施，而不只是消耗电力的出行工具。有需要的时候，这些电动车能反向向电网输电，辅助调节电网负荷。这也能减少能源在转化中的效率损失。这种分布式的储能模式，可视为在能源系统、交通系统和城市空间之间搭建连接，会更好地适应未来城市的需求。
让能源在用户侧响应，针对实时需求削峰填谷，也是虚拟电厂的意图所在。在未来的城市中，居民也许可以选择不同供电商，电价根据一系列指标波动，以智能的手段去进行识别和选择，谁发电就要谁的电，有需求就给出价格信号，保证高峰期消纳掉电网中的负荷。
规模大小直接决定了运算量是否可行。现在的技术水平，更适合可自封闭型技术系统的模拟、运转和调控。针对当下能源流与智能技术的应用，清华大学建筑学院教授尹稚，对我们举出智慧社区中全感知和自动调控的封闭技术系统的例子。他介绍说，浙江智能电网在社区尺度上做了一个实验平台。其中包含传统能源、新能源等多种能量来源，根据与碳相关的指标，可实现每十五分钟更新一次，高碳的部分调控为高电价，针对实时需求，进行反馈与智能调控。这样一来，会改变人们的用电习惯。而这一类的全智能化管控，在很多示范性小区都有所实现。
数据中心也是消耗能源的重要部门，当下很多时候不得不使用化石能源来满足消耗。这方面的节流手段，需要更多地考虑基于自然的方法。这与建筑物里的机房类似。机房需要散热降温，建在冷的地方，增加对流，可以省掉一些冷却用电。当下的一种创新策略，是采用液冷手段降温，让服务器浸入水底。微软把数据中心放到海底，Facebook将数据中心靠近北极圈，都是这方面的考虑。虽然技术成本高，但耗能极低，辅助设备用能极少。中国一些地方和部门也有相应举措。
人的意识
对于能源问题，我们关注的一大部分是碳排。如果不使用化石能源，就可以不用计算排放。碳捕捉技术（CCUS）未来可期，但目前尚不能过分乐观。因为，虽然已有示范项目，但还缺乏足够的经济性，只适用于特殊条件。
也许，还是要回归到人的意识上。信息流与能源流，最终作用于人。碳账户更大的作用，并不是少排放这一点点碳，而是让人更多地去看到和意识到自己的行为对城市、对地球的影响。
科幻作家陈楸帆最近写的一本书《零碳中国》，正是写给小朋友的。书中的主人公从当下污染相对严重、面对极大挑战的年代，去到2060年，进而看到，未来人们用怎样的技术和机制，去实现碳中和。
陈楸帆把对未来社会的设想，写入中国承诺当年碳达峰的时点。陈楸帆说到，在那个时候，应该已经有了一种机制，让人们在做每个消费决策时，能直观看到所产生的碳排放，进而可以自主选择更为低碳的方式，比如一个不同的包装材料，又比如骑车、走路或坐公共交通，而不是开私家车，等等。就是这样一些赋能的方式，令城市中的人最终可以理解，要做什么样的努力，维持这样可持续发展的社会 。
陈楸帆说到，能源是最后的问题，也是解决包括地缘政治等很多问题的核心。但长期而言，还是需要更多科技上的突破，包括材料科学——如果能够维持低廉的成本，又能以某种方式降低对环境的影响，那就会是革命性的发明。
这也恰如深圳大学建筑与城市规划学院研究员张宇星所说，宏观架构不确定性更大，微观规则策略有更大的灵活性，反而有可能改变未来。因此， 改变未来的可能是一些颗粒状的小事情，而非宏大的理想。
或许，我们不妨就从这里开始，让市民在日常的生活中，能够广泛应用普遍的碳积分计算，并与城市系统的其他部分相互作用，进而让人更直接地感受到自身与自然、与环境的联系。未来城市处理能源问题，这应该是第一步，也是最根本的一步。也许游戏也是一个重要的入口。
（澎湃新闻记者 王昀 执笔）
WeCityX团队总结： 风光发电和储能技术，成本上已与传统化石能源发电方式相当，而中国的大规模生产和应用对此贡献巨大。在全球能源短缺和双碳战略背景下，能源革命进程将继续加速。能源，尤其是分布式可再生能源的应用，可能是未来改变城市形态最重要的因素，数字技术的连接和调控能力，将在这个过程中扮演不可替代的作用。一张新的能源互联网正在展开，同时会改变建筑、交通等系统的形态。在技术进步的同时，每个人的意识和参与更为重要。从主动节能到低碳生活，进而成为能源的生产者和调控者，您准备好了么？
吕斌 中国城市规划学会副理事长、北京大学城市与环境学院教授
未来城市大哉问：
发起：腾讯研究院
出品：腾讯研究院 澎湃研究所 清华大学建筑学院龙瀛课题组WeCityX特约观察：澎湃研究所访谈执行: 刘琼 李瑞龙 窦淼磊 王鹏 刘莫闲 徐一平 张翼 李孜 王昀 龙瀛 张炜仑 李伟健 张恩嘉视觉设计：帝都绘插画：耿乐彤 罗渣媒体支持：澎湃新闻、腾讯新闻、北京城市实验室BCL、国匠城、一览众山小——可持续城市与交通、全球知识雷锋、City+、爱范儿社区支持：广宇宙推荐阅读
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