小王子，天然气逆袭的未来与终局

狐狸说：“对我来说，你只是一个小男孩，就像其他成千上万个小男孩一样没有什么两样。我不需要你，你也不需要我。对你来说，我也只是一只狐狸，和其他成千上万的狐狸没有什么不同。但是，如果你驯养了我，我们就会彼此需要。对我来说，你就是我的世界里独一无二的了；我对你来说，也是你的世界里的唯一了。”

——安东尼·德·圣-埃克苏佩里《小王子》

三次能源革命，从“庶出”逆袭成为小王子

能源究竟是什么玩意？

最经典的理论当然是高中课本上的热力学三大定律。不过还是英国科学家和小说家C·P·斯诺在经典名著《The Two Cultures》解释得通俗易懂。

第一定律：你可能不劳而获（能力既不会被创造、也不会被消灭，只会从一个系统转移到另一个系统，能量永远守恒）

第二定律：你也不可能不赔不赚（能源转移是个不可逆的过程，总是随着能量损失，其表现就是熵的增加，或者说系统变得更加无序）

第三定律：你无法摆脱这个游戏（在绝对零度的理想状态下，所有原子都会停止运动，但绝对零度却无法达到）

永动机专利转让，要不要来交点智商税？

能量是以物资资源为基础，比如天然气石油等化石燃料、水、空气、太阳光等，资源就会涉及可用性、成本、影响和可持续性等问题。

人类文明跨越几千年，看似取得了无比闪耀的科技进步，但令人羞愧又遗憾的是我们仍然是一个靠火来照明、建造和驱动的世界。

人类文明是怎样开始？用木头生活取暖和烹饪食物，利用阳光来加热和晒干，利用风和水获得动力，利用动物做体力活。今天又在用什么？火，来自煤炭、石油、天然气、核燃料和生物质；阳光，用来获取太阳能和供热，而且在世界很多地方仍用来晒干和取暖；风，用来发电，提供机械动力（磨坊）和行驶动力（帆船）。对了，还有无机动物，也就是机器。

其实，发现新的造火形式，追求更高效率的造火能源，这是当今能源时代的一个标志，甚至是唯一的标志，同时似乎也是人类文明进步的标志。

早在25万年前，原始人类就掌握了对火的利用，之后除了做饭采暖小规模冶金烧陶等外人类社会几乎不消耗能源，木柴和木炭足以满足需求。

直到18世纪，瓦特看到外婆家的茶壶盖被壶里的沸水顶起来，发明了蒸汽机（实质是改良），开启人类工业革命的伟大历程。蒸汽机的出现，木柴和木炭已经无法满足需求，需要追求能量密度更高的原料，原先小规模的应用且蕴藏丰富的煤炭在英国推广开来。

利用便宜的煤炭引出的第一次能源革命，人类力量得以在机器上不断的延伸，现代工业文明得以发展。

第二次能源革命缘起于美国，那就是石油的广泛应用。回头来看，石油缔造了美国帝国，这话一点也不夸张。

1859年，美国打出了第一口油井，开启了美国第一次石油浪潮，但除了照明之外，煤炭仍然是机器时代的基础。直到19世纪90年代，内燃机的发明改变了一切。

相比于煤炭，作为液体燃料，石油更容易运输和储存，能力密度更高，流动性更是无与伦比的优势。

20世纪初，得益于德州发现的大型油田以及福特创造性的生产流水线，内燃机汽车开始进入千家万户。

随着一战、二战的接连爆发，军事上的扩张，不断增长的汽车、飞机、卡车、坦克和舰船宣告了碳氢化合物时代的到来。

在20世纪大多数时间里，天然气对于贵为国王的石油而言一直都是多余的庶子而已。因为没多大的需求，天然气往往在石油开采过程中被人当成废物被直接排放到空气中或者被直接烧掉。

时不时出现的石油危机、碳排放的忧虑、不断发现的巨大储量以及跨国的管线运输船保证天然气贸易，在20世纪末至21世纪，天然气成为全球增长最快的主要能源，一举从庶出成为王储。

第三次能源革命，人类迈入气体能源时代。

正如所谓四大发明一样，要说起来，天然气最早应用的记载也来自于中国，可追溯至汉代，中国历史崇拜、祖先崇拜简直不要太厉害。

公元前200年，在四川省人们便使用冲击工具打井，天然气通过竹管引到大铁锅下方燃烧蒸制卤水以制盐。

美国人是天然气行业现代化的先驱，天然气进入千家万户和工业领域得益于三项技术进步，第一项是1885年Robert Bunsen 发明了燃气灶，第二项是二战后随着冶金、焊接技术的进步，管道建设进入热潮，第三项是二战后效率更好的燃气轮机渠道了往复式发动机或电机，用于压缩机提供动力，为气站间的输送气体增压。

全球天然气开采量迅速扩张，从1950年的大约200G方到1957年的1.2T方，再到2000年的2.4T方，50年里增长了12倍，到2017年天然气总产量达到3.7T方，十七年时间里增长了54%，全球天然气消费量占全球一次能源消费量比例提升至23%。

21世纪能源霸主：电力时代

20世纪的电气化和21世纪信息化促成了电力成为当今社会首选能源形式，现代文明运行的一大特质便是以电力为基础的控制和自动化，电力承担着控制、管理、驱动材料流和信息流的角色。

电力的应用给人类带来其他能源无法企及的优势：

• 没有一种能源能像电力一样能在如此之大的功率范围内进行精准控制（从最高效微型芯片不到1W的功率到大型国家或区域电网GW级供能）

• 没有一种能源能像电力一样在能想象到的任意规模得到集中应用（从微型机械加工到为世界上最大的挖掘机和最快的列车提供动力）

• 电力不需要专门存储，随需即供，使用起来极为便利

• 工作时无噪音

• 电力向其他能源转换过程中基本可算是清洁的（不考虑效率损耗）

电力带来的经济效益远高于其他燃料，他有着优秀的转换效率、卓越的生产力和无与伦比的灵活性，是应用范围最为广泛的能源，从照明到空调到工业各个领域，如今随着电动汽车的普及，电力在交通运输领域也逐步占据重要位置，只是受蓄电能力限制，目前重型卡车、驳船、远洋船舶和飞机等大型交通工具还无法实现电力功能。

信息化时代，各种数据中心更成为耗电怪兽。据统计，目前全球数据中心的电力消耗总量已经占据了全球电力使用量的百分之三。

而最近因为暴利而兴起的比特币挖矿更是耗电哥斯拉。随着比特币价格近日创出新高，我们也了解到，比特币挖矿耗费的电量超过了全球159个国家的年均用电量。比特币博客和分析网站Digiconomistd的站长亚历克斯·德弗里斯（Alex de Vries），最近发布了对比特币挖矿年用电量进行追踪的“比特币能耗指数”，其中显示这个数字已经达到30.59太瓦时。

这个数字跟摩洛哥全国的能源使用量持平，超过了19个欧洲国家，约占美国能源总需求的0.7%，也就是相当于280万户美国家庭一年的用电量。

电力行业举足轻重。2017年，全球一次能源消费有40%用于发电，使电力成为最大的用能行业。

低碳转型下的主要选择

全球气候变化是21世纪人类讨论的重大议题，大量温室气体排放造成海平面上升、极端气候频现，京都议定书、巴黎协定虽然还有很多人质疑但已基本成为全球共识。

化石燃料在驱动着全球经济和军队的同时也制造了2/3人为温室气体，全球40%二氧化碳排放来源于发电，20%来源于交通运输，现在随着汽车电动化这20%也会逐渐向发电端转换。

为人类庞大的能源系统减碳是21世纪最大的挑战，能源由生物质木材-煤炭-石油-天然气的逐步转化，这恰好就是能源低碳化的进程。

能源系统减碳大致有四类途径：

• 提高能源效率。

• 利用低碳能源和技术。

• 碳捕获和封存（CCS）。

• 减少对化石能源的需求。

美国油气探勘专家Robert.A.Hefner 预测了一个千年能源转型图谱，虽然对未来预测是一件很愚蠢的事，但至少以目前的趋势来看确实如此，天然气在1个世纪甚至2个世纪仍将作为主要的“低碳型”化石能源在能源系统占据重要的一席之地。

1、燃气发电

随着信息化、通信、人工智能等技术的进一步升级换代，电力的地位将会越来越重要，未来全球发电的一次能源消耗预计会超过50%甚至更多。

随着目前全球很多政府都在力推发电用能的清洁和低碳化，近年来可再生能源发电也呈现显著增长的趋势，但令人惭愧的是全球发电结构在过去20年间几乎没有取得突破，2017年非化石能源发电的占比甚至比20年前还要低。

光伏、风电等可再生能源发电受能量密度、转换效率、气候条件、技术条件等各种因素的限制，无法完全满足全球用电需求，短时间内无法完全取代化石燃料发电，从热力学三大定律角度出发光伏、风电恐怕永远无法在发电端占据最大的份额。

煤电、燃气发电等传统化石燃料发电恐怕还在继续作为主要发电手段得以延续下去，期待一下技术爆炸。

讲个科幻臆想故事。

2009年，所谓的科学家Jacobson和Delucchi提出一个实现100%可再生能源发电的终极构想：在全球安装380万架5MW的风机、4万个300MW的聚光太阳能电厂、17亿个3kw屋顶光伏、5530个100MW地热发电厂、270座1.3GW水电站、72万个0.75MW的波浪发电设备以及49万座1WM潮汐发电机。

比大刘《流浪地球》还要科幻…

2、不可或缺的工业原料

很奇怪，在很多所谓研究可再生能源替代化石燃料的转型研究中大多数都忽略高质量煤炭和天然气等作为主要工业生产过程中关键原材料或供能物的不可或缺作用。

正是这些工业基础产品构筑了我们现代经济，让无数人享受高品质文明生活，不使用化石原料远不足以支撑目前人类所需的如此庞大的规模。

钢铁高炉中用到的焦炭，水泥生产用到的煤炭和石油焦炭，合成氨和塑料用到的天然气等等。这些工业生产确实能够找到一些替代方案，但也确实无法满足人类如此庞大的需求。

3、氢能社会遐想

在前文《流浪地球，末日英雄氢能源的本质与未来》中，提到目前全球氢气大部分来源于化石燃料（煤、天然气、石油等）重整制备。中国制氢来源主要是化石燃料，约占97%，其中煤占三分之二，天然气及石油制氢约占20%。

从本质上来看，氢能源无法成为人类能源变革中可持续一次能源的终极选择，无法从根本上实现对化石燃料的替代，仅能作为一种清洁无污染的能量载体，不过随着能源转型的深入尤其是汽车交通领域的不断低碳化，氢能源势必将在人类发展进程中发挥重要的作用。

而随着氢能源应用尤其是氢燃料电池汽车的不断深入，氢气的需求将可能出现急剧的提升。从目前已成熟的制氢工艺而言，煤制氢、天然气制氢和电解水制氢仍是最主要的大规模制氢工艺。

相比而言，天然气重整在设备规模灵活性和管道输送的稳定性具有得天独厚的优势，如加氢站可以灵活配置一套专用的天然气重整制氢设备，未来天然气在氢能源领域可能无法占据霸主地位，但依然不可或缺。

天然气啥时候枯竭？

一提到储量问题，很多人会说天然气是一种过渡能源。根据BP全球能源统计年鉴，2017年全球探明储量193.5万亿方（储量/产量(R/P)比率—用任何一年年底所剩余的储量除以该年度的产量，所得出的极端结果即表明如果产量继续保持在该年度的水平，这些剩余储量可控开采的年限。）

2017年，全球天然气储采比为52.6，这一数据似乎有些悲观，但还要看到其他几个因素：

• 2017年石油储采比仅为50.4，而全球储量最大的煤炭也仅有134。

• 页岩气革命使美国在10年间天然气储量增加一倍，而随着中国加大天然气勘探力度，天然气储量也增加了一倍。

• 储采比是一个动态的概念，随着勘探和开采技术的推进，天然气储量可能会继续上升。

• 经济周期的轮回可能带来能源需求增长的反复。

• 回望石油发展，峰值主义信徒所预言的“世界末日”20世纪80年代后期、90年代或者21世纪10年代均被打脸。

但这并不否认化石燃料的枯竭性和可获得性是一个非常严肃而现实的问题。参照石油开发利用的短暂百余年历史而言，天然气一直到本世纪末应该还能在能源系统占据一席之地，下个世纪会如何就留给后人言说吧。

下一个路口：技术爆炸

大刘在《三体》中，叶文洁告诉罗辑最重要的两件事：黑暗森林法则和技术爆炸。

黑暗森林法则有道理但还无从验证，但回望人类历史技术爆炸确实在实实在在的发生。

天然气上一次技术爆炸便是美国页岩气技术革命带来美国天然气储量翻番，下一次最大潜在变量可能便源自于天然气水合物开采的技术爆炸。

天然气水合物是一种在地球上自然产出的，由甲烷为主的烃类气体与水分子组成的白色冰雪状晶体化合物，俗称可燃冰。天然气水合物的气体99%以上市甲烷，因此有时又称作甲烷水合物。

天然气水合物能生成和稳定存在于低温和较高压力的环境中。在常压条件下它只能0℃以下稳定，但在30大气压时能存在于0℃以上。

天然气水合物通常赋存于3类地质环境中：一是极地及高纬度寒冷地区和高山地区的永久冻土带；二是深水海底沉积层中；三是在宇宙星球中也存在水合物。

1961年，苏联科学家首次在西西伯利亚麦索亚哈气田的永久冻土层中发现了自然界产出的天然气水合物，从此揭开了认识天然气水合物的新篇章。

1979年，在执行深海钻探DSDP66航次中于中美海沟墨西哥近海钻孔岩心中取到了天然气水合物，这是世界上第一次被确证的海底天然气水合物，也是天然气水合物作为能源研究的一个重要里程碑。

天然气水合物是一种高效清洁的能源资源，1m³水合物分解后可以释放出164m³甲烷气体，能量密度是天然气的2-5倍，是煤的10倍。因此被认为是一种高度浓缩固体天然气。

据估计海底水合物分布的范围约占海洋总面积的10%，相当于4000万平方米，是迄今海底最具价值的矿产资源，但绝大部分原位水合物在岩层中含量太低，只有少部分可作为资源开发利用，这部分资源量仍然十分巨大，约为2000万亿方-5000万亿方，大于全球天然气总储量，可满足世界100多年的需要。

天然气水合物储量惊人，但目前离商业开采还有很长一段距离。

天然气水合物的开采通常有3种基本方法：降压法、热激法和化学试剂法。

陆上试验开采的实践证明降压法开采较为经济适用，且能够持久开采。

降压开采的简要工程原理是由中心钻管对含水合物储层进行抽水使储层降压，水合物因压力降低而发生分解并释放出甲烷和水。通过气液分离装置把气体分离出来，再通过外层管道将甲烷气体抽取到平台井口上。

热激法开采需要消耗大量热能，且产气不能持久，因此不经济。降压法是一种较为经济实用的开采方法，。

近年还试验出一种二氧化碳水合物置换法。基本原理是通过钻井向水合物储层注入液态二氧化碳，二氧化碳在储层中与甲烷水合物反应生成二氧化碳水合物，并置换出甲烷，再通过钻井的密封套管提取分解出甲烷气体。这种开采方法的优点是一方面可以用二氧化碳水合物填补采空的水合物储层，另一方面又可以把温室气体二氧化碳固定在深部地层中，起到了碳捕捉和储存（CCS）中的固碳作用。

天然气水合物所储藏的甲烷气体既是一种高效清洁的新能源，同时又是一种极强的温室气体。因此天然气水合物的开发是一种包含机遇和风险的双刃剑。

甲烷是一种比二氧化碳更强的温室效应气体，单分子甲烷储存热量的能力是二氧化碳的27倍，甲烷对气候的增温作用是二氧化碳的10倍。全球天然气水合物中的甲烷储量约为大气中甲烷总量的3000倍，约占全球甲烷总量的99%，设想只要水合物中0.5%甲烷泄露到大气中，就会引起全球气温迅速变暖，导致灾难性后果。

如何安全稳定高效的开采天然气水合物可能需要下一次技术爆炸。

We are all in the gutter, but some of usare looking at the stars.

我们都在阴沟里，但仍有人仰望星空。

——奥斯卡.王尔德《温德密尔夫人的扇子》

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