增长的极限：论能源收益递减效应对社会发展的影响

曹峰毓，吴 磊

一、对能源与社会发展极限间关系的争论

能源是否会成为决定人类社会发展极限的重要因素？对于这一问题，学者们有着截然不同的回答。其中，“能源悲观主义”曾长期占据学界的主导地位。其认为由于能源资源储量的有限性，不可避免的能源短缺最终将成为人类社会发展的阻碍，甚至是促使现代社会解体的诱因。这一观点的思想源泉，可追溯至18世纪末的马尔萨斯。在名著《人口原理》中，马尔萨斯提出了人口增长需与自然资源生产相匹配的思想。(1)程美娥：《从“增长的极限”到“可持续消费”》，《南京政治学院学报》2006年第1期。工业革命以来，伴随着经济的高速发展，学界逐渐认为，能源的储量极限已经逐渐成为阻碍社会发展的重要因素。在20世纪初，哲学与经济学家威廉·斯坦利·杰文斯在《煤炭问题：关于国家发展和我国煤矿可能枯竭的调查》一书中认为，英国的煤炭储量将很快耗尽。(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，1906.两次世界大战期间，戴维·怀特与哈罗德·伊克斯也曾对美国的石油储量做出极为悲观的预测。(3)[美]斯科特·L.蒙哥马利：《全球能源大趋势》，宋 阳，姜文波译，北京：机械工业出版社，2012年，第116页。在该领域，最著名的论述要数哈伯特提出的石油峰值论(Peak Oil Theory)。他认为，由于石油资源的不可再生性，全球石油产量将在2000年到达顶点并不可避免地开始下跌。(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《增长的极限》可看成这一观点的代表作。他们认为，人口、工业化、粮食生产、环境污染与资源消耗是决定社会发展的5个根本要素。如果不改变现有的发展模式，那么人类将在未来一个世纪内达到发展极限。(5)See Donella H.Meadows，Dennis L.Meadows，Jørgen Randers and William W Behrens III，The Limits to Growth，Arlington：Potomac Associates，1972.

相比之下，直至20世纪90年代，“能源乐观主义”才开始得到快速发展。这一观点认为，能源资源储量的有限性只具备地质学上的意义；进而指出能源短缺是可被避免的，能源不会成为阻碍人类发展的主要因素。该理论的核心思想源于经济学家朱利安·西蒙。他认为，从经济学的角度上看，资源实际上是无限的。一方面，产量、技术与价格之间存在着动态平衡关系。另一方面，他认为不断增加的人口是社会的终极资源。由于一个人创造的总是比他消耗的更多，那么只要人口保持增长，社会的资源产出便会增加。(6)See Julian Lincoln Simon，The Ultimate Resource 2，Princeton：Princeton University Press，1996.具体到能源领域，莱昂纳多·毛杰里认为，供求紧张会导致石油价格上升，较高的价格会刺激新技术的应用并导致石油产量的增加，最终导致生产重心逐渐由常规石油向非常规石油资源的转移。(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.迈克尔·林奇也指出，石油储量与开采能力均是动态变化的，与需求、技术、政策和投资等因素密切相关，而目前人类能够开采的石油资源仅占总量的约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.这些学者认为，虽然不可能完全避免偶发性的供应危机，但能源资源的枯竭日期从长远上看可被无限推迟。

从结果上看，目前显然是“能源乐观主义”占据了上风，能源资源的储量至今未成为阻碍社会发展的主要因素。相反，2020年5月国际石油市场中负油价的出现，似乎意味着供过于求才是目前能源产业面临的紧迫问题。正如石器时代的结束不是因为人们耗尽了石头，同样我们也没理由坚信工业时代的终结是因为人们用尽了化石燃料。

不过，该领域的争论仍在持续。一方面，有学者指出，“能源乐观主义”大幅低估了能源消费的增长速度，技术进步带来的产量增加并不一定可以充分满足快速上升的消费需求。(9)[美]斯科特·L·蒙哥马利：《全球能源大趋势》，宋 阳，姜文波译，北京：机械工业出版社，2012年，第127页。另一方面，“能源悲观主义”也修正了原有理论。他们认为石油等能源资源的产量不会因储量耗尽而突然下滑，而是会逐渐进入高位稳产期，随后缓慢下降。(10)Richard A.Kerr，“The Looming Oil Crisis Could Arrive Uncomfortably Soon”，Science，2007，vol.316，no.5823，p.351.

二、边际收益递减效应在能源生产活动中的体现

通过上述讨论可以看出，现有研究一直将能源资源的储量作为讨论的核心。悲观与乐观主义者实际上均认为能源资源的总储量是阻碍人类社会发展极限的重要因素。只是前者认为能源资源的储量是固定的，迟早会被耗尽；后者则认为能源资源储量的耗尽会因供求关系、技术进步等原因而被无限推迟。

从逻辑上看，人类对物质财富的创造活动均可被看成是通过能源消费而实现物质转换的过程。因此作为社会运行所必须的基本要素，能源必然以某种方式决定着人类社会的发展极限。早在1943年，人类学家莱斯利·怀特便意识到，在其他条件相同的情况下，人均能源消费以及能源利用效率与社会的发展程度有着直接联系。(11)Vaclav Smil，Energy in World History，Boulder：Westview Press，1994，p.2.统计学上的大样本研究也表明，联合国人类发展指数(HDI)与人均能源消费之间存在着很强的正相关性。(12)BP，BP Energy Outlook 2019，London：BP，2019，p.23.尼古拉斯·乔治库斯·罗根则声称：“既然经济增长依赖能源，而能源产量的增加又受制于热力学第二定律，那么经济便不可能无限增长。”(13)Nicholas Georgescu-Roegen，Energy and Economic Myths：Institutional and Analytical Economic Essays，New York：Pergamon Press，2014.

笔者认为，目前学界在这一问题上仍存在分歧的主要原因，是现有研究均忽视了一个十分重要的问题，即能源资源的质量。纵使能源资源的储量可被看成是“无限的”，其也必然存在优劣之分，而其中优质的能源资源往往最先得到开发。在一定的技术条件下，伴随着资源质量的逐渐下降，即使对某一要素的投入量能够实现无限增加，能源产业的收益也将最终减少。这实际上是边际收益递减效应在能源生产活动中的具体表现。

针对能源开发中的边际收益递减现象，查尔斯·霍尔指出，只有在预先投入一定能量的情况下，能源产业才能实现能量产出，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.其指的是生产活动中获得的能源总量与投入能源总量的比值。随着能源资源开采难度的上升，能源生产过程中需要预先投入的能源也将逐渐增加，能源收益率会随之降低，并迫使人类减少对非必要活动(如文艺、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，便意味着能源生产的潜在收益会被资源开采、加工与运输所需的能源消费完全抵消，社会发展也将无从谈起。通常情况下，能源收益率需要达到7才能维持经济的正常发展。(16)James Conca，“EROI— A Tool To Predict The Best Energy Mix”，Forbes：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，“技术水平保持不变”是该规律能够成立的重要约束条件。在不断的技术进步中，能源收益率有可能保持不变甚至增加。不过在某一能源体系中，随着技术发展潜力的逐渐枯竭，其进步速度也随之放缓，能源收益递减效应对社会发展的制约效果将愈发明显。在这种情况下，只有通过能源的体系性变革，彻底改变能源产业的产销模式，才能够打破这一约束(参见图1)。工业革命以来的能源产业发展便体现了这一螺旋式上升的过程。相较于前文对于能源资源储量的讨论，能源边际收益递减效应对社会发展的制约具有更强的确定性。在下文中，笔者将对不同能源体系中能源收益递减效应的表现，以及其对社会发展造成的影响进行讨论。

图1：能源收益率变化趋势示意图

三、生物能源体系中的能源收益递减效应

在前工业时代中，人类社会对动力、制热等基本能源服务的需求均依靠生物能源来完成。其中，前者主要依靠对人体与役畜等生物动力机的集中使用，后者则主要依靠对柴薪燃料的燃烧。虽然风车、水车等非生物动力机在这一时期也得到了一定发展，但受技术与自然条件的限制，只得到了十分有限的使用。据统计，11世纪初，畜力占英国动力总输出的约81%，人力占到了10%，水力仅为9%，而风力则几乎可以忽略不计。(17)Roger Fouquet，Heat，Power and Light：Revolutions in Energy Services，Cheltenham：Edward Elgar Publishing，2008，pp.115～116.从能量的基本来源上看，我们完全可将这种能源产销系统称为生物能源体系。

在生物能源体系中，人体与役畜等生物动力机的运行，需要以粮食与饲料的充足供应为前提，柴薪燃料的采集也需要消耗大量森林资源。这意味着在此种能源体系中，农业是社会的基本能源生产部门。在农业生产中，对各类农作物的种植可被认为是对“能源转换器”的“制造”活动，主要目的是利用植物的光合作用将太阳能转化为可被人类、役畜吸收或用于燃烧的化学能。

主要能源生产部门的角色决定了生物能源体系中的农业需要有较高的能源收益率。据估算，罗马帝国的小麦种植业能源收益率约为12，苜蓿种植业则为27。(18)Thomas Homer-Dixon，The Upside of Down：Catastrophe，Creativity，and the Renewal of Civilization，Washington，DC：Island Press，2006，p.52.对目前仍处于生物能源体系中的欠发达地区的研究也显示出，非洲木薯种植的能源收益率约为22.93，新几内亚地区迁移农业的能源收益率约为15.40，而墨西哥地区的玉米种植能源收益率也达到了10.74。(19)C.Cleveland，Encyclopedia of Energy，New York：Elsevier，2004，p.753.

在生物能源体系中，能源收益递减效应对社会发展的阻碍主要体现在对土地资源的开发上。在该能源体系下，动力产出的增加需要更多的人口和役畜，而这则以更多的粮食与饲料生产为前提。粮食与饲料产量的增加又反过来需要更多的人口和役畜参与耕种。最终，新增动力的相当部分又被重新投入到了农业生产中。在理想状态下，生物能源体系可以在生活条件总体不变的情况下保持人口的增加。

不过，实际情况下土地的边际收益是逐渐递减的。一方面，考虑到最肥沃的耕地经常最先得到开垦，新增农田的产量往往会逐渐降低。另一方面，对相同土地不断追加劳动力与资本投入所带来的收益增量也迟早会出现下降。耕种技术的进步(如由刀耕火种向集约型农业的过渡)仅能在一定程度上缓解这一趋势。(20)Joseph A.Tainter，The Collapse of Complex Societies，Cambridge：Cambridge University Press，1988，pp.110～111.这意味着新增动力产能被耕地所吞噬的比重将越来越多，并最终导致人均收入长期处于低水平均衡状态，甚至导致社会解体。托马斯·荷马·迪克森的研究表明，罗马帝国的灭亡在很大程度上是一场“热力学危机”。随着地中海沿岸优质农田逐渐开垦殆尽，罗马人被迫加大对低回报贫瘠土地的开发力度，最终导致他们无法生产出足够的高质量能源来支持复杂社会的运行。(21)Thomas Homer-Dixon，The Upside of Down：Catastrophe，Creativity，and the Renewal of Civilization，Washington，DC：Island Press，2006，p.44，p.55.此外也有证据表明，玛雅文明的衰落也与其农业能源收益率的降低密切相关。(22)Joseph A.Tainter，The Collapse of Complex Societies，Cambridge：Cambridge University Press，1988，pp.169～178.

在生物能源体系中，能源收益递减效应对社会发展的阻碍有着诸多表现。第一，随着人口的上升与耕地质量的下降，人们被迫将更高比例的土地用于种植粮食以应对不断上升的人口，进而导致役畜数量的降低与人均动力消费的下降，并进一步削弱了社会的生产能力。以英国为例，该国在公元10世纪初，人均动力消费约为每年300千瓦·时，而到了1 300年，则大幅下降至每年130千瓦·时。(23)Roger Fouquet，Heat，Power and Light：Revolutions in Energy Services，Cheltenham：Edward Elgar Publishing，2008，p.113.

第二，农业生产逐渐集中于少量几种能量密度较高的食物。其中小米、小麦、大米、玉米占到了这一时期中国居民饮食摄入量的四分之三，而欧洲居民的饮食也多以黑面包、各类粗粮、甘蓝与土豆为主。(24)Vaclav Smil，Energy in World History，Boulder：Westview Press，1994，p.79.不过，这仍无法阻止民众生活质量的下降。例如，公元前3000至2400年生活在美索不达米亚地区的居民能量摄入量，相较于20世纪初生活在该地区的居民要高出约20%。罗马城居民的人均谷物摄入量则由16世纪末的每年290公斤下降至18世纪初的每年200公斤，同一时期的肉类摄入量由40公斤下降至30公斤。(25)Robert Forster and Orest Ranum，Food and Drink in History，Baltimore：Johns Hopkins University Press，1979，pp.37～49.

第三，社会经济增长乏力。由于农业产出的能源又有相当部分被重新投入到农业生产中，生物能源体系只能为社会发展提供十分有限的能源支持。根据罗杰·富凯的测算，由于大量能源被用于维持农业运转等仅产生较少附加值的活动，16世纪英国经济的能源强度可能高达每百万英镑1 400吨油当量，处于历史最高水平。(26)Roger Fouquet，Heat，Power and Light：Revolutions in Energy Services，Cheltenham：Edward Elgar Publishing，2008，p.280.从全球水平上看，世界人均生产总值在公元元年后的约1 700年中，仅由每人444美元上升至615美元，年均增长率只有不到万分之二。(27)Angus Maddisson，The World Economy：A Millennium Perspective，Paris：OCED，2001，p.264.

四、化石能源体系中的能源收益递减效应

18世纪以来，随着煤炭等化石燃料的大规模使用，人类社会逐渐开始了由生物能源体系向化石能源体系转型的进程。其中，1709年亚伯拉罕·达比发明的焦炭炼铁法扫清了煤炭在工业制热领域实现大规模应用的阻碍；而18世纪80年代詹姆斯·瓦特对蒸汽机进行的一系列改良，则成为煤炭向动力燃料转化的诱因。此外，内燃机的发明、现代石油与电力工业的建立，均为化石燃料的大规模使用创造了条件。在全球范围内，化石燃料在一次能源消费中的比重于20世纪初超过了柴薪燃料。(28)C.Cleveland，Encyclopedia of Energy，New York：Elsevier，2004，p.554.这一变化标志着人类正式进入了化石能源体系。

化石能源体系的能源生产方式与生物能源体系存在着本质区别。在化石能源体系中，煤炭、石油与天然气成为了能量的主要来源，而采掘业则代替农业成为能源的主要生产部门。这直接带来了以下两点巨大变化：

第一，农业的能源收益率大幅降低。由于失去了作为主要能源生产部门的地位，农业不必再制造大量能源盈余，人类可以通过加大能量投入的方式实现更高的农业产出。每公顷耕地的能源消费由1900年的不足2公斤油当量持续上升至1990年的约200公斤油当量。在大约同一时期，世界粮食的亩产量上升了三倍，总产量上升了约五倍。(29)Vaclav Smil，Energy in World History，Boulder：Westview Press，1994，pp.189～191.能源收益率则由10以上普遍降低至不足3。(30)C.Cleveland，Encyclopedia of Energy，New York：Elsevier，2004，p.753.若将收割、运输、储存、烹饪等领域的能源开销计算在内，人类在食物生产上的能源亏损可能高达近90%。(31)Earl Cook，Man，Energy，Society，San Francisco：W.H.Freeman and Company，1976，p.114.如此巨大的能源亏损，意味着农业已主要承担能源转化者角色，即将电能、太阳能以及化石燃料转化为可被人类食用的化学能。

第二，能源生产与人口或役畜数量间的关系被极大削弱。化石燃料属于经千万年地质变化后浓缩的太阳能，在能量密度上较植物有着压倒性优势。早在1900年，美国一名矿工的煤炭开采便可满足超过200人的能量需求。(32)Earl Cook，Man，Energy，Society，San Francisco：W.H.Freeman and Company，1976，p.112.这意味着能源产业只需要吸收一小部分劳动力就可以满足整个社会的能源需求，能源生产与人口或役畜总量间的联系被极大地弱化了。这使得能源可脱离人口总量的限制，以独立经济变量的身份实现增长。人类经济发展模式逐渐由劳动密集型过渡至能源密集型。在大量能源消费的支撑下，工业化国家每十年的经济增长率往往能达到20%至60%。(33)Angus Maddisson，The World Economy：A Millennium Perspective，Paris：OCED，2001，p.264.

不过，化石能源体系中的社会发展同样无法摆脱能源收益递减效应的制约。与土地的开垦类似，容易开采的燃料矿藏通常会得到首先开发。随着优质矿藏的逐渐枯竭，新矿藏的开采也开始需要更多的资本投入。有研究表明，在2002至2004年中，全球发现的新油田价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·里夫金认为，人均石油占有量早在1979年便达到了峰值。(35)[美]杰里米·里夫金：《第三次工业革命》，张体伟，孙豫宁译，北京：中信出版社，2012年，第10页。为了保障石油供给，工业界被迫将开发的重点转移至非传统油气资源。由于在开发过程中需要使用水力压裂(Hydraulic Fracturing)、水平钻井(Horizontal Drilling)、蒸汽吞吐(Cyclic Steam Injection)等特殊技术，非常规油气资源在生产成本上要不可避免地高于常规油气资源。根据罗伯托·阿奎莱拉的研究，虽然非常规油气在资源储量上要明显高于常规油气，但其开采成本也要昂贵得多。(36)Roberto F.Aguilera，“Production Costs of Global Conventional and Unconventional Petroleum”，Energy Policy，vol.64，2014，pp.134～140.

随着开采成本的不断增加，优质矿藏的逐渐耗竭意味着人们也不得不将更多的能源产出投入到对能源资源的开发中。其显著表现便是化石燃料产业的能源收益率已经出现了持续下降。据查尔斯·霍尔等人的统计，在1992至2006年中，全球油气产开采的能源收益率已经下降了约50%，而美国煤炭开采的能源收益率也由20世纪50年代的80降低至70年代的30，目前仅剩约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，冯连勇，胡 燕等：《能源投入回报(EROI)研究进展探析》，《中国矿业》2016年第2期。化石产业能源收益率的降低将显著降低经济的发展速度。据估算，若美国的平均能源收益率由20(2005年平均值)降低至5，则该国的可支配收入占GDP的比重将由约50%下降至约10%。(38)David Pimentel，Biofuels，Solar and Wind as Renewable Energy Systems，Dordrecht：Springer，2008，p.127.这意味着，即使在不考虑储量极限与环境污染问题的情况下，随着能源产出中被用于能源开发的比例逐渐增加，社会的发展速度也将逐渐放缓乃至停滞。

五、可再生能源体系中的能源收益递减效应

与生物能源体系中对柴薪等可再生能源的直接利用不同，现代意义上的可再生能源产业多是将相关能源转化为电能、液体与气体燃料后再加以利用，以增加可再生能源使用的灵活性，并契合工业革命后建立起的现代能源体系。1881年，世界第一座水电站在英国的戈德尔明建成，开创了现代意义上的可再生能源产业。随后，风力发电、太阳能发电等技术也先后问世。不过受制于技术瓶颈，水力发电在很长时间内成为了唯一得到较大发展的可再生能源产业。

随着2010年以来太阳能与风力发电技术的逐渐成熟，可再生能源的大规模推广最终成为可能。在2010至2016年中，1兆瓦以上光伏发电系统的全球加权平均安装成本(the global weighted average total installed cost)下降了约65%，而平准化电力成本(levelised cost of electricity)(39)“平准化能源成本”指的是电站生命周期内的成本现值除以电站生命周期内发电量。则下降了67%，降至平均每千瓦·时0.12美元。在同一时间内，陆上风力发电的加权平准化发电成本降低了18%，达到了每千瓦·时0.07美元。(40)REN21，Renewables Global Status Report 2017，Paris：REN21 Secretariat，2017，p.91.学界与工业界也普遍对可再生能源技术的未来发展持较为乐观的态度。根据英国BP公司的预测，可再生能源的发电成本在2015至2035年中将进一步降低，并最终取得相较于传统能源明显的成本优势。(41)BP，BP Energy Outlook 2017，London：BP，2017，pp.41～43.

正是在这种预期之下，可再生能源已成为国际社会的重点发展对象。从2015年开始，可再生能源在全球新增发电能力中已经超过了化石能源。(42)UNEP，Global Trends in Renewable Energy Investment 2017，Frankfurt School-UNEP Collaborating Centre for Climate，2017，pp.31～34.包括贝拉·利普塔克、杰里米·里夫金等在内的大量学者对可再生能源的未来发展报以了极高期望，并认为其具有替代化石能源产业的潜力，成为推动新一轮工业革命的重要动力。(43)李尧远：《正在进行的“工业革命”：次第与主题之辨》，《读书》2018年第3期。有学者甚至认为人类将在2050年之前实现能源消费的完全可再生化。(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.以此为背景，虽然目前可再生能源体系尚未建立，但仍有必要分析这一能源变革对社会发展带来的可能影响。

可再生能源体系的建立意味着风能、太阳能发电将成为社会主要的能源消费形式。决定能源供给总量的关键因素将由化石燃料的开采总量变为太阳能电池板与风力发电机的生产与运行总量。这一变化意味着能源生产的主要部门将由采掘业转变为制造业，而能源采掘业的主要任务则将转变为向石油化工与煤炭化工等部门提供必要的原材料。

虽然目前可再生能源技术的能源收益率仍然偏低，(45)据测算，目前光伏发电、风力发电与聚光太阳能发电的能源收益率分别为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.但制造业与采掘业在生产模式上的巨大差异，意味着能源体系的基本运行逻辑将再次出现根本性变革。与采掘业中开采成本不可避免地持续上升不同，可再生能源产业作为一种制造业，风力发电机与太阳能电池板等设备的成本，将随着技术进步与规模效应而不断下降。贾根良认为，这将成为人类能源史上前所未有的重大进步，标志着能源的生产将首次可以遵循收益递增规律。(46)贾根良：《可再生能源革命的性质与意义》，《光明日报》2014年5月21日。以此为基础，里夫金甚至提出了“零边际成本社会”的概念。(47)参见[美]杰里米·里夫金：《零边际成本社会》，北京：中信出版社，2014年。从这一角度看，发展可再生能源产业并不是为了避免环境污染而进行的次优选项，而是社会发展规律下的必然选择。

目前，学界与工业界认为，可再生能源产业有两种可能的发展模式。其一认为，应该在沙漠与海洋等地建立大型光伏或风力发电厂，对可再生能源进行集中开发。(48)[德]赫尔曼·希尔：《能源变革：最终的挑战》，王乾坤译，北京：人民邮电出版社，2013年，第114～130页。其二则认为，全球任何地区都具备一定的可再生能源开发潜力。人类完全可以在能源消耗点就地开发可再生能源以满足需求，将每个建筑都变成分布式发电站。(49)[美]杰里米·里夫金：《第三次工业革命》，张体伟，孙豫宁译，北京：中信出版社，2012年，第32页。

然而不论采用何种发展模式，可再生能源均需要面临功率密度较为低下的固有缺陷。其中，太阳辐射能的平均功率密度为每平方米170瓦，风能为每平方米1至10瓦。此外，水电站的功率密度约为每平方米1至10瓦，植物光合作用的功率密度为每平方米0.5至1瓦，大部分地区地热能的功率密度为每平方米0.1瓦。(50)[加]瓦科拉夫·斯米尔：《能源转型：数据、历史与未来》，高 峰，江艾欣，李宏达译，北京：科学出版社，2018年，第9～12页。相比之下，以能源开发活动所需的占地面积作为衡量标准，煤田的功率密度约为每平方米1千至1万瓦；中东地区油田的功率密度超过每平方米1万瓦，北美地区则约为每平方米1至2千瓦；天然气田的功率密度与油田相似。减去运输、加工、传输等工序的能源损耗后，化石能源的典型功率密度约为每平方米250至500瓦。(51)[加]瓦科拉夫·斯米尔：《能源转型：数据、历史与未来》，高 峰，江艾欣，李宏达译，北京：科学出版社，2018年，第9～12页.可见，与化石能源相比，各类可再生能源均在功率密度上处于绝对劣势，且除太阳能外均达到了数量级级别。

较低的功率密度意味着可再生能源产业的发展需要占用大量土地资源。据估算，目前人类社会用于生产、加工与运输化石燃料或进行火力发电的土地面积约为3万平方千米，相当于比利时的全部国土面积。相比之下，若以能源密度每平方米1瓦计算，完全采用可再生能源替代现有的能源体系，则需要1 250万平方千米的土地，相当于美国与印度国土面积的总和。(52)Vaclav Smil，Energy Transitions：History，Requirements，Prospects，Santa Barbara：Praeger，2010，p.117.

对土地资源的严重依赖，使可再生能源体系与生物能源体系具有了一定的相似性，土地边际收益递减将成为可再生能源产业发展的重大阻碍。对于集中式开发模式来说，太阳能或风能富集区将会得到优先开发；而对于分布式开发模式来说，可再生能源产业则将先在城市等人口密集地区大规模发展。随着这些优质地区土地资源的逐渐耗尽，可再生能源产业不得不将开发重点转移至风能、太阳能贫乏或人口较少的地区，边际收益最终也将不可避免地降低，直至无利可图。此外值得注意的是，可再生能源产业的发展势必会对农业等同样严重依赖土地资源的活动造成严重不利影响。由此可见，可再生能源体系同样不能在绝对意义上实现人类的可持续发展。

目前水力发电业已经出现了类似趋势。随着具备最佳工程条件的地点已先后得到开发，水电产业的发展重点不得不转移至建设条件更差的地区，建设与征地成本不断上升，并导致边际收益的持续降低。国际可再生能源机构(IRENA)对未来水电成本的进一步降低持谨慎态度；(53)IRENA，Renewable Energy Technologies：Cost Analysis Series，Abu Dhabi：International Renewable Energy Agency，2012，p.26.而中国部分水电站的正常运营已经需要特殊电价政策支持。(54)张伟波、谭 轩、袁玉琪、杨 映、成 果：《我国水电发展存在的主要问题及对策建议》，《中国能源》2013年第2期。

结 语

本文的分析表明：在不同能源体系中，边际收益递减效应一直限制着能源生产活动，进而成为制约社会发展的重要因素。只有在能源产业的体系性变革下，这种边际收益的递减趋势才能得到暂时改变，社会也才有机会实现跃升式发展。

需要说明的是，本文并不试图建立一种僵化的“能源决定论”。能源收益递减效应虽然是社会发展的重要制约条件，但绝不是决定社会实际发展的唯一因素，更不应该被用于预测社会的未来发展。以能源为单一尺度的历史观忽视了众多道德、智慧等非物质的因素；而在很多情况下，决定社会发展的恰恰是人类的主观选择，而不是能源体系运行所基于的物理规律。如果将人类社会比喻成一个多边形，那么能源收益的递减效应决定的是它的周长，但无法决定其形状、面积与颜色。

不过，通过对能源收益递减效应与社会发展间关系的讨论，本文依旧可从以下几个方面增益学界的相关研究。第一，丹尼斯·梅多斯等学者对于能源与人类社会发展之间的讨论都基于“静态资源观”，即认为能源资源总量的不变性是阻碍社会发展的根本因素。但本文则回避了对能源资源总量的讨论，认为随着能源资源质量的逐渐下降，能源收益率将持续降低，而以化石能源为核心的第一、二次工业革命，以及以可再生能源为核心的第三次工业革命，均可以看成是人类通过改变能源体系来打破这一趋势的努力。这可被看成是在“动态资源观”下对社会发展制约因素的有益探讨。

第二，学界目前主要从环境承载力角度对可持续发展问题进行讨论。本文指出，通过将主要能源生产部门由农业依次过渡至采掘业与制造业，人类得以多次扭转能源收益率的持续下降趋势。尤为值得注意的是，在可再生能源体系中，通过将能源的主要生产部门转变为制造业，技术进步与规模效应已经使人类能够在能源生产中实现一定意义上的收益递增。这一过程可看成是从能源生产角度对可持续发展问题的全新诠释。

第三，在能源收益递减效应的影响下，伴随着能源收益率的降低，石油、天然气、煤炭等化石能源的价格很可能会保持高位运行或持续上涨。寻找替代能源已成为国际社会的当务之急，而可再生能源被普遍认为是理想的“接班者”。然而值得注意的是，虽然化石能源的收益率已有了明显下降，但其仍是现有能源形式中最高的。在目前技术条件下贸然推广可再生能源可能无助于能源问题的解决。尤为值得注意的是，部分可再生能源的能源收益率极低，如生物乙醇只有约1.1。(55)David Pimentel，Biofuels，Solar and Wind as Renewable Energy Systems，Dordrecht：Springer，2008，p.205.这类可再生能源的大规模使用反而有可能加剧人类面临的能源危机。