未來城市的能源從哪里來，要怎么用｜未來城市大哉問

騰訊研究院&澎湃研究所&清華大學建筑學院龍瀛課題組

2022-12-16 16:31

來源：澎湃新聞

如果能源可以不受限——比如，人類從自然界獲取能源的效率大幅提高，遠遠超過自身生存發展所需，那么，城市的運行方式一定會更奇妙。試想一下，跟隨信息流的召喚，能源流可以任意倒騰折換，從發電裝置到儲能設備再到耗能電器，哪怕每個環節耗損九成以上，都可忽略不計。可用的能源總量無比巨大，人類社會將真正進入新的時代。

人類的能源需求永遠在增長。創新和想象力都需要消耗更多能量。眾所周知，化石能源形態穩定，燃燒利用最方便。但人們也認識到，這些有機物自遠古沉積而來，如果在短短百余年內不加節制地燃燒殆盡，就會有大量二氧化碳排放到空中，加劇大氣層中的溫室效應，地表的溫度隨之變化，進而改變大氣和水體的流向。倘若如此，人類最終或許也將無法呼吸，和地球上的其他生物一同歸于沉寂，成為下個世代的化石。

要讓多余的碳回歸土地，而不是留在空中。這可視為“雙碳”目標的題中之義，也是未來城市處理能源問題的大前提。如何不依賴化石能源，采用基于自然的風能、光能、生物質能等，這確是一項挑戰。大自然風起云涌，有無窮的能量不斷流轉。關鍵在于，自然界中能量密度低、存在形式不穩定的能源，如何能為城市所采集、傳輸、存儲和利用。

在更遠的未來，人類取用能源的瓶頸也許會徹底解決。比如，核聚變技術如果成熟，人類就相當于有了可控的太陽。近期世界首次激光核聚變點火成功，但離投入應用還需幾十年。當下我們還不能以此為前提，對未來城市的遠景做過分浪漫的暢想，而是需要考慮，在現有技術條件下，如何更好地開源和節流。

設計未來城市，并使其能夠生長，就要思考和理解城市。針對有關城市的大問題，我們訪談了許多處在前沿的思考者和實踐者，包括建筑與城市規劃研究者、人文地理學者、技術史學者、互聯網法學者、經濟學者、公共管理學者、未來學家、政府決策咨詢專家，以及從事城市服務的企業管理者，試圖得到一些答案和線索，能夠更好地前行。

智慧用能

從能源的視角看，針對一座城市的方方面面，都做出精準預測，不僅沒有必要，更重要的是做不到。智慧的技術必然消耗更多能量，在可預見的未來，能源系統無法支持這樣的運算。也就是說，在微觀層面，要想預測復雜系統的走向，消耗的能量將過于龐大。

具體而言，研究者指出，信息負荷自身能耗展現出動態復雜系統的“蝴蝶效應”，比如，通常移動終端每產生1個單位的信息，端到端能耗則至少增加10倍。在數據驅動方法中采用最恰當數據集（just enough），達到系統狀態感知和優化控制，是未來信息能源領域中重要的研究課題。

不過，我們仍可立足當下，設想一座城市未來的生產生活將是怎樣的，所匹配的又應當是怎樣的能源系統。

一座小城市未必一二三產業齊全，但必然存在相對高密度的集聚。以現有的能源結構而言，北京大學城市與環境學院教授呂斌認為，高密度的城市，無法單靠自身實現碳中和。盡管源頭上使用清潔能源，能解決很大一部分問題，但最后還有20%左右的碳，需要通過節能減少。這就要構建城鄉協同的社會生態共生系統，也就是說，城市并非獨立存在，需要以都市圈或都市區為單元，進行城鄉協同，通過鄉村的農作物，來提供碳匯。

農作物的生態化種植，秸稈還田，讓更多碳排放回到土壤，即可視為碳匯。在城市里，也可以促成這類閉環。盡管物質循環和能源流動，往往被分列不同學科體系之中加以審視，但在城市生產生活的終端，它們往往對應同一件事。比如，食物是人攝取能量的載體，而垃圾是新陳代謝的產物——何為物質，何為能量，無從區分；對應到城市之中，食物和垃圾，分別是家家戶戶的冰箱和垃圾桶，工業園區的食堂或資源回收處。也就是說，針對這些系統，可以采取一些辦法，讓物質當中的能量，向可持續造福人類的方向流動。

谷歌的Sidewalk實驗室，在此前對多倫多Quayside的計劃中，就有這類考慮。在當時的計劃中，每棟樓的每一層，都有智能垃圾回收桶，鼓勵居民環保地處理垃圾。如果所在樓層每個人都做得很好，一些節省下來的錢就發還給居民。如果整棟樓都做得很好，當月租金就會得到減免。這樣的方案對民眾有明顯的吸引力。因為，當地每個人都知道，有意義地解決氣候變化，是一件大事，即便生活成本高一些，只要能夠實現社會目標，沒有人會對這樣的做法提出反對。碳排放的問題是被置于中心的。

另一方面，智能化也可對節能做出貢獻。如前所述，相比傳統的生產生活方式，智能化意味著，需要調動更多能源去計算。雖然計算工作本身耗能，但對整體流程而言，可以提高效率，節約時間和成本。這對應著減少了單位能耗。而如果面向節能的目標進行計算，也就是在運作過程中，進行能源的計量，就可能在整體上更為節能。

日本工程院院士沈振江對我們說到，日本的智慧城市建設，就是在綠色的基礎上強調低碳，然后追求智慧的目標。比如，日本城市規劃就是通過大數據，測度人的行為，根據1分鐘中內人的行為，評估不同智慧技術條件下建筑節能的效果。更多考慮結合傳感器，讓能量浪費盡可能減少。一個簡單的例子是，研究發現，空調每運行一小時，再關閉半小時，對人的身體感受影響較小。因此，可以通過智能控制空間來減少用電。

創新節流

低碳的線索貫穿在城市之中。讓城市的運轉與能源的流動更好地呼應。不但需要開發新的技術，還要讓這些技術流轉起來，在不同的條塊網絡中，相互激發出新的可能性。

比如，城市需要能夠促成各種人群的交流，以及各種要素的流動。無論如何，交通工具必不可少。基于電池技術的發展，我們可以把電動車當作移動的儲能設施，而不只是消耗電力的出行工具。有需要的時候，這些電動車能反向向電網輸電，輔助調節電網負荷。這也能減少能源在轉化中的效率損失。這種分布式的儲能模式，可視為在能源系統、交通系統和城市空間之間搭建連接，會更好地適應未來城市的需求。

讓能源在用戶側響應，針對實時需求削峰填谷，也是虛擬電廠的意圖所在。在未來的城市中，居民也許可以選擇不同供電商，電價根據一系列指標波動，以智能的手段去進行識別和選擇，誰發電就要誰的電，有需求就給出價格信號，保證高峰期消納掉電網中的負荷。

規模大小直接決定了運算量是否可行。現在的技術水平，更適合可自封閉型技術系統的模擬、運轉和調控。針對當下能源流與智能技術的應用，清華大學建筑學院教授尹稚對我們舉出智慧社區中全感知和自動調控的封閉技術系統的例子。他介紹說，浙江智能電網在社區尺度上做了一個實驗平臺。其中包含傳統能源、新能源等多種能量來源，根據與碳相關的指標，可實現每十五分鐘更新一次，高碳的部分調控為高電價，針對實時需求，進行反饋與智能調控。這樣一來，會改變人們的用電習慣。而這一類的全智能化管控，在很多示范性小區都有所實現。

數據中心也是消耗能源的重要部門，當下很多時候不得不使用化石能源來滿足消耗。這方面的節流手段，需要更多地考慮基于自然的方法。這與建筑物里的機房類似。機房需要散熱降溫，建在冷的地方，增加對流，可以省掉一些冷卻用電。當下的一種創新策略，是采用液冷手段降溫，讓服務器浸入水底。微軟把數據中心放到海底，Facebook將數據中心設在靠近北極圈的位置，都是出于這方面的考慮。雖然技術成本相對高，但耗能極低，因為輔助設備用能極少。近年來，中國一些地方和部門也有類似的舉措。

人的意識

我們之所以需要關心能源問題，很大一部分是來自對碳排放的擔憂。如果不使用化石能源，就可以不必計算排放。碳捕捉技術（CCUS）未來可期，但目前尚不能過分樂觀。因為雖已有示范項目，但缺乏足夠的經濟性，只適用于特殊條件。

也許，要根本上解決這些問題，還是要回歸到人的意識上。信息流與能源流，最終還是作用于人。碳賬戶更大的作用，并非只是少排放這一點點碳，而是讓人更多地去看到和意識到自己的行為對城市、對地球的影響。

科幻作家陳楸帆最近寫的一本書《零碳中國》，正是寫給小朋友的。書中的主人公從當下污染相對嚴重、面對極大挑戰的年代，去到2060年，進而看到，未來人們用怎樣的技術和機制，去實現碳中和。

陳楸帆把對未來社會的設想，寫入中國承諾當年碳達峰的時點。陳楸帆說到，在那個時候，應該已經有了一種機制，讓人們在做每個消費決策時，能直觀看到所產生的碳排放，進而可以自主選擇更為低碳的方式，比如一個不同的包裝材料，又比如騎車、走路或坐公共交通，而不是開私家車，等等。就是這樣一些賦能的方式，令城市中的人最終可以理解，要做什么樣的努力，維持這樣可持續發展的社會。

陳楸帆說到，能源是最后的問題，也是解決包括地緣政治等很多問題的核心。但長期而言，還是需要更多科技上的突破，包括材料科學——如果能夠維持低廉的成本，又能以某種方式降低對環境的影響，那就會是革命性的發明。

這也恰如深圳大學建筑與城市規劃學院研究員張宇星所說，宏觀架構不確定性更大，微觀規則策略有更大的靈活性，反而有可能改變未來。因此，改變未來的可能是一些顆粒狀的小事情，而非宏大的理想。

或許，我們不妨就從這里開始，讓市民在日常的生活中，能夠廣泛應用普遍的碳積分計算，并與城市系統的其他部分相互作用，進而讓人更直接地感受到自身與自然、與環境的聯系。未來城市處理能源問題，這應該是第一步，也是最根本的一步。也許，游戲也是一個重要的入口。

（澎湃新聞記者王昀執筆）

WeCityX團隊總結：風光發電和儲能技術，成本上已與傳統化石能源發電方式相當，而中國的大規模生產和應用對此貢獻巨大。在全球能源短缺和雙碳戰略背景下，能源革命進程將繼續加速。能源，尤其是分布式可再生能源的應用，可能是未來改變城市形態最重要的因素，數字技術的連接和調控能力，將在這個過程中扮演不可替代的作用。一張新的能源互聯網正在展開，同時會改變建筑、交通等系統的形態。在技術進步的同時，每個人的意識和參與更為重要。從主動節能到低碳生活，進而成為能源的生產者和調控者，您準備好了么？