许多人认为安装更多的风力涡轮机和太阳能电池板以及制造更多的电动汽车可以解决我们的能源问题，但我不同意他们的观点。这些设备，加上电池、充电站、传输线和许多其他使其工作所需的结构 代表高度复杂性.
相对较低的复杂性，例如新水电站大坝所体现的复杂性，有时可以用来解决能源问题，但是 我们不能指望总是可以实现更高水平的复杂性.
根据人类学家约瑟夫·坦特（Joseph Tainter）在其著名著作中的说法， 复杂社会的崩溃，有 复杂性增加带来的收益递减。换句话说，最有益的创新往往最先被发现。后来的创新往往没有那么有帮助。最终，相对于所提供的好处而言，增加的复杂性所带来的能源成本变得过高。
在这篇文章中，我将进一步讨论复杂性。我还将提供证据表明世界经济可能已经达到了复杂性的极限。此外，流行的衡量标准是“能源投资的能源回报（EROEI）涉及能源的直接使用，而不是体现在增加的复杂性中的能源。因此，EROEI 的迹象往往表明风力涡轮机、太阳能电池板和电动汽车等创新比实际情况更有帮助。其他类似于 EROEI 的措施也犯了类似的错误。
[1] 在此 内特·哈根斯的视频在约瑟夫·泰特 (Joseph Tainter) 中，他解释了能量和复杂性如何同时增长，泰特将其称为“能量-复杂性螺旋”。
图 1. 能量复杂性螺旋 2010演示文稿 被称为 能源复杂性螺旋 作者：约瑟夫·坦特。
根据坦特的说法，能量和复杂性是相辅相成的。首先，不断增长的复杂性可以通过鼓励现有能源产品的使用来帮助经济增长。不幸的是，这种日益增长的复杂性会带来收益递减，因为最简单、最有益的解决方案首先被发现。当相对于所需的额外能源而言，增加复杂性带来的好处变得太小时，整体经济往往会崩溃——他说这相当于“迅速失去复杂性”。
不断增长的复杂性可以通过多种方式降低商品和服务的成本：
规模经济是由于企业规模扩大而产生的。
全球化允许使用替代原材料、更便宜的劳动力和能源产品。
高等教育和更加专业化可以带来更多创新。
改进的技术可以降低商品的制造成本。
改进的技术可以节省车辆的燃料，从而实现持续的燃料节省。
奇怪的是，在实践中，不断增加的复杂性往往会导致更多而不是更少的燃料使用。这被称为 杰文斯悖论。如果产品价格较低，更多的人有能力购买和使用它们，因此能源消耗总量往往会更大。
[2] 在上面链接的视频中，Tainter 教授描述复杂性的一种方式是： 为系统添加结构和组织的东西.
我认为风力涡轮机和太阳能电池板产生的电力比水力发电厂或化石燃料发电厂产生的电力复杂得多，原因是 这些设备的输出远远不能满足我们目前运行的电力系统的需求。 风能和太阳能发电需要复杂性来解决其间歇性问题。
通过水力发电，水很容易被水坝后面捕获。通常，可以储存一些水以供以后需求高时使用。大坝后面捕获的水可以通过涡轮机，以便电力输出与当地使用的交流电模式相匹配。水力发电大坝产生的电力可以快速添加到其他可用发电中，以符合用户偏好的用电模式。
另一方面，风力涡轮机和太阳能电池板的输出需要更多的帮助（“复杂性”）来匹配消费者的电力消费模式。风力涡轮机产生的电力往往非常混乱。它按照自己的时间表来来去去。太阳能电池板产生的电力是有组织的，但该组织并没有很好地符合消费者喜欢的模式。
一个主要问题是冬季需要电力供暖，但夏季太阳能电力的供应却过多；风的可用性不规则。可以添加电池，但这些主要可以缓解错误的“时间”问题。错误的“一年中的时间”问题需要通过轻度使用的并行系统来缓解。最流行的备用系统似乎是天然气，但也可以使用石油或煤炭的备用系统。
这种双系统的成本比任何一个系统全职单独运行的成本都要高。例如，即使天然气发电仅在一年中的部分时间使用，也需要建立带有管道和存储的天然气系统。该组合系统需要各个领域的专家，包括电力传输、天然气发电、风力涡轮机和太阳能电池板的维修以及电池制造和维护。所有这一切都需要教育体系和国际贸易，有时还需要与不友好的国家进行贸易。
我还认为电动汽车很复杂。一个主要问题是，经济将需要双系统（内燃机和电动汽车）很多很多年。电动汽车需要使用来自世界各地的元素制成的电池。他们还需要一整套充电站系统来满足频繁充电的需求。
[3] 坦特教授 提出要点 这种复杂性会带来能源成本，但这种成本实际上是无法衡量的。
能源需求隐藏在许多领域。例如，要拥有一个复杂的系统，我们需要一个金融系统。该系统的成本无法重新添加进来。我们需要现代化的道路和法律体系。政府提供这些服务的成本不容易确定。一个日益复杂的系统需要教育来支持，但这种成本也很难衡量。此外，正如我们在其他地方指出的那样，拥有双系统会增加其他难以衡量或预测的成本。
[3] 能源复杂性的螺旋式上升不可能在一个经济体中永远持续下去。
能源复杂性螺旋至少可以通过三种方式达到极限：
[a] 各种矿物的提取首先放置在最佳位置。油井首先布置在易于开采石油且靠近人口聚集区的地区。煤矿首先建在煤炭易于开采且用户运输成本较低的地方。锂、镍、铜和其他矿物的矿山首先建在产量最好的地点。
最终，由于收益递减，能源生产成本不但没有下降，反而上升。石油、煤炭和能源产品变得更加昂贵。风力涡轮机、太阳能电池板和电动汽车电池也往往变得更加昂贵，因为制造它们的矿物成本上升。包括“可再生能源”在内的各种能源产品往往变得越来越难以负担。事实上，有 许多报告 即生产成本 风力涡轮机 和 太阳能板 2022 年的增长率将上升，导致这些设备的制造无利可图。成品设备价格上涨或设备生产者利润下降可能会阻止使用量的增长。
[b] 人口呈持续增长趋势 如果粮食和其他供应充足，但耕地供应保持接近恒定。这种结合给社会带来了压力，要求社会不断进行创新，从而提高每英亩的粮食供应量。这些创新最终会带来收益递减，使粮食生产更难以跟上人口增长的步伐。有时，天气模式的不利波动清楚地表明，粮食供应多年来一直过于接近最低水平。食品价格飙升以及只能负担饮食不足的工人健康状况不佳，推动了经济螺旋式增长。
[c] 复杂性的增长达到极限。 最早的创新往往是最富有成效的。例如，电只能发明一次，灯泡也一样。全球化在达到最高水平之前只能走这么远。我认为债务是复杂性的一部分。在某些时候，债务无法用利息偿还。当工人除了支付生活费用之外无法找到工资足够高的工作来偿还教育贷款时，高等教育（专业化所需）就达到了极限。
[4] 坦特教授提出的一点是，如果可用能源供应减少，系统将需要 简化.
通常，一个经济体会增长一百多年，达到能源复杂性极限，然后在几年内崩溃。这种崩溃可以通过不同的方式发生。一层政府可能会崩溃。我认为 1991 年苏联中央政府的崩溃是一种更简单程度的崩溃。或者一个国家征服另一个国家（存在能源复杂性问题），接管另一个国家的政府和资源。或者发生财务崩溃。
坦特说，简化通常不会自愿发生。他举的一个自愿简化的例子涉及七世纪的拜占庭帝国。由于可供军队使用的资金减少，它放弃了一些偏远的哨所，并使用成本较低的方法来运营剩余的哨所。
[5] 在我看来，这很容易 爱罗 计算（和类似的计算）夸大了复杂类型能源供应的好处。
坦特教授在上面链接的演讲中提出的一个要点是 复杂性会产生能源成本，但这种复杂性的能源成本几乎无法衡量。他还指出，不断增长的复杂性是诱人的。随着时间的推移，复杂性的总体成本往往会增加。模型往往会忽略支持高度复杂的新能源供应所需的整个系统的必要部分。
由于复杂性所需的能量难以测量，因此针对复杂系统的 EROEI 计算往往会使复杂的发电形式（例如风能和太阳能）看起来比实际使用的能量更少（具有更高的 EROEI） 。问题在于 EROEI 计算仅考虑直接“能源投资”成本。例如，计算的目的不是收集有关双系统较高能源成本的信息，因为系统的某些部分在一年中的部分时间未得到充分利用。年度成本不一定会按比例减少。
在链接视频中，Tainter 教授谈到了多年来石油的 EROEI。我对这种类型的比较没有问题，特别是如果它在最近更多地使用水力压裂之前停止，因为复杂程度相似。事实上，Tainter 似乎做出了这样一种忽略水力压裂的比较。具有不同复杂程度的不同能源类型之间的比较很容易被扭曲。
[6] 当前的世界经济似乎已经朝着简单化的方向发展，这表明由于缺乏廉价能源产品，复杂性的趋势已经超过了最高水平。
我想知道我们是否已经开始看到贸易，特别是国际贸易的简化，因为运输（通常使用石油产品）的价格变得很高。这可能被认为是一种简化，以应对缺乏足够的 便宜 能源供应.
图 2. 贸易占世界 GDP 的百分比，基于世界银行的数据。
根据图 2，贸易占 GDP 的百分比在 2008 年达到顶峰。此后贸易总体呈下降趋势，这表明世界经济至少在某些方面趋于萎缩，因为已经达到了高价限制。
降低复杂性趋势的另一个例子是自 2010 年以来美国本科学院和大学入学人数的下降。 其他数据显示 1950 年至 2010 年间，本科入学人数几乎增加了两倍，因此 2010 年之后转向下降趋势是一个重大转折点。
图 3. 美国全日制和非全日制本科院校学生总数，根据 国家教育统计中心.
招生转移之所以成为问题，是因为高校有大量的固定费用。其中包括必须维护的建筑物和场地。通常债务也需要偿还。在大多数情况下，教育系统也有义务保留终身教职人员。他们可能有资金不足的养老金义务，这又增加了成本压力。
据我采访过的大学教员表示，近年来，提高被录取学生的保留率面临着压力。换句话说，他们觉得自己被鼓励阻止在校学生退学，即使这意味着稍微降低他们的标准。与此同时，教师工资却跟不上通货膨胀的步伐。
其他信息表明，学院和大学最近非常重视实现更加多元化的学生群体。为了防止入学率进一步下降，过去因高中成绩低而未被录取的学生越来越多地被录取。
从学生的角度来看，问题在于工资足够高、足以证明大学教育的高成本合理的工作越来越难找到。这似乎是美国学生债务危机和本科生入学率下降的原因。
当然，如果大学至少在一定程度上降低了录取标准，或许也降低了毕业标准，那么就需要将这些本科成绩记录较低的日益多样化的毕业生“出售”给可能雇用他们的政府和企业。在我看来，这是复杂性丧失的进一步迹象。
[7] 2022年，大多数经合组织国家的总能源成本相对于GDP开始飙升至较高水平。当我们分析情况时，电价正在飙升，煤炭和天然气（这两种最常用于发电的燃料）的价格也在飙升。
图 4. 文章中的图表， 能源支出激增，给政策制定者带来挑战，由两位经合组织经济学家提出。
经合组织 是一个由大多数富裕国家组成的政府间组织，其成立的目的是刺激经济进步和促进世界增长。其中包括美国、大多数欧洲国家、日本、澳大利亚和加拿大等国家。图 4 的标题是“高能源支出时期通常与经济衰退相关”，是由 OECD 的两位经济学家绘制的。灰色条表示经济衰退。
图 4 显示，到 2021 年，几乎所有与能源消耗相关的成本部分的价格都趋于飙升。与前几年相比，电力、煤炭和天然气的价格都非常高。能源成本中唯一与前几年相比并没有太大出格的部分是石油。煤炭和天然气都用于发电，因此电费高昂也就不足为奇了。
在图 4 中，经济合作与发展组织 (OECD) 经济学家的标题指出了世界各地经济学家都应该明白的一点：高能源价格往往会将经济推入衰退。公民被迫削减非必需品，减少需求并使经济陷入衰退。
[8] 世界似乎面临着煤炭开采的限制。再加上长距离煤炭运输的高昂成本，导致煤炭价格非常高。
自 2011 年以来，世界煤炭产量几乎持平。煤炭发电量的增长几乎与世界煤炭产量一样持平。间接地，煤炭产量增长乏力迫使世界各地的公用事业公司转向其他类型的发电。
图 5. 世界煤炭开采量和世界煤炭发电量（基于 BP 的数据） 2022年世界能源统计回顾.
[9] 考虑到多种类型的需求不断增长，天然气现在也供不应求。
尽管天然气产量一直在增长，但近年来增长速度并不快 更多 以满足世界对天然气进口不断增长的需求。 2021年世界天然气产量仅比1.7年增加2019%。
天然气进口需求的增长同时来自多个方向：
由于煤炭供应停滞且进口不足，各国正在寻求用天然气发电替代煤炭发电。部分原因是中国成为世界上最大的天然气进口国。
使用风能或太阳能发电的国家发现，当风能和太阳能无法使用时，天然气发电可以迅速增加并补充电力。
包括印度尼西亚、印度和巴基斯坦在内的一些国家的天然气产量正在下降。
欧洲选择停止从俄罗斯管道进口天然气，现在需要更多液化天然气。
[10] 天然气的价格变化很大，具体取决于天然气是否本地生产、运输方式以及合同类型。一般来说，当地生产的天然气是最便宜的。煤炭也有一些类似的问题，当地生产的煤炭是最便宜的。
这是来自最近的日本出版物 (IEEJ) 的图表。
图6.日本出版物中世界三个地区天然气价格的比较 电气工程师学会，日期为 23 年 2023 月 XNUMX 日。
底部的亨利中心低价是美国价格，仅在当地有售。如果美国境内的供应量较高，则其价格往往较低。下一个更高的价格是日本根据长期合同安排的数年进口液化天然气（LNG）价格。最高价格是欧洲根据“现货市场”价格支付的液化天然气价格。现货市场液化天然气是那些没有提前计划的人可以使用的唯一液化天然气类型。
近年来，欧洲一直在抓住机会压低现货市场价格，但当现货市场价格不足时，这种做法可能会适得其反。请注意，欧洲进口液化天然气的高价在 2013 年 XNUMX 月乌克兰入侵开始之前就已经很明显了。
一个主要问题是天然气运输极其昂贵，往往会使用户的价格至少增加一倍或三倍。生产商需要长期保证液化天然气的高价格，以使生产和运输天然气所需的所有基础设施都能够盈利。液化天然气价格的剧烈波动一直是天然气生产商面临的一个问题。
欧洲近期液化天然气价格非常高，这使得天然气价格对于需要天然气用于除发电以外的工艺（例如制造氮肥）的工业用户来说太高了。由于缺乏廉价天然气，高价格导致农业部门陷入困境。
大多数人都是“能源盲”，尤其是在煤炭和天然气方面。他们认为这两种燃料都有大量可以廉价开采，而且基本上可以永远开采。很遗憾， 对于煤炭和天然气来说，运输成本往往非常高。这是建模者所怀念的。这是高 交付成本 天然气和煤炭的大量使用，使得公司无法实际开采根据储量估计似乎可用的煤炭和天然气量。
[10]当我们分析近年来的电力消费时，我们发现自2001年以来，经合组织和非经合组织国家的电力消费增长模式有着惊人的不同。
经合组织的电力消耗几乎持平，特别是自2008年以来。即使在2008年之前，其电力消耗也没有快速增长。
现在的提议是增加经合组织国家的电力使用量。电力将更多地用于为车辆提供燃料和为家庭供暖。它还将更多地用于本地制造，特别是电池和半导体芯片。我想知道，如果过去的电力生产基本持平，经合组织国家将如何能够充分提高电力生产，以满足当前的电力使用和计划的新用途。
图 7. 经合组织国家按燃料类型划分的发电量（基于 BP 的数据） 2022年世界能源统计回顾.
图 7 显示，经合组织国家煤炭在电力生产中的份额一直在下降，特别是自 2008 年以来。“其他”一直在上升，但仅足以保持总体产量持平。其他包括风能和太阳能等可再生能源，以及石油和垃圾燃烧产生的电力。后一类规模较小。
非经合组织国家近期的能源生产模式非常不同：
图 8. 非经合组织国家按燃料类型划分的发电量（基于 BP 的数据） 2022年世界能源统计回顾.
图 8 显示，非经合组织国家一直在迅速提高煤炭发电量。其他主要燃料来源是天然气和水力发电大坝产生的电力。所有这些能源都相对不复杂。当地生产的煤炭、当地生产的天然气和水力发电的电力往往相当便宜。凭借这些廉价的电力来源，非经合组织国家已经能够主导世界重工业及其大部分制造业。
事实上，如果我们观察通常用于发电的燃料（即除石油之外的所有燃料）的当地生产情况，我们可以看到一种模式的出现。
图 9. 经合组织国家经常用于发电的燃料的能源生产，基于 BP 的数据 2022年世界能源统计回顾.
就通常与电力相关的燃料的提取而言，即使包括“可再生能源”（风能、太阳能、地热能和木片），产量也已接近持平。煤炭产量下降。煤炭产量下降可能是经合组织电力供应增长不足的一个重要原因。当地生产的煤炭发电历来非常便宜，导致平均电价下降。
当审视非经合组织国家用于发电的燃料生产时，就会出现一种截然不同的模式。请注意，图 9 和图 10 使用了相同的比例。因此，2001 年，经合组织国家和非经合组织国家的这些燃料产量大致相等。自 2001 年以来，非经合组织国家的这些燃料产量大约翻了一番，而经合组织国家的产量则几乎持平。
图 10. 非经合组织国家通常用于发电的燃料的能源生产（基于 BP 的数据） 2022年世界能源统计回顾.
图 10 中值得关注的一项是非经合组织国家的煤炭产量，在底部以蓝色显示。自 2011 年以来，这一数字几乎没有增加。这是目前世界煤炭供应趋紧的原因之一。我怀疑煤炭价格上涨是否会大大增加长期煤炭产量，因为真正的本地供应正在耗尽，即使在非经合组织国家也是如此。价格飙升更有可能导致经济衰退、债务违约、大宗商品价格下跌和煤炭供应减少。
[11] 恐怕世界经济已经达到了复杂性的极限以及能源生产的极限。
世界经济似乎可能在几年内崩溃。在短期内，结果可能看起来像是严重的衰退，或者可能看起来像是战争，或者两者都有可能。到目前为止，使用不太复杂的电力燃料（当地生产的煤炭和天然气，加上水力发电）的经济体似乎比其他经济体表现得更好。但廉价生产的当地能源供应不足，给整个世界经济带来了压力。
用物理学术语来说，世界经济以及其中的所有个体经济体都是 耗散结构。因此，先增长后崩溃是一种常见的模式。与此同时，新版本的耗散结构有望形成，其中一些可能会更好地适应不断变化的条件。因此，今天看似不可能的经济增长方法在更长的时间内可能是可能的。
例如，如果气候变化使非常寒冷的地区能够获得更多的煤炭供应，那么 最大功率原理 表明某些经济体最终将获得此类存款。因此，虽然我们现在似乎已经走到了尽头，但从长远来看，考虑到复杂性和直接燃料，自组织系统有望找到利用（“耗散”）任何可以廉价获取的能源供应的方法使用。
通过盖尔·特维尔伯格
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