大规模计算产生巨量碳足迹
荷兰莱顿大学的天体物理学家Simon Portegies Zwart富有生态意识。他几乎不再因为工作缘故坐飞机，而是选择乘火车出行。“我喜欢成为素食环保主义者，尽量减少自己的碳足迹，同时也告诫孩子们避免洗澡时间过长，并尽可能使用可再生资源。”在他决定做出这些生活上的改变时，也在思考着其他方面带来的碳足迹。
“我经常使用大型计算机，它们消耗的能源相当于一座小城市，”他说道，“我可能是这条街上污染最严重的人了。假如使用一台超级计算机耗费的能源相当于10000户家庭，那么我有何权利去跟我的孩子或者别人说，他们不该洗20分钟的澡？”
在全球为解决气候变化问题而努力的同时，许多科学家开始正视自己碳排放量过大的现实。
巨大的计算成本
除学术旅行影响气候变化外，过去几年中许多物理学家还发现，使用计算机造成的碳足迹数量巨大——有时甚至超过航空旅行。
Adam Stevens是西澳大利亚大学的一名天体物理学家，他和同事们对2018—2019年期间澳大利亚天文学家因旅行、使用超级计算机以及在大型观测站工作等“常规活动”产生的温室气体排放总量进行了分析。他们的研究发现，平均每位澳大利亚天文学家产生约37吨二氧化碳当量，超出澳洲人的平均水平40%，是全球平均水平的5倍。其主要原因在于天文学家需要使用超级计算机来处理望远镜收集的大量数据，并进行宇宙学模拟。每位天文学家在此项工作上的排放量约为15吨，几乎是年飞行排放量的4倍(图1)。
图1 澳大利亚天文学家的四种排放来源，以吨(t)二氧化碳(CO2)当量(e)每年(yr-1)每人为单位。图中标明了误差线，注意观测站的数值为排放量下限
另一个例子是即将开展的大型中微子探测阵列(GRAND)项目，该项目计划利用分布在世界各地山区的20万根天线，探测来自深空的超高能量中微子。2021年，该项目背后的团队估算了三个不同实验阶段的温室气体排放，分别是：原型实验、中规模实验以及将于2030年进行的全面实验。他们把模拟和数据分析、数据传输和存储以及计算机和其他电子设备称为“数字技术”，这些技术将在碳足迹中占据很大比重。
预计原型实验阶段数字技术产生的排放将占69%，相比之下旅行仅占27%，4%来自“硬件设备”，如制造无线电天线。在中期实验阶段，数字技术将占总排放量的40%，剩余排放中旅行和硬件各占一半。当整个实验完成并投入使用后，主要排放量将由硬件(48%)和数字技术(45%)分担。
超级计算机的环境成本很大程度上取决于为设备供电的能源来源。2020年，荷兰天文学委员会邀请Portegies Zwart和另一支研究团队分析其6个成员机构的碳足迹。据估计，2019年平均每位荷兰天文学家排放4.7吨二氧化碳当量，远低于澳大利亚，而其中仅有4%来自超级计算。
荷兰天体物理学家Florisvander Tak主持了该项研究，他认为荷兰的天文学家不会比澳大利亚的同行们更少使用超级计算机，因此差异可能源自不同的能源供应。由于荷兰100%使用风能或太阳能产生的可再生能源，国家级超级计算中心SURF不产生任何碳排放，少量的排放由国际设备和荷兰的小型超级计算机产生。如今，Portegies Zwart已经养成查看自己所用的超级计算机是否采用环保能源的习惯，如果不是，他将考虑使用其他设备。
问题根源
德国马克斯‧普朗克天文研究所的温室气体排放数据同样显示出国家间的碳排放差异。2018年，该研究所每位研究人员排放了约18吨二氧化碳当量——超过荷兰天文学家，但只有澳大利亚同行的一半(图2)。这一数值比普通德国居民高出60%，是德国2030年减排目标的三倍，而该目标是符合巴黎气候协定的。
图2 一位澳大利亚天文学家和一位马克斯‧普朗克天文研究所的德国研究员2018年的平均排放量，按排放来源分类，并与德国根据《巴黎协定》设置的2030年目标排放比较。与电力相关的排放包括计算和非计算消耗，无论在德国还是澳大利亚，其绝大部分排放都是由计算产生的
在马克斯‧普朗克研究所2018年的碳排放中，约有29%来自电力消耗，其中计算(尤其是超级计算)占75—90%。德国和澳大利亚碳排放差异的关键在于电力的来源。2018年，德国约有一半电力来自太阳能和风能，而在澳大利亚，绝大部分电力来自化石燃料，主要是煤炭。这就意味着在澳大利亚，用于计算的电力每千瓦时产生0.905 kg二氧化碳，而在马克斯‧普朗克研究所只有0.23 kg。
van der Tak同时指出，这些调查工作是在几年前进行的，如今世界已经向前发展，比如现在使用可再生能源的机构越来越多。荷兰的一项研究发现，2019年荷兰天文学界的碳足迹中只有不到三分之一(29%)来自电力使用，包括为六家研究机构的本地计算供电。当时就有一半研究所使用绿色电力，随后又有两家开始改用100%可再生能源，van der Tak预计第六家研究所将在未来两年内实现转变。
澳大利亚的状况也在改变。作为该国三大国家级高性能计算设施之一的超级计算机OzSTAR，自2020年7月起已改用从附近的风力发电厂购买的100%可再生能源。超级计算机所在的斯威本 科技 大学声称，这将大幅度减少其碳足迹，因为电力排放占总排放的70%以上。
地点，地点，还是地点
但是，如何能确切计算出使用超级计算机的碳排放量呢？英国剑桥大学的数学家和物理学家Loïc Lannelongue没有找到简单的方法，于是他开发了一个名为“绿色算法”(green-algorithms.org)的在线工具，估算研究人员的碳足迹。
Lannelongue重申地点是关键。举例来说，在同样的硬件上运行相同任务，澳大利亚排放的二氧化碳大约是瑞士的70倍，因为瑞士的大部分电力来自水电。虽然估算任何一种算法的碳足迹都需要依据硬件、任务所需时间和数据中心或超级计算机的位置等关键因素，但绿色算法还有一个“实际比例因子”(PSF)，用于估计实际计算的次数——这对排放量有着直接影响。
事实上，大多数算法都要运行多次，有时甚至要在不同参数下运行数百次，而且根据任务和研究领域的不同，运行次数会有很大差异(图3)。研究还发现，南非和美国某些州有着与澳大利亚类似的计算排放量，而冰岛、挪威和瑞典的电力碳排放则特别低。
图3 绿色算法是一款免费工具，用于估计算法的碳足迹，估算过程涉及一系列因素，包括硬件要求、运行时间和数据中心位置等。用户可对计算性能进行评估，或者估算在其他架构上重新部署算法节约或消耗的碳。该图对比了不同科学领域算法的碳足迹——从粒子物理模拟和DNA辐射损伤到大气科学再到机器学习——并比较了每个算法只运行一次和同一任务的重复计算(PSF)的结果。上述结果以克(g)二氧化碳(CO2)当量(e)为单位，并与树木固碳量以及日常活动(如驾驶 汽车 )的碳排放量进行了比较
如今，随着云计算的出现，研究人员可以更方便地选择所使用的超级计算机。但即使无法更换机器，他们仍有其他方法可以减少碳排放。Lannelongue说，如果无法改变自己的所在地，则可以使用最新版本和优化的软件，因为这将会降低计算要求。
更好的编码
高效的代码对于使计算更环保同样至关重要。正如Portegies Zwart所说，如果你花费更多时间在代码优化上，它会运行得更快，产生的排放也会更少。此外，更换编码语言不失为一种好办法。
为验证这一观点，Portegies Zwart进行了实验，他用十几种不同的编码语言运行同样的算法。没有哪种语言的代码经过特别优化，而且编写每种代码花费的时间相近。与其他编码语言(如C++或Fortran)相比，物理学家常用的Python运行算法时间要长得多，因此会产生更多碳排放。问题在于Python易于使用，却难以优化，而其他语言虽难编码，但更容易优化。
然而，远离Python未必能解决问题。法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学的研究员Pierre Augier称，更好的教育和Python编译器的使用同样有效。他采用更加优化的代码和5种不同的Python实现方式进行了类似的实验，其中四种实现方式比C++和Fortran更快，产生的排放更少，而且更容易被理解和使用。
Portegies Zwart同意Python可以是高效的，但并不能反映实际情况。他认为天文学家对代码的优化程度并不高，与其让他们学更多计算机知识，物理研究机构或许应该雇佣更多计算机专家。“我们擅长物理，但计算机科学家把我们学习物理的时间都花在了学习计算机上，”他说，“毫无疑问，‘他们’更擅长编程。”
隐性排放
碳密集型工作不止有超级计算机上的仿真。作为GRAND中微子项目的联合发起人，法国索邦大学的Kumiko Kotera和她的同事们发现，在实验的原型阶段，数据存储和传输将占年总排放量的大约一半，中期阶段占四分之一，全面实验阶段占三分之一以上。相比之下，数据分析和仿真在三个阶段产生的碳排放占比分别为16%、13%和7%。
数据存储和传输的碳足迹取决于数据中心的能源需求，使用排放量较低的数据中心可以在一定程度上解决问题。不过，缩减数据量仍有作用，科学家们会对所传输的内容更加谨慎。Kotera表示，GRAND项目将研究如何减少数据量，找到有效清理数据的方法。
图4 为降低整体碳排放，CERN 聘请了一名环境工程师，负责监督未来项目的建造工程
粒子物理学家也需要贡献力量。欧洲核子研究中心(CERN)每年产生约100 PB数据。全球LHC计算网格(WLCG)整合全球40多个国家约170个计算中心的计算资源，并对这些数据进行存储、分发和分析。CERN近年来开始发布环境报告，2021年发布的第二份报告介绍了在LHC上实施的能效改进措施(图4)，改进后每单位能源能够采集更多数据。升级后，LHC在20年使用寿命内的能效将是首次启用时的10倍。但该报告也承认其中并没有真正涵盖WLCG的全部排放，仅对CERN拥有或运营的WLCG设备能耗进行了详细说明。
改变心态
Lannelongue希望越来越多的研究人员能够开始考虑计算产生的碳排放，并将其纳入决策之中。一个典型的例子就是从前研究者经常通宵运行那些效率低下的代码和软件，当被告知提高计算效率将减少碳足迹后，他们有了改变的动力。
谈及GRAND项目，Kotera表示，他们计划建立一个仿真库，让用户可以重复使用常用的仿真，而不用自己创建，这样能够避免同样的数据被不断复制。即使在大型合作中，由于没有中央存储，经常会有不同用户反复运行同一个仿真的现象。“只需按下一个按钮，就能进行为期一周的仿真，得到结果然后说‘哦，其实我并不需要它’，这实在太常见了，”Kotera说，“我们的目的在于，鼓励用户在运行之前先思考是否真正需要这次仿真。”
不同经济发展阶段的国家，能源发展战略有其不同的立足点。各国政府依据本国经济发展和能源状况，阶段性地调整发展战略目标以及自身的能源政策。综合分析，发达国家的能源发展战略代表了世界能源发展的新潮流；发展中国家的能源发展战略存在着重视各自国情，积极跟踪世界潮流的共性。不同经济发展阶段的国家，能源发展战略有其不同的立足点。而且，各国政府都在依据本国经济发展和能源状况，阶段性地调整发展战略目标以及自身的能源政策。综合分析，发达国家的能源发展战略代表了世界能源发展的新潮流；发展中国家的能源发展战略存在着重视各自国情，积极跟踪世界潮流的共性，也有我们可以借鉴之处，需要注意加强研究。1、当前世界各国能源战略的主要特点
1.1 能源安全是最重要的战略目标
在当前全球气候变化的形势下，以及意识到不可再生资源总有一天会日渐耗竭的背景下，随着紧缺的石油资源问题突出，国际油价持续攀升、各国对能源资源安全关注程度也随之普遍上升。维护国家能源安全是当今世界各国面临的重大课题，无论是发达国家，还是发展中国家都将保障能源安全作为国家能源战略的首要目标。
发达国家人均能耗高，需要大量进口补充境内能源资源的短缺，因此，能源发展战略除了考虑本国的资源因素外，极为注重涉及到国外资源开发利用的国际因素影响，甚至关注其他国家能源需求变化对国际能源市场的影响及对自身的影响程度。在历年的石油危机后，针对当前石油资源紧张的形势，发达国家以其较充沛的经济实力逐渐加大石油战略储备力度，建立和加强战略石油储备是发达国家保障能源安全的主要措施。而且，由于国家的经济实力强，对能源发展战略的考虑既重视近期的能源供应安全问题，又重视长远的能源可持续发展。发展中国家在国际竞争中处于弱势，多偏重于建立当前自身的能源安全供应体系。能源资源充裕的发展中国家已认识到利用资源优势发展国家经济的重要性，逐步加大了国家对国外企业开采和资源输出的控制。菲律宾明确国家能源和经济安全的底线是“确保实现国家能源60%自给自足”。巴基斯坦战略目标明确，突出增加本土能源比重，减少对外进口依赖的重要性，并对落实目标，做出了详尽的项目规划。乌克兰在经历了能源供应危机后，能源战略更加强调节能降耗、提高能源自主供应能力的必要性。墨西哥强调能源立法，同时，要及时分析阻碍国家能源发展的主要障碍，进行能源战略调整。
石油战略储备曾是以石油消费为主的发达国家应付石油危机的最重要手段，作为保障石油供应安全的这一战略措施也逐渐为发展中国家所效仿。现在，具有一定经济实力的国家为减少供应风险，都开始着手石油战略储备。石油战略储备已超出一般商业周转库存的意义，更重要的是取得主动，避免受制于人，有利于稳定国内经济发展，增强国际竞争力。
各国能源战略最突出的变化特点就是以减少石油消费、减少进口能源依存度为主要目标。在当前可再生能源尚未能够实现全面替代的形势下，节能是实现这个目标最现实、收效最快的措施。历史上，发达国家曾以减少石油消费的战略赢得了更大的市场利益，在20世纪70年代石油危机的后的20年内，迫使石油价格处于甚至低于10美元／桶的低价运行时期。当前更加强调综合利用法律、经济和技术等手段鼓励节能，从开采、加工、运输、利用和消费等多环节深挖节能潜力，发展节能产业。为达到节能目的，利用市场和企业、消费者行为开发节能机械、节能汽车等；取消石油价格管制，主张由市场机制调节能源供求关系，对能源企业进行私有化改革，提高资源配置能力，加强勘探等措施。
各国经济持续发展和人民生活水准提高的要求，必将加大能源资源的消费量。如何减缓能源消费的增速，只有提高能源效率、加强节能。各国不同程度地采取立法、经济激励、政府补贴、自愿协议和广泛宣传等各种政策措施，并且相互借鉴有成效的举措，体现在各自的能源发展战略中。近年来全球气候变暖，生物多样性锐减，气候灾害频繁的形成与人类过度地消耗化石能源存在密切的因果关系。虽然能源给当代人的生活带来了一定的舒适和便利，但是全球能源消耗量持续增加的趋势不仅对世界能源供应是严峻的挑战，而且给全球减少温室气体排放带来巨大压力。当人类生存环境遭到严重破坏后，很难逆转。
越来越多的国家在制定本国能源战略和政策时，已将环境因素放在优先考虑的地位。不少国家的能源战略强调发展新能源替代化石能源和实现《京都议定书》的温室气体控制目标。在《京都议定书》建立的减、限排温室气体总量机制下，大气中温室气体排放空间凸显为一种稀缺性的经济资源，拥有了这种资源就等于拥有了温室气体排放权和经济发展空间。依据《京都议定书》的规定，可以出售多余的二氧化碳排放配额。美国为了国内集团利益拒绝批准《京都议定书》，俄罗斯于2004年11月批准了《京都议定书》。
由此可见，能源的战略选择不仅是能源本身的问题，也是经济利益的问题，环境保护和人类生存的问题。能源发展在经济发展的推动下，正越来越受到环境因素的制约，能源战略目标由单纯强调能源供应向3E(Energy，Economy，Environment)方向发展，即能源、经济与环境的协调发展转变。 各国的国家能源战略均加重强调实现保障能源安全需要全方位的措施，不过度依赖单一的能源形式，减少经济发展对石油、煤炭、天然气的依赖程度，战略的核心是安全、环境和效益。各国的能源战略都出现了“多元化”的宇样，其含义是非常深刻的：一是能源资源种类的多元化，这可以带来能源产业的繁荣，同时将促进能源科学技术的飞速发展；二是以保障石油安全为核心，积极开拓新的石油供应基地，实现能源进口渠道的多元化，并且各国都有意识地避开主要从中东地区进口的做法，将多元化进口的目标锁定在其他具有一定油气资源输出能力的拉美、非洲或东欧地区。三是关注全球资源状况，将资源开发重心由境内移向境外。无疑，这一策略的普遍采用，又必然将带来新的矛盾和问题。虽然对于能源资源出口国，是本国经济发展的太好契机，但是也会相应带来一些争端，如国内资源保护派的激烈反对，或者贸易国之间各种各样的资源争夺战，由此可能会引发出新的一类局势不稳定问题。
由于石油价格的暴涨，各发达国家的能源结构逐渐发生了变化。坚定不移地奉行能源多元化战略，积极寻求替代石油资源，开发核能、氢能和其他新能源，甚至适度发展国内的煤炭工业，以降低对进口石油的过度依赖程度。重新认识煤炭，加快洁净煤技术的研发和推广。
为确保能源供给的自主性，能源发展的可持续性，21世纪以来全世界已形成转变以石油为主的能源经济，积极开发可再生能源的新高潮。各国能源发展战略措施各有侧重，有的国家积极发展风电、有的国家积极发展核电，但都是以逐步替代油气资源为核心展开的一系列研究方案。可再生能源技术和清洁能源技术的创新将成为世界能源未来发展的制高点，世界能源市场将由目前的资源型转向未来的技术型，是一场更具竞争性的挑战。
从可再生能源发展的状况分析，欧盟是世界上最推崇发展可再生能源的国家集团，其发展可再生能源的战略是：在全面发展的同时，突出风力发电、太阳能发电、生物质液体燃料技术的开发和应用。发展可再生能源方面所采取的主要措施是：制定具体目标、落实经济政策、建立研发队伍、培育产业基础、建立市场氛围、鼓励企业竞争。目前欧洲已成为风力发电、光伏发电技术和市场发展的中心。
印度和巴西是发展中国家发展可再生能源的榜样。印度注重根据自身条件，寻找突破口，所采取的策略是：风力发电以市场换技术，市场规模和产业技术同步发展；适度发展太阳能；生物质能源则以解决农村能源为主；氢能研发有所投入，跟随国际潮流。巴西坚持能源多样化和多渠道，因地制宜发展生物质能源的能源发展战略：依靠水电和生物液体燃料资源优势，减少石油进口，保障国家能源安全，2004年的生物液体燃料产量达到了1500万t，处于世界领先地位，甚至出口生物质能源促进经济发展。
不但一个国家的不可再生能源资源是有限的，而且全球的不可再生能源资源也是有限。资源的有限性与各国能源战略区域向境外转移的特点，意味着国际间的能源资源争夺正在加剧。与过去不同，各国发展所面临的外部环境发生了重大的变化，不能再靠殖民地的方式掠夺资源。资源与市场的国际化，使各国政府意识到，必须加强与能源生产国的外交往来，保证能源供应的来源；同时，必须加强能源消费国之间能源合作，形成联盟，增强话语权，抵御能源价格的上涨。资源进出口国之间的外交关系、资源国之间的战略联盟(如OPEC)的合作以及资源进口国之间的战略联盟(如IEA)的竞争与合作关系更加微妙。突出体现在国际石油问题上，焦点集中在中东。为保障能源安全，能源外交成为能源消费国家21世纪以来的外交重点。各国能源战略普遍出现加强国际化的趋势。例如，韩国对内制定正确的能源政策；对外开展有效的能源外交，实施能源进口多元化。积极倡导区域间的能源合作，加强与产油国的谈判力度。非洲各国强调需要进一步加强团结和合作，协调各国能源政策，明确能源发展战略。无论是产油国还是消费国，积极推动国际合作都是十分必要的。油气出口是印度尼西亚的经济支柱，巩固与邻近国家间的互补合作机制成为国家能源战略的主要目标。
由于能源对国家社会经济发展和国计民生具有重要作用，能源的市场性质已从一般商品转为重要的战略商品，能源问题已呈现出日益全球化和政治化的趋势。由一国自主的能源发展向境外资源的拓展是各国能源需求数量和品种的要求，为避免国家之间对世界有限能源资源的恶性竞争，积极开展能源外交，将能源作为处理国际关系的重，要战略因素，强调能源生产大国之间以及消费大国之间的对话机制，发展多国的能源国际合作是十分必要的。而且，由此也将会进一步促进经济全球化的发展。
欧盟的能源战略就突出体现了以上国际能源战略的特点。欧盟的能源战略重点是保证“经济安全、国防安全、生活安全”，提出“保障能源供应、保护环境和维护消费者利益”的基本原则。在确保本国能源供应方面以节能和发展可再生能源和生物燃料为主要战略措施，加强能源共同体的建设。
欧盟各国的能源战略虽各具特点，但是总体上是一致的。例如，德国的能源战略锁定长远目标，从能源资源利用的经济效益出发，有效控制国内有限的能源资源开发；持续不断地节能；积极开发风能等可再生能源，占据能源新技术的制高点，实现传统能源的替代。能源进口多元化，石油储备法定化，保障安全供应。面对本国不可再生能源资源递减的趋势和全球气候变化的挑战，英国新的能源战略基点是低碳。强调在市场框架和政策相互影响下，培育市场竞争力，实现提高能源效率、发展可再生能源促进能源多样性的战略。能源技术的研发不局限于本国的能源资源，着眼于世界主要的能源应用技术，以实现未来的能源技术出口换能源资源进口的发展战略。法国立足国情，因地制宜地发展能源多样化，积极发展核电，提高能源供应独立性，实现安全供应。比利时的能源战略长远目标是使用更利于环保的能源，逐步向全部使用可再生能源过渡。波兰在长期能源战略目标下，针对当前问题，突出过渡期的能源战略重点。依据国家能源法，明确政府与企业的职责，国家财政将不直接参与能源项目投资，只在法律和税收政策、贷款担保等方面为企业提供支持。美国能源战略的核心是提高能源供应自主性，突出特点是一个具有长期性和综合性的国家战略。战略目标明确，并辅有相应详细的政策和对策目标、措施，易于操作、监管。实际上，美国能源战略还有一个极为重要内容就是充分开发利用全球的油气资源。观察美国国家外交战略圈，几乎囊括了地下埋藏着丰富的石油等战略资源的国家，特别是中东地区。在不断努力巩固海外石油来源的同时，逐渐明确要减少对石油的依赖。发展新技术，包括燃料的替代技术和设备的更新技术。
能源战略和政策是日本政府一贯的工作重点，能源战略的稳定性促进能源政策的有效实施。虽然日本能源资源贫乏，目前日本一次性能源的自给率不足20%，但是政府立足于技术创新致力节能，成立“节能中心”，健全能源管理体系，指导国民和企业的节能以及节能技术的研究开发，积极发展太阳能等新能源；着眼于全球能源资源的利用，坚持实施以保障能源安全为重点的外交策略，以及国内企业联合一致对外，参与国际竞争的做法，不断提高开发国外石油资源的份额。随着社会经济的发展和外部环境的变化，日本不断完善能源构成多样化、进口多元化和以石油储备为依托的能源战略，从政治、外交、经济、科技等全方位考虑能源战略的发展，确保了自身能源的长期安全供给，保障了国家的经济安全，并使得日本成为世界能源效率最高的国家。俄罗斯能源发展战略制定经历了较长的时间。能源战略目标明确，所关系到的对象明确。能源区域发展具有地域资源特点，相应的能源政策针对性强，每一种能源，如石油、天然气、煤、电能(包括核能和热能)、能源输送等的发展预测都提出了经济体制改革问题以及为实现改革所应该创造的必要条件。同时，指明了能源工业和其他工业部门的相互关系，能源工业科技和创新的重要意义。并且明确了能源战略实施系统，包括：联邦政府行动计划，实施国家能源政策的指标体系，原有相关规划的修订，利用国家信息资源建立的能源战略实施监控系统。实现可持续发展已经成为世界各国的共同课题，而对人口众多的中国来说，具有更大的特殊性和挑战。为实现全面建设小康社会的目标和应对能源长远发展遇到的严峻挑战，我国采取正确的能源战略具有决定性意义。只有实现可持续发展的能源战略，才能保证在“能源消耗最少，环境污染最小”的基础上，实现经济社会快速发展和人民，水平的提高。我国必须汲取西方发达国家的成功经验，学习其他发展中国家根据具体国情发展的经验，建立符合中国特色的、能源效率不断提高和环境保护日益加强的中、长期可持续发展能源战略。
随着世界经济规模的不断增大，世界能源消费量持续增长。1990年世界国内生产总值为26.5万亿美元(按1995年不变价格计算)，2000年达到34.3万亿美元，年均增长2.7%。根据《2004年BP能源统计》，1973年世界一次能源消费量仅为57.3亿吨油当量，2003年已达到97.4亿吨油当量。过去30年来，世界能源消费量年均增长率为1.8%左右。2. 世界能源消费呈现不同的增长模式，发达国家增长速率明显低于发展中国家
过去30年来，北美、中南美洲、欧洲、中东、非洲及亚太等六大地区的能源消费总量均有所增加，但是经济、科技与社会比较发达的北美洲和欧洲两大地区的增长速度非常缓慢，其消费量占世界总消费量的比例也逐年下降，北美由1973年的35.1%下降到2003年的28.0%，欧洲地区则由1973年的42.8%下降到2003年的29.9%。OECD(经济合作与发展组织)成员国能源消费占世界的比例由1973年的68.0%下降到2003年的55.4%。其主要原因，一是发达国家的经济发展已进入到后工业化阶段，经济向低能耗、高产出的产业结构发展，高能耗的制造业逐步转向发展中国家；二是发达国家高度重视节能与提高能源使用效率。3. 世界能源消费结构趋向优质化，但地区差异仍然很大
自19世纪70年代的产业革命以来，化石燃料的消费量急剧增长。初期主要是以煤炭为主，进入20世纪以后，特别是第二次世界大战以来，石油和天然气的生产与消费持续上升，石油于20世纪60年代首次超过煤炭，跃居一次能源的主导地位。虽然20世纪70年代世界经历了两次石油危机，但世界石油消费量却没有丝毫减少的趋势。此后，石油、煤炭所占比例缓慢下降，天然气的比例上升。同时，核能、风能、水力、地热等其他形式的新能源逐渐被开发和利用，形成了目前以化石燃料为主和可再生能源、新能源并存的能源结构格局。到2003年底，化石能源仍是世界的主要能源，在世界一次能源供应中约占87.7%，其中，石油占37.3%、煤炭占26.5%、天然气占23.9%。非化石能源和可再生能源虽然增长很快，但仍保持较低的比例，约为12.3%。由于中东地区油气资源最为丰富、开采成本极低，故中东能源消费的97%左右为石油和天然气，该比例明显高于世界平均水平，居世界之首。在亚太地区，中国、印度等国家煤炭资源丰富，煤炭在能源消费结构中所占比例相对较高，其中中国能源结构中煤炭所占比例高达68%左右，故在亚太地区的能源结构中，石油和天然气的比例偏低（约为47%），明显低于世界平均水平。除亚太地区以外，其他地区石油、天然气所占比例均高于60%。4. 世界能源资源仍比较丰富，但能源贸易及运输压力增大
根据《2004年BP世界能源统计》，截止到2003年底，全世界剩余石油探明可采储量为1565.8亿吨，其中，中东地区占63.3%，北美洲占5.5%，中，南美洲占8.9%，欧洲占9.2%，非洲占8.9%，亚太地区占4.2%。2003年世界石油产量为36.97亿吨，比上年度增加3.8%。通过对比各地区石油产量与消费量可以发现，中东地区需要向外输出约8.8亿吨，非洲和中南美洲的石油产量也大于消费量，而亚太、北美和欧洲的产消缺口分别为6.7亿、4.2亿和1.2亿吨。
煤炭资源的分布也存在巨大的不均衡性。截止到2003年底，世界煤炭剩余可采储量为9844.5亿吨，储采比高达192（年），欧洲、北美和亚太三个地区是世界煤炭主要分布地区，三个地区合计占世界总量的92%左右。同期，天然气剩余可采储量为175.78万亿立方米，储采比达到67。中东和欧洲是世界天然气资源最丰富的地区，两个地区占世界总量的75.5%，而其他地区的份额仅分别为5%～7%。随着世界一些地区能源资源的相对枯竭，世界各地区及国家之间的能源贸易量将进一步增大，能源运输需求也相应增大，能源储运设施及能源供应安全等问题将日益受到重视。二、世界能源供应和消费趋势
根据美国能源信息署（EIA）最新预测结果，随着世界经济、社会的发展，未来世界能源需求量将继续增加。预计，2010年世界能源需求量将达到105.99亿吨油当量，2020年达到128.89亿吨油当量，2025年达到136.50亿吨油当量，年均增长率为1.2%。欧洲和北美洲两个发达地区能源消费占世界总量的比例将继续呈下降的趋势，而亚洲、中东、中南美洲等地区将保持增长态势。伴随着世界能源储量分布集中度的日益增大，对能源资源的争夺将日趋激烈，争夺的方式也更加复杂，由能源争夺而引发冲突或战争的可能性依然存在。
随着世界能源消费量的增大，二氧化碳、氮氧化物、灰尘颗粒物等环境污染物的排放量逐年增大，化石能源对环境的污染和全球气候的影响将日趋严重。据EIA统计，1990年世界二氧化碳的排放量约为215.6亿吨，2001年达到239.0亿吨，预计2010年将为277.2亿吨，2025年达到371.2亿吨，年均增长1.85%。
面对以上挑战，未来世界能源供应和消费将向多元化、清洁化、高效化、全球化和市场化方向发展。1. 多元化
世界能源结构先后经历了以薪柴为主、以煤为主和以石油为主的时代，现在正在向以天然气为主转变，同时，水能、核能、风能、太阳能也正得到更广泛的利用。可持续发展、环境保护、能源供应成本和可供应能源的结构变化决定了全球能源多样化发展的格局。天然气消费量将稳步增加，在某些地区，燃气电站有取代燃煤电站的趋势。未来，在发展常规能源的同时，新能源和可再生能源将受到重视。在欧盟2010年可再生能源发展规划中，风电要达到4000万千瓦，水电要达到1.05亿千瓦。2003年初英国政府公布的《能源白皮书》确定了新能源战略，到2010年，英国的可再生能源发电量占英国发电总量的比例要从目前的3%提高到10%，到2020年达到20%。2. 清洁化
随着世界能源新技术的进步及环保标准的日益严格，未来世界能源将进一步向清洁化的方向发展，不仅能源的生产过程要实现清洁化，而且能源工业要不断生产出更多、更好的清洁能源，清洁能源在能源总消费中的比例也将逐步增大。在世界消费能源结构中，煤炭所占的比例将由目前的26.47%下降到2025年的21.72%，而天然气将由目前的23.94%上升到2025年的28.40%，石油的比例将维持在37.60%～37.90%的水平。同时，过去被认为是“脏”能源的煤炭和传统能源薪柴、秸杆、粪便的利用将向清洁化方面发展，洁净煤技术（如煤液化技术、煤气化技术、煤脱硫脱尘技术）、沼气技术、生物柴油技术等等将取得突破并得到广泛应用。一些国家，如法国、奥地利、比利时、荷兰等国家已经关闭其国内的所有煤矿而发展核电，它们认为核电就是高效、清洁的能源，能够解决温室气体的排放问题。3. 高效化
世界能源加工和消费的效率差别较大，能源利用效率提高的潜力巨大。随着世界能源新技术的进步，未来世界能源利用效率将日趋提高，能源强度将逐步降低。例如，以1997年美元不变价计，1990年世界的能源强度为0.3541吨油当量/千美元，2001年已降低到0.3121吨油当量/千美元，预计2010年为0.2759吨油当量/千美元，2025年为0.2375吨油当量/千美元。
但是，世界各地区能源强度差异较大，例如，2001年世界发达国家的能源强度仅为0.2109吨油当量/千美元，2001～2025年发展中国家的能源强度预计是发达国家的2.3～3.2倍，可见世界的节能潜力巨大。4. 全球化
由于世界能源资源分布及需求分布的不均衡性，世界各个国家和地区已经越来越难以依靠本国的资源来满足其国内的需求，越来越需要依靠世界其他国家或地区的资源供应，世界贸易量将越来越大，贸易额呈逐渐增加的趋势。以石油贸易为例，世界石油贸易量由1985年的12.2亿吨增加到2000年的21.2亿吨和2002年的21.8亿吨，年均增长率约为3.46%，超过同期世界石油消费1.82%的年均增长率。在可预见的未来，世界石油净进口量将逐渐增加，年均增长率达到2.96%。预计2010年将达到2930万桶/日，2020年将达到4080万桶/日，2025年达到4850万桶/。世界能源供应与消费的全球化进程将加快，世界主要能源生产国和能源消费国将积极加入到能源供需市场的全球化进程中。5. 市场化
由于市场化是实现国际能源资源优化配置和利用的最佳手段，故随着世界经济的发展，特别是世界各国市场化改革进程的加快，世界能源利用的市场化程度越来越高，世界各国政府直接干涉能源利用的行为将越来越少，而政府为能源市场服务的作用则相应增大，特别是在完善各国、各地区的能源法律法规并提供良好的能源市场环境方面，政府将更好地发挥作用。当前，俄罗斯、哈萨克斯坦、利比亚等能源资源丰富的国家，正在不断完善其国家能源投资政策和行政管理措施，这些国家能源生产的市场化程度和规范化程度将得到提高，有利于境外投资者进行投资。三、启示与建议
1. 依靠科技进步和政策引导，提高能源效率，走高效、清洁化的能源利用道路
中国有自己的国情，中国能源资源储量结构的特点及中国经济结构的特色，决定在可预见的未来，我国以煤炭为主的能源结构将不大可能改变，我国能源消费结构与世界能源消费结构的差异将继续存在，这就要求中国的能源政策，包括在能源基础设施建设、能源勘探生产、能源利用、环境污染控制和利用海外能源等方面的政策应有别于其他国家。鉴于我国人口多、能源资源特别是优质能源资源有限，以及正处于工业化进程中等情况，应特别注意依靠科技进步和政策引导，提高能源效率，寻求能源的清洁化利用，积极倡导能源、环境和经济的可持续发展。2. 积极借鉴国际先进经验，建立和完善我国能源安全体系
为保障能源安全，我国一方面应借鉴国际先进经验，完善能源法律法规，建立能源市场信息统计体系，建立我国能源安全的预警机制、能源储备机制和能源危机应急机制，积极倡导能源供应在来源、品种、贸易、运输等方式的多元化，提高市场化程度；另一方面应加强与主要能源生产国和消费国的对话，扩大能源供应网络，实现能源生产、运输、采购、贸易及利用的全球化。
目前可再生能源主要分为几种,分别是风能,水能,太阳能,地热能,海洋能.
中国2010可再生能源达15%利用率,而欧盟等发达地区则为20%.
到目前为止中国投入发展可再生能源的资金排名前三位,但由于科技较已发展国家低,
在发电效率、效能等方面都有些差距.
可再生能源的发展需要以下几个主要因素分别有 “资金”“科技”“地理及环境”等.
为楼主介绍几个可再生能源发展发达的国家
冰岛 地热能最为发达
芬兰-荷兰 风能最为发达
中国 水能发电较为发达（著名的三峡工程）
中国美国 太阳能 日照时间较佳 （中国东北或其他偏远三区太阳能已经普遍的运用）
至于太阳能.以理论上说地球大部分地区为海洋所覆盖,海洋能理应发展最为发达.
但是因为 海洋能 的发展都还尚未成熟以至于发展较其他可再生能源缓慢、
欧盟目前由28个国家组成，其中包括法国、德国、荷兰等老牌工业强国。欧盟非常重视对清洁能源的开发和利用。根据英国智库Sandbag和德国气候游说集团Agora Energiewende公布的数据，去年欧盟国家的总发电量为32440亿千瓦时，其中核能发电是第一大电源，占总发电量的比例为25.6%左右。可再生能源，包括水电、风电、太阳能和生物质的总发电比例高达30%左右，超过了煤炭发电的比例。
日本虽然是世界第三的经济强国，但是日本国土面积非常小，而且自然资源非常贫乏，因此日本非常重视核能的利用。日本的核电技术一直走在世界前列。日本福岛核电站发生泄露事故前，日本核能发电比例约占总发电量的30%左右。事故反生后，日本的核电项目一度陷入停滞状态，但日本毕竟是一个能源消耗大国，不可能停止对核电的运用。日本曾在福岛事件后发布了一份核能白皮书，指出核能仍然是日本能源结构的重要组成部分，并且，到2030年，日本的目标是核能发电占总发电量的比例不少于30%。
中国是目前全球经济发展最快的国家之一，高速的经济发展离不开大量的能源消耗。根据国家统计局公布的数据，去年我国的总发电量为6.5万亿千瓦时，其中火力发电量为46627万亿千瓦时，占总发电量的71.7%，说明我国的发电量依然主要依赖煤炭等化石燃料。那么，我国核能发电的情况怎么样呢？据统计，我国核能发电量为2481亿千瓦时，占总发电量的比例只有3.82%，和美国、欧盟等国家和地区还存在很大的差距。
中国是能源消耗大国，大力发展核能是大势所趋，相信未来随着中国对核电研发投入的不断加大，中国核能发电的比例还会进一步提高。
回答于 2022-11-04
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