[论文解读] Energy Limits to the Gross Domestic Product on Earth

Andreas M. Hein, Jean-Baptiste Rudelle|arXiv (Cornell University)|May 11, 2020

Global Energy and Sustainability Research参考文献 79被引用 4

一句话总结

本文认为，即使实现碳中和，地球的全球经济仍会因热力学约束而面临硬性上限。通过建模温室气体引起的变暖和能源消耗引起的变暖，本文表明，若持续实现2%的年GDP增长率，地球的能源承载能力将在数个世纪内耗尽，除非大幅降低能源强度，否则必须通过地外经济扩张来应对。

ABSTRACT

Once carbon emission neutrality and other sustainability goals have been achieved, a widespread assumption is that economic growth at current rates can be sustained beyond the 21st century. However, even if we achieve these goals, this article shows that the overall size of Earth's global economy is facing an upper limit purely due to energy and thermodynamic factors. For that, we break down global warming into two components: the greenhouse gas effect and heat dissipation from energy consumption related to economic activities. For the temperature increase due to greenhouse gas emissions, we take 2 °C and 5 °C as our lower and upper bounds. For the warming effect of heat dissipation related to energy consumption, we use a simplified model for global warming and an extrapolation of the historical correlation between global gross domestic product (GDP) and primary energy production. Combining the two effects, we set the acceptable global warming temperature limit to 7 °C above pre-industrial levels. We develop four scenarios, based on the viability of large-scale deployment of carbon-neutral energy sources. Our results indicate that for a 2% annual GDP growth, the upper limit will be reached at best within a few centuries, even in favorable scenarios where new energy sources such as fusion power are deployed on a massive scale. We conclude that unless GDP can be largely decoupled from energy consumption, thermodynamics will put a hard cap on the size of Earth's economy. Further economic growth would necessarily require expanding economic activities into space.

研究动机与目标

• 评估在能源和热力学约束下，地球上的长期经济增长在物理上是否可持续。
• 量化温室气体排放与能源消耗所产生的废热对全球变暖的综合影响。
• 评估在各种能源部署情景下，维持2%的年GDP增长率的可行性。
• 确定是否必须实现GDP与能源使用的脱钩，以避免地球经济面临硬性上限。
• 探讨能源限制对未来经济发展的意义，以及太空扩张可能发挥的作用。

提出的方法

• 将全球变暖建模为两个分量之和：温室气体引起的辐射强迫和能源使用导致的热量耗散。
• 以2°C和5°C作为温室气体引起变暖的上限，并基于历史GDP与能源生产之间的相关性，外推估算热量引起变暖的影响。
• 设定一个保守阈值，即全球变暖总上限为较工业革命前水平高出7°C。
• 基于大规模碳中和能源技术（包括聚变及其他先进技术）的可行性，制定四种情景。
• 应用简化的能量平衡模型，预测随时间推移的累积能源使用及其相关废热。
• 通过估算能源消耗超过地球热量耗散能力的时间点，计算GDP增长的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在热力学对热量耗散和能源使用的约束下，全球GDP的最大可持续水平是多少？
• RQ2 温室气体排放与经济活动产生的废热如何共同导致全球变暖？
• RQ3 如果大规模部署碳中和能源，2%的年GDP增长率能否无限期维持？
• RQ4 在不同未来能源技术部署假设下，地球经济的上限是什么？
• RQ5 为避免经济规模达到热力学上限，GDP必须在多大程度上与能源消耗脱钩？

主要发现

• 即使在大规模部署碳中和能源的乐观情景下，地球经济仍会因热力学约束而面临硬性上限。
• 对于2%的年GDP增长率，无论技术如何进步，经济规模的上限都将在数个世纪内达到。
• 温室气体排放与能源消耗产生的废热的综合效应，可能导致全球气温较工业革命前水平上升7°C。
• 能源消耗相关的热量耗散本身对全球变暖有显著贡献，且GDP与一次能源生产之间存在可测量的历史相关性。
• 若无法大幅实现GDP与能源消耗的脱钩，地球上的持续经济增长在物理上是不可持续的。
• 本文结论认为，未来超越地球限制的经济扩张，很可能需要发展地外经济活动。