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没有化石能源,还能重建文明吗?

(钟与氏Darla/编译)想象一下,我们所知的世界明天灭亡了。发生了世界级的大灾变:大流感、小行星撞击,或者核毁灭。绝大部分人都死了,文明倾毁,后启示录时代的幸存者们发现他们身处一个劫后世界:城市荒芜,人们互相劫掠,弱肉强食成为新的生存法则。

就算听起来很糟糕,这也不是人类的末日,我们总会回来的。就像在历史中无数次的重演,和平与秩序早晚会重建起来,稳定的社群会逐渐成型,并痛苦地从头开始重建技术基础。但是这里有个问题:这么个社会能走多远?一个后启示录时代的社会,还有没有机会再重建一个技术文明?

说得再具体一点,我们今天已经消耗了绝大多数易于开采的石油,还有相当一部分浅表而容易开采的煤矿储备。化石能源既是现代工业社会得以组织起来的核心,又是工业化本身诞生过程中的关键角色。而这是一个独一无二的角色——就算我们今天在某种程度上可以不靠化石能源(其实不能),我们能不能在根本没有化石能源的情况下重新达到今日的技术水平,可是另外一个问题。

所以,在一个星球上,不依靠化石能源储备而重建文明,有没有可能达到新的工业革命的可能?换句话说,如果地球人从来没有过石油和煤矿能源会怎么样?我们的文明,会不会必然停滞于18世纪以前的前工业化时代?

我们很容易低估今日世界对于化石能源的依赖程度。提到化石能源,我们总是会想到它们最直观的用途是燃油驱动的车辆以及煤炭天然气提供的火力发电。但我们还有赖于大范围的工业原料,大多数情况下,原材料转换为可用的产品需要极高的温度,比如制造玻璃和金属制品、水泥、化肥等。大多数情况下,这些制造过程所需的热能来自化石燃料:石油、煤、天然气和油。

问题不止于此。从杀虫剂到塑料,现代世界运作所需的大量化学产品,都是来自原油的有机物。由于世界原油储量进一步减少,可以说,对这些有限资源的最浪费的应用莫过于把它烧掉。为了这些这些珍贵的有机化合物,人们得非常谨慎地保存剩下的这些有限资源。

不过本文要谈的主题并不是我们现在应该怎么办——可能每个人都知道,无论如何人们都必须过渡到低碳经济。我要回答的是一个(但愿)更为理论化的问题:一个技术发达的文明要崛起,是否必然有赖于易得的古老能源?有没有可能在没有化石能源的前提下建立工业文明?答案是:也许——不过极端困难。

太阳和风:可持续能源能带我们走多远?

首先是一个自然而然的想法。许多替代能源技术已经很发达了,比如说,越来越多的房顶安装上了太阳能板以作家庭或商用之需。一个诱人的思路是,文明2.0能不能直接从废墟里捡起前人遗产,以可再生能源作为工业化的起点呢?

唔,在非常有限的意义上是可行的。如果你是个后启示录世界的幸存者,确实可以收集到足够过上一阵子的太阳能板,维持电气化的生活方式。光伏电池没有活动部件,需要的维护很少,而且能抵抗恶劣环境。但是它们也会随着时间而逐渐损耗:湿气会侵蚀其外表,阳光本身也会降低硅层的纯度,它提供的电力大约每年下降1%,几代人以后,所有传承下来的太阳能板就都会损耗得无法使用。然后怎么办呢?

要想从头制造新的太阳能板,难如登天。太阳能板要用到极端纯净的薄硅片,虽然原料只是常见的沙子,但处理和精炼硅需要用到复杂精密的技术。这一技术能力差不多也就是我们用来做现代半导体电子元件所需的。开发这一技术已经花费了漫长的时光,很可能恢复这一技术也一样久。所以一个处于工业化早期的社会可能不会有能力生产光伏太阳能了。

不过,从电能开始可能是一条正确的思路——现今的大多数可再生能源技术生产的是电力。在我们自己的历史进程中,电的核心现象发现于十九世纪上半叶,大大晚于蒸汽机械的早期发展。那时的重工业已经依赖于基于内燃的机械装置,自那以后,电能在我们组织经济结构的进程中主要扮演了辅助型的角色。但是这个顺序能不能变换?工业化进程是否要求热能机械必须先出现?

表面上来看,一个进步中的社会有能力建起发电机,然后把它们联到简易风车和水车上,稍晚再发展出风力涡轮和水力大坝,这一切并不是绝对不可能。在一个没有化石能源的世界里,我们可以设想一个在很大程度上绕过内燃机发展历史的电力文明。它的运输基础设施是靠电气列车和有轨电车来支持长途运输和城市交通。之所以说“很大程度上”,是因为我们没办法完全绕过它。

虽然电动机也许能取代烧煤的蒸汽引擎,满足机械应用,但是正如我们所见的,我们社会还在依赖热能来驱动许多必不可少的化学反应和物理转化。不用煤,一个工业化社会要怎么生产像钢铁、砖块、灰泥、水泥和玻璃这些关键建筑材料呢?

你当然可以用电力来生产热能。我们现在已经在使用电炉和电窑了,现代电弧炉已经被用于生产铸铁和回收钢材。问题并不在于电能可否转化为热能,只不过,有意义的工业化生产需要巨量能源的支持,如果仅仅使用可再生能源发电作为热能来源,比如风力和水力,会相当捉襟见肘。

另一种可能思路是直接用太阳能生产高温。比起对光伏板的依赖,太阳能聚热农场可以用巨大的镜子把阳光的射线集中于一小点。用这种方式集中的热能可以用来驱动特定的化学或工业过程,或者制造蒸汽,驱动发电机。但尽管如此,这一系统仍然很难(比如说)产生融铁鼓风炉内部所需要的高温。此外显而易见的是,太阳能聚热的能效还重度依赖当地的气候。

位于西班牙的最早的太阳能聚热农场。图源:"Foto aére de solnovas y torre junio 2010" by Abengoa Solar - Abengoa Solar. Licensed under CC BY 1.0 via Wikimedia Common

很遗憾,要想产生现代工业所需的“白热”,除了烧东西,我们还真没有太多好选择。

但是,那并不意味着我们必须得烧化石能源。

燃烧的的力量:能不能重返木材时代?

让我们快速回顾下现代工业的“史前时期”。在用上煤之前很久,木炭就已经被广泛使用来融化金属。它其实在很多方面更有优势:比煤烧起来温度更高,杂质还少得多。实际上,煤的杂质是延缓了工业革命进程的主要因素之一——在燃烧过程中释放出来的杂质会污染加热中的产品。在融化过程中,硫杂质会渗入融化的铁,从而使成品脆而易碎,造成使用时的安全问题。人们花了很长时间解决工业生产中怎样应用煤的问题,而在这一段历史时期中,木炭的表现相当完美。

但是接下来,我们就不用木炭了。回头看看,这有点可惜。只要木炭来自可持续来源,那它本质上就是碳中性的,因为它并没有往大气里排放新的碳——虽然这对早期工业化文明而言倒也不是值得担忧的事情。

不过以木炭为基础的工业并没有全部消亡。事实上,它在巴西活了下来而且有复兴之势。由于丰富的铁矿储备和稀缺的煤矿,巴西是世界第一大的木炭生产国,也是第九大钢铁生产国,这并不是什么小作坊式的工业生产,所以巴西案例给我们的思想实验提供了一个鼓舞人心的例子。


巴西用来制造木炭的树木主要是速生桉类,是专门为此目的培育的。传统造炭的方法是把砍好自然风干的木头垒成圆顶状的一堆,让木头闷烧的同时,用草皮或土壤覆盖以隔绝空气流动。巴西企业把这一传统技艺的规模大大扩增,使其可以用于工业化生产。风干的木块被堆放在低矮的圆柱形砖石窑里,排成长列以便于依序装卸。最大的生产点可以容纳上百个这样的窑,置入木材后就封闭出入口,从上方点燃。

巴西的木炭生产。摄影: Franz Lanting/Getty 图片来源:http://aeon.co/magazine/technology/could-we-reboot-civilisation-without-fossil-fuels/

木炭生产技术,实际上是在窑内部保留刚够反应所需的空气。需要有足够的燃烧热,产生足以驱走湿气和可挥发物质的热量,并对木材进行热解,但热量不能高到把木头直接烧成一堆灰。窑的管理人员需要随时监视燃烧状态,细心监视窑口排出的烟,随时用粘土打开或者封上通风口来调节整个过程。

欲速则不达,这种严格控制闷烧的低温炼炭方法大约需要一周的时间。以此为基础的同类方法已经沿用千年,但这样生产出来的燃料的用途十分现代。巴西制造的木炭被装车运出森林,输送到鼓风炉,把矿石炼成生铁,后者是现代大规模生产钢材的基本原料。这些“巴西制造”出口到世界各国,在那里被加工成了汽车、水槽、浴缸和厨房用品。

大约三分之二的巴西产木炭来自可持续的种植体系,所以木炭的现代用途有“绿色钢材”的美誉。遗憾的是是剩下三分之一是来自非可持续的原生林砍伐。尽管如此,巴西案例的确提供了一个榜样:在化石能源之外,我们还有什么路径可以供应现代文明所需的原材料。

此外,木材气化可能也是一种相关的选择。使用木材来提供热能和人类的历史一样久远,而仅仅燃烧木头只利用了它三分之一的能量;其他能量则随着气体和蒸汽在燃烧过程中的释放而随风飘散了。在适当的条件下,就算烟也是可燃的。我们不想浪费它。

推动木材的热解并收集产生的气体,比单纯的燃烧更好。如果你点燃一根火柴,就能观察到这一基本原理:明亮的火焰并不直接出现在木头上:它飘舞在火柴梗之上,两者之间有一道清晰的间隔,火焰实际上是由热解的木头所提供的热量支持的,而气体只有在和空气中的氧气相结合时才燃烧。近距离看一根火柴可好玩了。

一根点燃的火柴可以观察到在木头梗和火焰之间的空隙。图片来源:http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Light_a_match.jpg

为了在受控条件下释放出这些气体,我们得在一个密闭容器里头烤木头。氧气受到严格控制,这样木头不会直接着火。它会发生一种称为高温分解的复杂化学分子分解过程,然后容器底部的这团高温碳化的木炭和分解后的产物进行反应,产生一氧化碳和氢这样的可燃气体。

这样合成的“发生炉煤气”是一种多才多艺的燃料:它可以储藏或经由管道运输,用于街灯或者供暖系统,也可以用于复杂的机械如内燃机。二战汽油短缺时期,世界各地有百万辆以上的木材气汽车保障了民间运输的运作。在占领时期的丹麦,有95%以上的农机、卡车和渔船是由木材气驱动的。大约三公斤木材(取决于它的干燥程度和密度)内含的能量和一升汽油差不多,而气动力汽车的能耗单位是英里/每公斤木材而不是英里/每加仑。战时的气动力汽车大约每公斤木材能行驶1.5英里,今天的设计则在此基础上做了进一步的改进。

但其实,“木瓦斯”除了驱动汽车以外还大有可为。实际上它对于前述任何需要热能的制造过程都适用,比如给制造石灰水泥砖头的窑供能。木瓦斯的发电机组可以轻松为农业和工业设备以及各种泵提供电力。在这一领域,瑞典和丹麦对于可持续森林和农业废料的利用居于世界领先水平,他们将这些能源用于运转发电站里的蒸汽轮机。一旦蒸汽在“热电联供工厂”(CHP)利用完毕,它就被输送到附近城镇和工厂用于供热,使这一CHP电力工厂能够实现90%的能效。这种工厂展示了完全不再依赖化石能源的卓越工业前景。

但我们有多少木材可以用?

那么这算不算就解决了?我们能不能把新的社会重建在木材供能和可再生能源供电的基础上?也许,如果人口相当少的话。但是这里还有个难题。这些可替代选项的前提是幸存者们有能力建造高效的蒸汽涡轮、热电联供工厂和内燃机。我们当然知道怎么做这些东西,但是如果文明已经毁灭了,谁知道这些工艺知识会不会一同消失?如果连知识一起消失了,后人还有多少可能性能够重建它们呢?

在我们自己的历史中,蒸汽引擎的首次成功应用是用于煤矿抽水。这是一个燃料十分充裕的环境,所以最初的设计虽然效率极低也没关系。不断增长的煤产量首先用来融化铁原料,然后把铁塑造成型。铁制部件被用来制造更多的蒸汽引擎,最终用于发掘矿藏或者驱动铸铁厂的鼓风炉。

而且,显然机械工厂也使用蒸汽机制造更多的蒸汽机。只有在蒸汽引擎造好投入使用之后,后续的工程师才能着手改进它的效率以及节能。人们其后研制出降低体积重量以及将它用于运输或工厂化生产的各种方法。换句话说,工业革命的核心存在一个正反馈循环:生产煤、铁和蒸汽机都是互相支撑的。

在一个没有现成煤矿的世界里,人们有可能根本没机会去测试那些铺张浪费的蒸汽机原型——虽然这些原型随着时间推移会变得更成熟更高效。如果没有在更为简单的蒸汽引擎外燃机——独立锅炉和气缸活塞的蒸汽机上一试身手,一个社会有多大的希望能够充分理解热力学、冶金技术以及机械力学,来制造更复杂、更精确有效的内燃机组件呢?

为了达到当代的技术高度,我们消耗了大量的能源,大概要重来一次也需要许多能源。没有了化石能源,就意味着我们未来的世界所需要的木材量多得吓人。

在像英国这样温和的气候下,一英亩的阔叶树每年可以生产四到五吨的生物燃料。如果培养速生品种,比如柳树或芒草,产量可以达到四倍。最大化木材生产的诀窍,是使用“矮林作业法”:培养一些从自己的桩部长出基稍的树种,比如梣树或者柳树,它们在5-15年内就可以被再次砍伐。这可以保证持续的木材供应,而无需担心把周围的树砍光了造成能源危机。

“矮林作业法”:一棵砍伐完毕的树次年从桩部直接长出基稍。图源:http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Coppice_stool2.JPG 作者Cat James, http://www.catjames.org

但这就是麻烦所在了:矮林作业技术在前工业时代的英格兰已经发展得相当成熟。它无法跟上社会快速发展的脚步。核心问题在于,树林就算管理得再好,也要与其他土地用途发生冲突——主要是农业用地。发展的双重困境是,随着人口增长,人们需要更多的农场提供食物,也需要更多的木材提供能源,这两种需求争夺的是同一片土地。

在我们自己的历史上,事情是这样发展的:从16世纪中期开始,英国通过大量开采煤矿来回应这一困境——本质上是发掘地底下古代森林的能源而无需降低农业产出。一英亩小树林一年生产的能量相当于5-10吨煤,但后者可以直接从地里挖,比等待树林重新长成要快得多。

正是这个热能供给限制,将会成为没有化石能源的社会尝试工业化的最大问题。在我们的后启示录世界,或者在任何没能利用上化石能源的假想世界都是如此。一个社会没有这些条件而要实现工业化,就得把努力集中在特定的极为优越的自然环境上——不是像18世纪英国那样遍地煤矿的岛屿,而是比如像斯堪的纳维亚或加拿大那样,既有快速水流提供的水力能源,又有广阔的植被提供的可持续热能。

尽管如此,没有煤储备的工业革命,少说也还是非常困难的。今天我们对化石燃料的使用实际上在增长,对此忧虑的诸多理由人们已经太熟悉,不需要在此重复。走向低碳经济势在必行。但同时我们也应当知晓,这些积累起来的热能储备是怎样支持我们一步一步走到今天。如果从来没有它们,人们也许会采用一条艰难之路,使用可再生能源和可持续的生物燃料来缓慢推进机械化进程,最终或许也有可能成功——但是也可能不行。我们最好希望我们自己文明的未来是乐观的,因为我们可能已经耗尽了任何后继社会步我们后尘所需的所有资源。(编辑:Ent)

The End

发布于2015-05-16, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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Lewis Dartnell

英国莱斯特大学教授,英国宇航局研究人员

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