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没有化石能源,还能重建文明吗?

作者:Lewis Da… 来源:本站原创 点击数: 更新时间:2015-5-22

(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,焦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,焦炭的表现相当完美。

但是接下来,我们就不用焦炭了。回头看看,这有点可惜。只要焦炭来自可持续来源,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。

不过以焦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焦炭生产国,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。


巴西用来制造焦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。

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

焦炭生产技术,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。巴西制造的焦炭被装车运出森林,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焦炭来自可持续的种植体系,所以焦炭的现代用途有“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。

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