深空之下 沒有化石能源，還能重建文明嗎？（拓展閱讀）

    作者：leis  dartnell

    想像一下，我們所知的世界明天滅亡了。發生了世界級的大災變：大流感、小行星撞擊，或者核毀滅。絕大部分人都死了，文明傾毀，後啟示錄時代的倖存者們發現他們身處一個劫後世界：城市荒蕪，人們互相劫掠，弱肉強食成為新的生存法則。

    就算聽起來很糟糕，這也不是人類的末日，我們總會回來的。就像在歷史中無數次的重演，和平與秩序早晚會重建起來，穩定的社群會逐漸成型，並痛苦地從頭開始重建技術基礎。但是這裡有個問題：這麼個社會能走多遠？一個後啟示錄時代的社會，還有沒有機會再重建一個技術文明？

    說得再具體一點，我們今天已經消耗了絕大多數易於開採的石油，還有相當一部分淺表而容易開採的煤礦儲備。化石能源既是現代工業社會得以組織起來的核心，又是工業化本身誕生過程中的關鍵角色。而這是一個獨一無二的角色——就算我們今天在某種程度上可以不靠化石能源（其實不能），我們能不能在根本沒有化石能源的情況下重新達到今日的技術水平，可是另外一個問題。

    所以，在一個星球上，不依靠化石能源儲備而重建文明，有沒有可能達到新的工業革命的可能？換句話說，如果地球人從來沒有過石油和煤礦能源會怎麼樣？我們的文明，會不會必然停滯於18世紀以前的前工業化時代？

    我們很容易低估今日世界對於化石能源的依賴程度。提到化石能源，我們總是會想到它們最直觀的用途是燃油驅動的車輛以及煤炭天然氣提供的火力發電。但我們還有賴於大範圍的工業原料，大多數情況下，原材料轉換為可用的產品需要極高的溫度，比如製造玻璃和金屬製品、水泥、化肥等。大多數情況下，這些製造過程所需的熱能來自化石燃料：石油、煤、天然氣和油。

    問題不止於此。從殺蟲劑到塑料，現代世界運作所需的大量化學產品，都是來自原油的有機物。由於世界原油儲量進一步減少，可以說，對這些有限資源的最浪費的應用莫過於把它燒掉。為了這些這些珍貴的有機化合物，人們得非常謹慎地保存剩下的這些有限資源。

    不過本文要談的主題並不是我們現在應該怎麼辦——可能每個人都知道，無論如何人們都必須過渡到低碳經濟。我要回答的是一個（但願）更為理論化的問題：一個技術發達的文明要崛起，是否必然有賴於易得的古老能源？有沒有可能在沒有化石能源的前提下建立工業文明？答案是：也許——不過極端困難。

    太陽和風：可持續能源能帶我們走多遠？

    首先是一個自然而然的想法。許多替代能源技術已經很發達了，比如說，越來越多的房頂安裝上了太陽能板以作家庭或商用之需。一個誘人的思路是，文明2.0能不能直接從廢墟里撿起前人遺產，以可再生能源作為工業化的起點呢?

    唔，在非常有限的意義上是可行的。如果你是個後啟示錄世界的倖存者，確實可以收集到足夠過上一陣子的太陽能板，維持電氣化的生活方式。光伏電池沒有活動部件，需要的維護很少，而且能抵抗惡劣環境。但是它們也會隨著時間而逐漸損耗：濕氣會侵蝕其外表，陽光本身也會降低矽層的純度，它提供的電力大約每年下降1，幾代人以後，所有傳承下來的太陽能板就都會損耗得無法使用。然後怎麼辦呢？

    要想從頭製造新的太陽能板，難如登天。太陽能板要用到極端純淨的薄矽片，雖然原料只是常見的沙子，但處理和精煉矽需要用到複雜精密的技術。這一技術能力差不多也就是我們用來做現代半導體電子元件所需的。開發這一技術已經花費了漫長的時光，很可能恢復這一技術也一樣久。所以一個處於工業化早期的社會可能不會有能力生產光伏太陽能了。

    不過，從電能開始可能是一條正確的思路——現今的大多數可再生能源技術生產的是電力。在我們自己的歷史進程中，電的核心現象發現於十九世紀上半葉，大大晚於蒸汽機械的早期發展。那時的重工業已經依賴於基於內燃的機械裝置，自那以後，電能在我們組織經濟結構的進程中主要扮演了輔助型的角色。但是這個順序能不能變換？工業化進程是否要求熱能機械必須先出現？

    表面上來看，一個進步中的社會有能力建起發電機，然後把它們聯到簡易風車和水車上，稍晚再發展出風力渦輪和水力大壩，這一切並不是絕對不可能。在一個沒有化石能源的世界裡，我們可以設想一個在很大程度上繞過內燃機發展歷史的電力文明。它的運輸基礎設施是靠電氣列車和有軌電車來支持長途運輸和城市交通。之所以說「很大程度上」，是因為我們沒辦法完全繞過它。

    雖然電動機也許能取代燒煤的蒸汽引擎，滿足機械應用，但是正如我們所見的，我們社會還在依賴熱能來驅動許多必不可少的化學反應和物理轉化。不用煤，一個工業化社會要怎麼生產像鋼鐵、磚塊、灰泥、水泥和玻璃這些關鍵建築材料呢？

    你當然可以用電力來生產熱能。我們現在已經在使用電爐和電窯了，現代電弧爐已經被用於生產鑄鐵和回收鋼材。問題並不在於電能可否轉化為熱能，只不過，有意義的工業化生產需要巨量能源的支持，如果僅僅使用可再生能源發電作為熱能來源，比如風力和水力，會相當捉襟見肘。

    另一種可能思路是直接用太陽能生產高溫。比起對光伏板的依賴，太陽能聚熱農場可以用巨大的鏡子把陽光的射線集中於一小點。用這種方式集中的熱能可以用來驅動特定的化學或工業過程，或者製造蒸汽，驅動發電機。但儘管如此，這一系統仍然很難（比如說）產生融鐵鼓風爐內部所需要的高溫。此外顯而易見的是，太陽能聚熱的能效還重度依賴當地的氣候。

    很遺憾，要想產生現代工業所需的「白熱」，除了燒東西，我們還真沒有太多好選擇。

    但是，那並不意味著我們必須得燒化石能源。

    燃燒的的力量：能不能重返木材時代？

    讓我們快速回顧下現代工業的「史前時期」。在用上煤之前很久，木炭就已經被廣泛使用來融化金屬。它其實在很多方面更有優勢：比煤燒起來溫度更高，雜質還少得多。實際上，煤的雜質是延緩了工業革命進程的主要因素之一——在燃燒過程中釋放出來的雜質會污染加熱中的產品。在融化過程中，硫雜質會滲入融化的鐵，從而使成品脆而易碎，造成使用時的安全問題。人們花了很長時間解決工業生產中怎樣應用煤的問題，而在這一段歷史時期中，木炭的表現相當完美。

    但是接下來，我們就不用木炭了。回頭看看，這有點可惜。只要木炭來自可持續來源，那它本質上就是碳中性的，因為它並沒有往大氣里排放新的碳——雖然這對早期工業化文明而言倒也不是值得擔憂的事情。

    不過以木炭為基礎的工業並沒有全部消亡。事實上，它在巴西活了下來而且有復興之勢。由於豐富的鐵礦儲備和稀缺的煤礦，巴西是世界第一大的木炭生產國，也是第九大鋼鐵生產國，這並不是什么小作坊式的工業生產，所以巴西案例給我們的思想實驗提供了一個鼓舞人心的例子。

    巴西用來製造木炭的樹木主要是速生桉類，是專門為此目的培育的。傳統造炭的方法是把砍好自然風乾的木頭壘成圓頂狀的一堆，讓木頭悶燒的同時，用草皮或土壤覆蓋以隔絕空氣流動。巴西企業把這一傳統技藝的規模大大擴增，使其可以用於工業化生產。風乾的木塊被堆放在低矮的圓柱形磚石窯里，排成長列以便於依序裝卸。最大的生產點可以容納上百個這樣的窯，置入木材後就封閉出入口，從上方點燃。

    木炭生產技術，實際上是在窯內部保留剛夠反應所需的空氣。需要有足夠的燃燒熱，產生足以驅走濕氣和可揮發物質的熱量，並對木材進行熱解，但熱量不能高到把木頭直接燒成一堆灰。窯的管理人員需要隨時監視燃燒狀態，細心監視窯口排出的煙，隨時用粘土打開或者封上通風口來調節整個過程。

    欲速則不達，這種嚴格控制悶燒的低溫煉炭方法大約需要一周的時間。以此為基礎的同類方法已經沿用千年，但這樣生產出來的燃料的用途十分現代。巴西製造的木炭被裝車運出森林，輸送到鼓風爐，把礦石煉成生鐵，後者是現代大規模生產鋼材的基本原料。這些「巴西製造」出口到世界各國，在那裡被加工成了汽車、水槽、浴缸和廚房用品。

    大約三分之二的巴西產木炭來自可持續的種植體系，所以木炭的現代用途有「綠色鋼材」的美譽。遺憾的是是剩下三分之一是來自非可持續的原生林砍伐。儘管如此，巴西案例的確提供了一個榜樣：在化石能源之外，我們還有什麼路徑可以供應現代文明所需的原材料。

    此外，木材氣化可能也是一種相關的選擇。使用木材來提供熱能和人類的歷史一樣久遠，而僅僅燃燒木頭只利用了它三分之一的能量；其他能量則隨著氣體和蒸汽在燃燒過程中的釋放而隨風飄散了。在適當的條件下，就算煙也是可燃的。我們不想浪費它。

    推動木材的熱解並收集產生的氣體，比單純的燃燒更好。如果你點燃一根火柴，就能觀察到這一基本原理：明亮的火焰並不直接出現在木頭上：它飄舞在火柴梗之上，兩者之間有一道清晰的間隔，火焰實際上是由熱解的木頭所提供的熱量支持的，而氣體只有在和空氣中的氧氣相結合時才燃燒。近距離看一根火柴可好玩了。

    為了在受控條件下釋放出這些氣體，我們得在一個密閉容器裡頭烤木頭。氧氣受到嚴格控制，這樣木頭不會直接著火。它會發生一種稱為高溫分解的複雜化學分子分解過程，然後容器底部的這團高溫碳化的木炭和分解後的產物進行反應，產生一氧化碳和氫這樣的可燃氣體。

    這樣合成的「發生爐煤氣」是一種多才多藝的燃料：它可以儲藏或經由管道運輸，用於街燈或者供暖系統，也可以用於複雜的機械如內燃機。二戰汽油短缺時期，世界各地有百萬輛以上的木材氣汽車保障了民間運輸的運作。在占領時期的丹麥，有95以上的農機、卡車和漁船是由木材氣驅動的。大約三公斤木材（取決於它的乾燥程度和密度）內含的能量和一升汽油差不多，而氣動力汽車的能耗單位是英里/每公斤木材而不是英里/每加侖。戰時的氣動力汽車大約每公斤木材能行駛1.5英里，今天的設計則在此基礎上做了進一步的改進。

    但其實，「木瓦斯」除了驅動汽車以外還大有可為。實際上它對於前述任何需要熱能的製造過程都適用，比如給製造石灰水泥磚頭的窯供能。木瓦斯的發電機組可以輕鬆為農業和工業設備以及各種泵提供電力。在這一領域，瑞典和丹麥對於可持續森林和農業廢料的利用居於世界領先水平，他們將這些能源用於運轉發電站里的蒸汽輪機。一旦蒸汽在「熱電聯供工廠」（chp）利用完畢，它就被輸送到附近城鎮和工廠用於供熱，使這一chp電力工廠能夠實現90的能效。這種工廠展示了完全不再依賴化石能源的卓越工業前景。

    但我們有多少木材可以用？

    那麼這算不算就解決了？我們能不能把新的社會重建在木材供能和可再生能源供電的基礎上？也許，如果人口相當少的話。但是這裡還有個難題。這些可替代選項的前提是倖存者們有能力建造高效的蒸汽渦輪、熱電聯供工廠和內燃機。我們當然知道怎麼做這些東西，但是如果文明已經毀滅了，誰知道這些工藝知識會不會一同消失？如果連知識一起消失了，後人還有多少可能性能夠重建它們呢？

    在我們自己的歷史中，蒸汽引擎的首次成功應用是用於煤礦抽水。這是一個燃料十分充裕的環境，所以最初的設計雖然效率極低也沒關係。不斷增長的煤產量首先用來融化鐵原料，然後把鐵塑造成型。鐵製部件被用來製造更多的蒸汽引擎，最終用於發掘礦藏或者驅動鑄鐵廠的鼓風爐。

    而且，顯然機械工廠也使用蒸汽機製造更多的蒸汽機。只有在蒸汽引擎造好投入使用之後，後續的工程師才能著手改進它的效率以及節能。人們其後研製出降低體積重量以及將它用於運輸或工廠化生產的各種方法。換句話說，工業革命的核心存在一個正反饋循環：生產煤、鐵和蒸汽機都是互相支撐的。

    在一個沒有現成煤礦的世界裡，人們有可能根本沒機會去測試那些鋪張浪費的蒸汽機原型——雖然這些原型隨著時間推移會變得更成熟更高效。如果沒有在更為簡單的蒸汽引擎外燃機——獨立鍋爐和氣缸活塞的蒸汽機上一試身手，一個社會有多大的希望能夠充分理解熱力學、冶金技術以及機械力學，來製造更複雜、更精確有效的內燃機組件呢？

    為了達到當代的技術高度，我們消耗了大量的能源，大概要重來一次也需要許多能源。沒有了化石能源，就意味著我們未來的世界所需要的木材量多得嚇人。

    在像英國這樣溫和的氣候下，一英畝的闊葉樹每年可以生產四到五噸的生物燃料。如果培養速生品種，比如柳樹或芒草，產量可以達到四倍。最大化木材生產的訣竅，是使用「矮林作業法」：培養一些從自己的樁部長出基稍的樹種，比如梣樹或者柳樹，它們在5-15年內就可以被再次砍伐。這可以保證持續的木材供應，而無需擔心把周圍的樹砍光了造成能源危機。

    但這就是麻煩所在了：矮林作業技術在前工業時代的英格蘭已經發展得相當成熟。它無法跟上社會快速發展的腳步。核心問題在於，樹林就算管理得再好，也要與其他土地用途發生衝突——主要是農業用地。發展的雙重困境是，隨著人口增長，人們需要更多的農場提供食物，也需要更多的木材提供能源，這兩種需求爭奪的是同一片土地。

    在我們自己的歷史上，事情是這樣發展的：從16世紀中期開始，英國通過大量開採煤礦來回應這一困境——本質上是發掘地底下古代森林的能源而無需降低農業產出。一英畝小樹林一年生產的能量相當於5-10噸煤，但後者可以直接從地里挖，比等待樹林重新長成要快得多。

    正是這個熱能供給限制，將會成為沒有化石能源的社會嘗試工業化的最大問題。在我們的後啟示錄世界，或者在任何沒能利用上化石能源的假想世界都是如此。一個社會沒有這些條件而要實現工業化，就得把努力集中在特定的極為優越的自然環境上——不是像18世紀英國那樣遍地煤礦的島嶼，而是比如像斯堪地那維亞或加拿大那樣，既有快速水流提供的水力能源，又有廣闊的植被提供的可持續熱能。

    儘管如此，沒有煤儲備的工業革命，少說也還是非常困難的。今天我們對化石燃料的使用實際上在增長，對此憂慮的諸多理由人們已經太熟悉，不需要在此重複。走向低碳經濟勢在必行。但同時我們也應當知曉，這些積累起來的熱能儲備是怎樣支持我們一步一步走到今天。如果從來沒有它們，人們也許會採用一條艱難之路，使用可再生能源和可持續的生物燃料來緩慢推進機械化進程，最終或許也有可能成功——但是也可能不行。我們最好希望我們自己文明的未來是樂觀的，因為我們可能已經耗盡了任何後繼社會步我們後塵所需的所有資源。

    作者：leis  dartnell()

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