能源进化：从木柴到人造能源
时间：2020-03-18 05:20:40 来源：千叶帆 本文已影响人
从木柴到时下的清洁可再生能源，驱动能源产品变迁的根本动力是人类社会的进步。
从木头到煤，从煤到石油，再到天然气和核能，人类所用能源的转变，经历了漫长的时间。这一过程中，人类对能源需求总量越来越大，能源密度也越来越高。
“任何革新都不是发生在真空之中，一种革新总是与现存的技术交织，因此其成长的轨迹必然会改变当前的技术、经济和社会的特征，这种转变大都需要几十年甚至更长的时间来实现。”
对于这一过程，一位环境史学家曾这样评述道。
能源的转变也是如此，每一次能源的转换都对文明形态带来了深远影响，甚至塑造了我们的生活。
顽固的木柴
第一种能源的转变，从木柴到煤炭，这一过程代表性的发生在英国。
应该承认，能源替换本身是很简单的，但要改变人类对能源产品的使用习惯却是非常缓慢和漫长的。以煤代替木头这一过程为例，尽管煤炭深刻地触发了工业革命但仍然十分艰难促变人类的习惯。
此前，人类使用煤已经有3000多年的历史，不过一直不是主流。在主要用木头作燃料的时代，煤看起来非常不合时宜，因为获取煤炭需要特殊的技术来开采和运输，同时煤炭燃烧后的烟毒性很大。
在都铎时代的英国，人们认为木柴的烟是无害的，甚至可以加固房梁，因此，当时烟囱很少见，燃烧的黑烟直接从房间窗户冒出来。但是16世纪的伦敦，遇到了城市发展必然遇到问题：城市越来越庞大，附近的林木被砍伐殆尽，另外再加上运费增加，木柴变得非常昂贵。于是穷人们转而开始使用煤，而富人们依然抵制煤炭。
即使到了伊丽莎白时代，贵族们还是强烈反对使用煤，拥有良好教养的淑女会拒绝进入有煤炉的屋子，拒绝吃用煤做熟的食物。煤炭的囧境一直维持到伊丽莎白女王死后，煤炭才渐渐被贵族们接受。
1603年，王位传到了苏格兰国王詹姆斯一世手里。苏格兰比英格兰更早面对木柴短缺的问题，所以已经开始逐渐使用煤。当詹姆斯一世搬到伦敦的时候，王宫里就开始用煤取暖了。慢慢的，煤变得流行起来。
到了18世纪初，英格兰和威尔士的煤产量达到了每年300万吨，人均年消费量达到了半吨。一百年后，煤的产量翻了三倍。煤产量和消费量的增加得益于两种技术革新。一种是穿透深层煤矿地下水和防止矿井被水淹没的技术。在开采煤的过程中，地下水必须被抽出，为了这一目的，蒸汽机抽水机也出现了。从1561年到1668年，英国申请的专利中四分之三与煤炭工业相关，而七分之一涉及到排水技术。另一种是交通技术。相对来说，木柴很分散，可以用小拖车或者水路船只来运输，但是煤往往都集中在矿井，大规模运输需要更高效的方式。一开始，煤炭都是通过附近的港口走海运，比如，从纽卡斯尔煤矿到伦敦，在17世纪初大约有400艘运煤船，到了18世纪初增加到1400艘，而且船的规模更大。
为了运输煤，英国各地开凿了很多运河。英国铁路的建设与煤炭的运输也分不开。最初的铁路，都是为了把煤运到港口修建的，一开始是由马拉火车头，后来蒸汽机车出现。有历史学家认为，铁路完全是为了运煤而发明出来的。
在中国，利用煤炭的历史同样悠久。
第一次记录煤炭的文献是先秦时期的地理著作《山海经》，其中就有3处记录了煤炭的存在。到了西汉至魏晋南北朝，出现了一定规模的煤井和相应的采煤技术，煤的用途，不仅用作生产燃料，而且还用于冶铁。古人不仅能够利用原煤，而且还把粉煤进行成型加工成煤饼，从而提高了煤炭的使用价值。
到了隋、唐至元代，煤炭开发更为普遍，用途更加广泛，冶金、陶瓷等行业均以煤作燃料，煤炭成了市场上的主要商品，地位日益重要，人们对煤的认识更加深化。
一位西渡中国的日本和尚圆仁，在其《入唐求法巡礼行记》一书中，有一段专门关于太原西山矿区采煤及用煤的记载：“太原府.......出城西门，向西行三、四里，到石山，名为晋山。遍山有石炭，近远诸州人尽来取烧。料理饭食，极有火势。”
尽管，煤炭在中国广泛被使用，但受制于煤炭的分布和开采成本，昂贵的煤炭往往都被用于手工业生产，以及被用作其他非燃烧用途，例如煤雕艺术品、墓葬用的防水填充物。木柴也一直是中国古代能源的主要形式。真正大规模开采和使用，也是进入近代之后的事情。相比英国，中国大规模使用煤炭的历史晚了近两个世纪。
回顾煤炭取代木柴的历程，我们可以看出，在人类社会刚刚从农耕社会跨入工业化社会后，煤炭之所以能够取代木柴，是因为它能够满足“已经起飞的能源需求”，同时煤炭也相对容易获取。
短暂的“石油之变”
第二种能源的转变，从煤到石油，代表性的发生在美国。
一开始，煤的用途是代替家庭用的木柴，随后才转变成蒸汽动力，被广泛用于采矿、运输和制造业。西方学者用了一个生态学上的词来形容这一过程，既“前适应”（preadaptation）。
像煤一样，石油也有一个前适应过程。一开始，石油可以作鲸油的替代品，可以以煤油的形式用于照明。1860年的一份小册子上说：石油发出耀眼的光芒是世界上最明亮最便宜的照明，这光芒适合王宫贵族，自然也配得富商巨贾。
一开始，煤油是石油最主要的形态，也就是说用于照明，还有很少一部分石油用来提炼汽油（当时汽油主要是用于溶剂或者气化之后用于照明），另外石油的用途还包括用于润滑油、燃料油、凡士林油和石蜡。
20世纪初的美国，人们所用的燃料93%是煤。在城市里电灯取代了煤油灯，到1902年，美国共有180万盏电灯（用煤发电）。从能量密度上来说，石油比煤要大很多。不过因为石油是液体，所以煤炭更容易运输。即使到了上世纪50年代，通过油罐车或者管道运输1吨石油也比通过火车运输一吨煤要贵15%。
20世纪初，美国在得克萨斯和加利福尼亚发现了大油田。于是，美国西部和西南部的铁路立刻转向以石油为燃料，因为当地的石油比远距离运输到的煤更便宜。从1900年到1920年，美国总体的能量消耗增加了一倍，为石油提供了广阔的空间，因此也不用和煤炭工业争抢市场。
蒸汽船是石油的另一个主要市场，美国海军早在一战前就以石油为燃料，证明了石油燃料的可行性，更为私人船主做了榜样。广泛使用石油的另一个新兴市场则是石油行业本身，运输石油的油罐车和提纯石油的炼油厂都以石油为动力。当时的炼油厂消费了石油产量的10%。
值得一提的是，当时美国海军所展示的石油优势，吸引温斯顿·丘吉尔。与英国海军的传统燃料煤炭相比，石油的优点是不可比拟的。燃油锅炉可以产生更大的效率，大大提高舰艇的航速以及加速性能；与同等重量的煤相比，舰队活动半径还能增加40%；此外，舰队的海上燃料补给更为便捷，同样，还能够让多少的官兵减轻加煤作业的繁重劳动，将人力更多地投入到作战任务上去。
这些优势，让当时年仅37岁时任海军大臣的丘吉尔心动不已，最终他下决心将石油作为未来皇家海军的主要燃料。
于船舶相比，汽车的发明可以说是石油作为下一代燃料的最重要的推动力。
19世纪80年代，畜力的运用达到了顶峰，因为当时不管是地方交通还是农业区的拖车，都是要靠骡马来拉。美国人亨利·福特一开始想发明一种农用拖拉机，他在1922年出版的自传中写道：“建造一种蒸汽马车或者拖拉机是很容易的，但是我在工作中忽然意识到也许这种车可以在公路上跑，我发现，与在农场里工作的拖拉机来说，人们对路上跑的车更感兴趣。”
通过制造汽车，福特和他的竞争者们大大降低了畜力的使用。一开始汽车只有富人才开得起，后来慢慢的完全代替了马车。这一过程在上世纪20年代完成，汽车甚至成了远距离交通工具，比如火车的有力竞争对手。在汽车风靡一时的背后，汽油也找到了广阔的用武之地。
石油不仅是作为燃料，即便是石油提纯过程中产生的副产品也找到了巨大的利用空间。作为石油提纯过程中的一种副产品，沥青被用来铺设道路。到1905年，美国8%的道路变成了柏油路，而当时只有不到8万辆汽车，但当时却有300万辆各色骡马畜力车。当时同时出现的柴油机也受益于石油，因为柴油机一开始用煤炭粉末做燃料，但这些柴油机车辆行驶在路面产生的灰尘很容易弄脏地面，而且容易堵塞气缸，但后来从石油提取的另一种副产品柴油则解决了这一问题。
随着对石油各种用途和需求的诞生，石油逐渐成为最重要的能源形式之一。到了上世纪50年代，在美国总的燃料消耗中，木柴占了3.3%，天然气占了17%，煤和石油所占份额都是36%，但到了1968年，石油在美国能源结构中的比例占到了43%，超过了煤炭。
在石油取代煤炭的背后，其根本原因在于工业化已经发展到一定程度，人类社会即将由生产型社会转型为消费型社会，而石油却恰恰是消费型经济的“车轮”。在由消费主导的社会形态中，以高端服务业为代表第三产业得到了巨大的发展空间，“车轮上的经济”急切地推动着能源转型。即便，石油相比煤炭更加难以开采，分布更加有限，但由于触碰到社会发展变迁的关键点，所以石油取代煤炭的步伐如同历史之轮一样难以停歇。
未来的“人造能源”
今天，煤炭和石油在世界能源结构中的份额都在下降。尽管需求还在增长，但其所占的市场份额正以每年1.6%的速度减少。这是因为，在人类社会不计后果地在化石经济中发展了几百年之后，恶果正在浮现，由此催促着人类需要做出改变。更加清洁的能源成为了时代发展的需求。
在众多可再生清洁能源中，核能的出现极具偶然性，其最初被用来作为超级武器。
二战结束之后，美国对于核反应的研究一度停滞，因为卷入原子工业的所有人都相信，自然界中铀矿石非常罕见，除了原子武器几乎没有多余的材料用于其它用途。
在20世纪50年代，美国原子能委员会试图从煤灰中提取铀。当时美国生产的所有铀和钚都用于制造核武器。为了寻找到铀矿和发展新的勘探技术，美国政府提供了特殊津贴，这引发了新一轮淘金潮，最终美国在科罗拉多高原发现了巨大的铀矿。
核能技术发展缓慢的一个原因在于保密性。美国1946年的《原子能法案》建立了一个“美国原子能委员会”，该法案禁止在核能应用方面与任何国家交换信息，尽一切力量垄断原子能。法案规定，所有有关原子能的技术发现都是机密，直到官方宣布解禁才可以传播，泄露原子秘密的人将受到严厉处罚，最轻的也是终身监禁。而且所有的铀和钚都是政府财产。没有政府的许可，任何组织和个人都不得建造核反应堆。
不过美国在核能方面的垄断并没有持续多久。20世纪50年代，苏联宣布了核能发展计划，随后英国也建造了自己的核反应堆。面对竞争，美国人害怕被别的国家超过，于是1954年的《原子能法案》允许私人公司拥有和建造核反应堆，同时，美国政府补贴建造了世界上第一座商用核电站——6万千瓦的希平港核电站。
同一年，美国发明了为航空母舰提供动力的轻水反应堆，美国核海军之父，上将海曼·瑞克沃（Hyman Rickover ）做出了影响深远的决定：从使用金属铀转向使用氧化铀。美国1955年建造的首批鹦鹉螺号核潜艇用固体氧化铀作为动力，用水作为冷却液和缓和剂。瑞克沃的选择，给核能业带来了延续性的结果。宾西法尼亚州希平港安装的首套商业核电设备的设计形式与鹦鹉螺号潜艇上的很相似，由此也奠定了延续至今的模式。
氧化铀成了轻水反应堆的标准燃料，氧化铀浓度比不上金属铀，散热性能差。因此需要一套价格昂贵的容器、管道和阀门，同时也增加了具有放射性的蒸汽发生爆炸性外泄的风险。核能技术应该说在不断发展的，但是也有西方学者认为，不应再建设新的核电站，他们认为世上根本没有绝对不会发生事故的核能系统，因为，在半个多世纪以来的运行中，全球的核能工业经受了三次重大灾难性事故——三哩岛、切尔诺贝利、福岛——这三个名词已经成为重大工业灾难的同义词。
无论怎样，从核武器到核能，一切都源自人们得到更加强大和永续能源的愿望，但并没有真正推动人类社会实质性的变化。与此相反，可再生能源市场在过去几年迅猛增长，却再次成为一剂强大的推动力。
迫于石化能源对环境的影响，人类社会开始转向清洁能源。在2011年第一季度，美国可再生能源产能首次超过了核能。所有的迹象都表明，在未来十年，太阳能和可再生能源市场将显著增长，而核电产能则在几年内都将停留在原地。
以太阳能和风能这类可再生能源为例，人类进入了“人造能源”的时代。人类可以通过人类的智慧对所有已经发现和发明能源进行再造。例如，时下尽管煤炭在国际能源结构中越来越弱化，但未来煤炭依然可以通过新的形式获得重生，比如说接近液态的石油煤。最终无论能源以怎样的形式变化，人类利用新能源的根本目的在于通过具体的进步来平复发展过程本身所带来的痛苦，使能源更加清洁化。
而清洁能源本身不仅仅是被使用，更重要的是通过对清洁能源的使用来触动人类社会自身和其发展方式的变化。只有这些发生了真正的变化，清洁能源才真正有可能成为未来能源结构中的主体。
同样，时下的中国依然处于生产型社会之中，因此煤炭在相当长一段时间内，依然是其能源结构中的主体。未来能源结构的变迁，也必然伴随着社会的变迁。
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