能源更替：石油枯竭的后天

3．能源更替过程的脉络

人类社会的能源更替过程有着一定的脉络可循，其最基本的规律前已阐述。从最初伐薪烧炭，到后面利用氢能，人类社会所利用的能源从全部含碳到碳氢互存，再到全部含氢。逐步实现着从低品位能源向高品位能源，从低清洁能源向高清洁能源的演进过程。当氢能作为主导能源挑大粱的时代过去后，为了使能源利用过程更加清洁，人们将会利用氢的“同胞兄弟”，也即氢的同位素氘和氘元素(分别读作dao和chuan)作为能源开发的物源（见图5-1），它们的“含氢量”看起来更大，氘和氚分别被称作重氢和超重氢。这看起来是人类社会的终极选择。

所谓同位素，是指一种元索存在着质子数相同而中子数不同的几种原子。由于质子数相同，那么核电荷数和核外电子数也都是相同的，因此，同位素的化学性质是相同的；而由于中子数不同，同位素的原子量会有所差别。打个简单比方，氢、氘、氚就好比是性格上极其相似，但体重有所不同的三胞胎兄弟。如果将氢的体重比作1个单位，那么氘和氚的体重一个比一个大，分别是2个单位和3个单位，这也就是氘被称作重氢，氚被称作超重氢的原因。

相对于化石能源的有限储量，氘和氚在海洋中可以说无处不在，其含量高达几十万亿吨，几乎是无穷无尽的。氘和氚是自然界中最容易实现核聚变反应的元素，如果将海水中蕴含的氘和氚全部用于核聚变反应，其释放出的核聚变能足够人类利用上百亿年。所谓核聚变能，简而言之就是等离子态的较轻原子核聚合为一个较重原子核的变化过程中所释放出的能量。这一剧烈的能量释放过程遵守自然科学中著名的质能方程。原子弹（核裂变）、氢弹（核聚变）正是基于这一原理而成为现实的。

在进行核聚变反应时，氘和氚元素处于等离子态。我们知道，物质通常被分为固态、液态、气态三种物理状态。事实上，自然界中还存在不属于这三种状态的情形，等离子态被称作是物质的第四态，它是一种物质经过充分电离、整体呈电中性的物理状态。普通大众通常对等离子态的概念比较陌生，其印象一般是源于等离子电视的宣传或称谓。其实日常生活中经常可以接触到等离子态，只是我们不注意而已，如蜡烛的火苗、电焊的弧光等就是典型的等离子态物质。

当等离子态的氘和氚进行聚合反应时，反应温度高达几千万甚至上亿摄氏度。如果同时还具备足够长的能量约束时间及其他附加条件，这种聚变反应就可以稳定地持续进行。太阳之所以炙热无比，正源自于太阳内部无时无刻不进行着剧烈的核聚变反应；氢弹之所以威力惊人，利用的也正是核聚变反应时瞬间所产生的巨大能量。目前，全球为数不多的国家正在实施受控核聚变的前瞻性研究计划，与之相关的托卡马克系统的研制也取得了初步的进展。托卡马克系统俗称为“人造太阳”，即通过人工环境模拟太阳内部的核聚变过程，以便获得巨大的核聚变能供人类所需。如果受控核聚变的研究真正大获成功的话，则意味着人类社会不用再单靠自然界的太阳提供一切能量了，需要的时候人们可以制造出“太阳”来满足自身对能量的需求，这将一劳永逸地解决人类社会的能源短缺问题。然而，利用核聚变能的最大困难不在于实现核聚变反应，而恰恰在于实现受控。即核聚变反应瞬间所积聚的巨大能量需要按照人们的意愿缓慢释放，如在半年或一年的时间内释放完毕，这样才能达到利用的目的。否则像大自然的闪电一样，尽管瞬间产生强大电能，但同样瞬间即逝，利用价值基本上为零。如果人类利用核聚变能就像氢弹爆炸过程那么迅猛的话，这种不可控制的能量瞬间释放恐怕就不是福音了，只会给人类带来巨大的灾难。

事实上，作为“人造太阳”的托卡马克系统说起来不难理解，但实践起来却是异常困难。自从上世纪50年代托卡马克系统出现于前苏联以来，至今已经过了大半个世纪。由于认识问题的角度和理解的程度不同，圈子外的普通民众总是比较性急，认为研究人员无能，进展缓慢；圈子内的研究人员认为这已经很快了，研究进展的速度并不比高能加速器及计算机芯片领域的进展慢。在专业研究人员看来，就是这么快的发展速度，21世纪中叶以后人们才会比较务实地谈论核聚变发电的远景方案。如果说2050年实现商业化，那昕起来仍然像是天方夜谭。其开发的周期之所以比较长，原因在于，类似托卡马克系统这样的大科学工程需要足够的时间和资金投入，一代叉一代的大规模装置需要相继建造，不能跨越，更不能违背科学规律而意气用事，这种时间过程上的积累是无法逾越的。而其他如从月球上获取大量的氦-3元素，从而相对容易的实现核聚变反应，这些设想更是泛泛之谈。氦-3反应堆的等离子体参数要求比托卡马克系统更高，而且世界各国至今还未遵选出公认最佳的等离子体约束方案。至于氦-3反应堆何时真正形成气候，着实难以预料。人类现在研制的托卡马克系统还处于最初的低级阶段·其释放能量的最长时间仅为几百秒，远远达不到作为能源加以利用的时间周期要求，距离大规模商业应用更有很长的一段路要走，至少需要几十年乃至上百年的时间，核聚变能也因而被认为是遥远的能源。

从能源形态上看，人类加以利用的主导能源经历着从固态（薪柴、煤）、液态（石油）到气态（天然气、氢），将来再到等离子态（核聚变时的氘和氚）的演进和变化；我们有时甚至不得不思索是否背后有只无形的手在操控，以至于这种演进的过程看起来既按部就班，又水到渠成。如果有的话，那只能是大自然“精心设计”的巧手。

从时间上看，人类社会能源更替的时间也在加快，从薪柴过渡到煤，人类社会用了几千年；而从煤过渡到石油，用了几百年；之后的能源更替的周期就越来越短。可以说，人类社会利用能源的进程中，能源的品位、清洁度以及形态方面的演进变化预示着能源更替过程的方向指向，能源更替的时间则标记着新旧能源的生命周期，这一切构成了能源更替过程的脉络，使得我们由此可以窥知能源开发与利用过程的基本貌相。

事实上，能源利用史已经告诉我们，在通常没有外力干预的一般情况下，人类社会的能源利用体系将会呈现“固体液体气体等离子体”这样一条平稳、自然的升级过程，其显著特征就在于“脱碳化”，从最不清洁、化学结构最复杂的低效能源逐渐发展为越来越清洁、化学结构越来越简单的高效能源。我们现在所广泛利用的燃料体系尽管具有能量集中，开采方便等优点，但并非是最有效率的能量载体。其中，碳氢比是最显著的评价指标。我们知道，碳元素与氧元素反应结合过程中会释放能量，但以同等的比例来看，碳所集聚的能量实际上要比氢少，因此，当我们燃烧碳氢化合物如煤炭、石油以及天然气时，尤其是含碳量较为丰富的煤时，氢所含有的高能量部分地被碳所含有的低能量所抵消了。化石燃料所含的碳越多，它所释放的能量相对就越少。薪柴几乎全部是碳元素，因此它的能量密度很低。煤炭中所含的碳元素与氢元素的比例大致为1比1．石油中碳元素与氢元素的比例大为1比2，以甲烷(CH。)为主要成分的天然气中比例为l比4，因此，煤炭是化石燃料中能量密度最低的。如果我们完全摒弃碳而改烧纯净的氢，自然就不会出现能量抵消的现象。事实上，作为能量密度极高的燃料，氢的能量密度远高于汽油，氢所产生的能量几乎是同等质量的汽油所产生能量的三倍。这就是我们看到的基本趋势，我们也有理由坚信并坚持这一趋势。(www.chuimin.cn)

我们不妨依照上述的趋势而行，把对石油的替代作为探讨的焦点。我们知道，石油的能源替代品相当之多，如生物柴油、乙醇燃料、煤制甲醇、煤变油、二甲醚、天然气、核电、太阳能、风能、氢能等等不一而足。其实，这些替代品是良莠不齐的，我们通过上述的几条准则对这些替代品的优劣加以评判。既然能源替代过程是有方向指向的，是从左边向右边进行的。那么显然，寻找石油的替代品最好在石油的右边进行（见图4-1）。而生物柴油、乙醇燃料，煤制甲醇以及煤变油等看起来可以替代石油的新能源，其实并不符合这一要求。制造生物柴油的主要原料如油菜、大豆，制造乙醇燃料的主要原料如玉米、小麦，其本质上都是与薪柴毫无差别的陆地生物质资源。既然同类的薪柴已经被替代了，那么生物柴油、乙醇燃料反过来要替代石油显然不合时宜。煤制甲醇、煤变油这些煤化工产品也存在同样的情况，其无非是从固态变成液态，改头换面了而已，其本质上仍旧是煤，用煤替代石油显然不合时宜。

当然，不合时宜并不是说一定就不可行。生物燃料、煤化工燃料替代石油可以成为某种特定条件下的权宜之计。如在巴西这样地广人稀、生物质资源极其丰富的地区开发生物燃料，当然也就不能妄加诘责；再比如在中国这样煤炭资源相对丰富、石油资源相对短缺的国家，一定程度上开发煤化工燃料也未尝不可。但需要明确的是，这种权宜之计只能是权宜之计，决不可作为长久之策，更不能全面推而广之。否则，由此衍生而来的粮食安全、环境恶化等一系列问题将远远超出能源问题所能考量的范围。就煤变油而青，用一种不可再生资源替代另一种不可再生资源，本身就是不可取的，更不必谈及煤变油过程还需额外耗费大量的能量及水资源，排放大量的二氧化碳气体，以及对周边环境的破坏了。煤变油项目如果大规模上马，仅环保问题就成为难以承受之重，其他如经济效益、资源效益就更不必详加提及了。2008年初油价100美元／桶时，不少上马煤变油项目的投资者还徜徉在巨额收益的憧憬中,2008年来油价40美元／桶时，煤变油已处于保本甚至亏损的边缘。如果以后社会进一步发展了，要求对煤变油企业的资源损耗、环境污染、温室气体排放等方面加以约束，课以相应的税赋。这些企业看起来就没有存活之路了。

相比不可再生的煤化工燃料，生物燃料的可再生性使得其开发和利用蒙上了一层诱人的面纱。在某些时候，生物燃料的开发经常被抬高至国家战略的层面，有些时候竟与保障能源安全这样的国家利益考量相提并论。事实上，国家安全是有优先等级之分的，能源安全固然重要，但粮食安全相比能源安全则是更大的安全，这对人均资源相对贫乏的中国、印度而言尤其如此。美国地球环境研究所莱斯特·布朗先生是生物燃料的坚定怀疑论者，作为横跨环境、粮食研究领域的双料专家。上世纪90年代他曾以《谁来养活中国》 -文为中国人所熟知，该文就中国的粮食问题作出了不少有益的启示，引发了国人的警醒与深思。布朗先生之所以反对利用农作物大规模制造生物燃料，因为他深入研究过生物燃料开发与粮食供应的关系问题。其中有一条重要的研究结论：如果用粮食制造生物燃料以供汽车之需，按照美国l英亩农田所产的玉米提炼875加仑燃料乙醇的技术水平，折算后约相当于1公斤谷物对应0.3升生物燃料。那么一辆最普通的家用轿车加满一箱燃料需要耗用200公斤左右的谷物，这相当于一个成年人半年以上的口粮。若按轿车平均三天耗费一箱燃料计，则一辆轿车日均所消耗的粮食相当于26位成年人一天的口粮。换句话说，如果某个人驾生物燃料车仅出行一日，那么他就需要近一个月不进食，这样才会弥补粮食消耗之缺。可见，就燃料消耗而言，人与车根本就不在一个量级上。妄图用人吃的燃料（粮食）填满汽车的“血盆大口”，本身就是自不量力的。再深究一步，目前全球汽车饱有量已接近十亿辆之多，即使其中的一半即五亿辆汽车完全依赖生物燃料行驶，那么便相当于全世界额外增加130亿的人口来分享粮食资源。这对全球社会无疑是巨大的噩耗，对自然生态环境更是灭顶之灾。2007年美国所产玉米的25%总计约1亿吨被制成了乙醇燃料；欧洲每年用于制造生物燃料所耗费的粮食与美国相当。欧美的“汽车吃粮”相当于全球5亿人的口粮被额外消耗掉。问题是，即使美国产出的所有粮食全部转化为生物燃料，也仅够全美国不到二成的汽车所需，根本解决不了美国的液体燃料紧缺问题，反而会引发粮食大范围短缺。2005年以来全球粮食价格一路攀升，生物燃料的大规模开发被认为是罪魁祸首之一。因此，有联合国官员才义正词严地抨击说，使用粮食生产汽车燃料是一项“反人类的罪行”。

另外，即使小范围开发生物燃料，同样也存在不少问题。不考虑石油价格波动带来的价格风险及经济效益问题，仅就资源效益而言，有时候用农作物制造生物燃料就看起来得不偿失。万物生长靠太阳，生物能源的本源就是太阳能。农作物通过光合作用将吸收的太阳能转化成体内的化学能贮存起来，生物燃料开发利用的正是这种化学能。去除能量转化过程中的散失与损耗，最终真正可资利用的太阳能少之又少，与其这样辗转迂回地利用太阳能，反倒不如直接利用太阳能——如同太阳能热水器、太阳能光伏发电等方式——那样更便捷，收效也会更高一些。我们以大豆造生物柴油为例，考虑到大豆种植与收割过程人力与机械的能耗；化肥与农药制造过程的能耗；大豆装卸与运输过程的能耗，大豆制造生物柴油过程的能耗，最终收获的生物柴油中所蕴含的能量几乎等同于整个过程耗费的能量。有时甚至能量收支还难以相抵，因为这还没有考虑土地资源与水资源、土壤肥力、气候状况、采收条件等多种自然因素，如果由于上述某些原因导致大豆歉收，那么收支不抵就太正常不过了。为了赖以生存的口粮，人类的农业耕作无论多么兢兢业业也不为过。但问题是如果仅为汽车加油，那绝对要画上一个大问号。这样做是否值得？想必明眼人心中早已有谱了。事实上，不仅粮食类生物燃料的开发会遇到上述一系列问题，开发非粮食作物的生物燃料也同样如此，至少土地资源是需要考虑的重要约束条件。古希腊哲学家普罗泰戈拉最早提出了以人为本的思想理念，现代社会更是对此推崇备至。那么在能源利用领域，避免“人车争地、人车争食”就是贯彻这一理念的直观体现。从某种意义上说，生物燃料就像是装在新能源瓶子里的旧酒，尽管外表看起来光鲜亮丽，但真正品起来并不一定香醇可口。

如果说煤变油、豆变油还有一定科学依据的话，那么“水变油”听起来就比较离奇，细想起来就更是离谱了。但就是这样离谱的事情竟然在上世纪90年代初的中国被炒得沸沸扬扬，以至于满城风雨。一些国家级的报纸也连篇累牍地予以了正面报道，甚至称其为中国第五大发明，加之一些记者身临其境，煞有其事的现场描述，许多读者面对这些消息往往不明就里，不由得不信服，甚至振奋不已；一些投资商更是心血来潮，纷纷改弦易辙，上马“水变油”这～“朝阳项目”。当然，最终的结果可想而知，水变油事件后来“荣列”中国“十大伪科学事件”之首。许多介入水变油项目的资金这回真真正正是打了水漂，只不过泛起的不是水花，而是几星油花而已。对于那些现场进行采访报道的记者而言，如果说他们主观上没有参与整个事件的动机，还不能称为元凶的话，那么他们客观上已然成为了这一伪科学事件的“托儿”，起到了推波助澜的帮凶作用。这一方面说明了这些记者在新闻报道上求新、求功心切，另一方面也凸显了新闻从业者科学素养的不足。回过头来看，水变油事件一开始就展现了参与各方的知情与蒙昧、冲动与无知，而恰恰是他们合伙上演了这场不折不扣的闹剧。

其实，稍微了解能源替代的规律，便可以轻而易举地挑出水变油过程的破绽，这对判断整个事件的真伪十分有效。即使受认知能力所限，只能暂时判别个大概端倪，但也至少不会对水变油项目深信不疑了。

我们知道，油主要是以碳氢元素为主的混合物，是含有高能量的合能体能源。所谓合能体能源，简而言之就是自身可储能的能源。薪柴、煤炭、天然气、氢气都是含化学能的台能体能源。雨水由氢氧两种元素组成，它是氢氧元素化学能平衡的产物，也即水中不含额外的能量，简单理解为非合能体。试想，如果将不含能量的水变成高能量的油，那么需要补充多少能量才可以成行呢？代价一定是不菲的，绝不是那些现场记者所目睹的那样，仅向水里添加少量化学试剂那么简单了事。况且，能源替代规律已经清楚地表明，替代能源的含碳量是逐步减少的，人类社会的能源利用史是脱碳的历史。水中不含碳元素，而油里富含碳元素。将不含碳的水变成富含碳的油，这种变化过程事实上是逆能源利用的历史潮流而动。即使一时得逞，但最终注定也要失败。

再者，水也不可能变成油。因为水中不含有碳元素，无论如何进行多复杂的化学反应，也不可能变出含有碳元素的油来。如果这种变化过程能成功，那意味着对拉瓦锡、门捷列夫等一批大科学家几百年来创立的化学科学体系的彻底颠覆，而我们现有的化学理论体系也要推倒重来。这显然不可能，可能的反倒是用水来制氢气，低成本的水变氢工艺一直为科学家们所孜孜以求，是最能体现创新价值和科技含量的研究领域。道理很简单，既然氢氧燃烧结合咸水的过程会释放出巨大的能量，那么想人为地将其拆开，不费一番代价是不可能的。

水变氢，高科技；水变油，伪科学，真理与谬误的距离有时就一字之隔。