8 化石燃料#

我们现在准备进入本书的核心内容：评估全球能源需求和前景。在人类历史的大部分时间里，我们使用的能量来自食物驱动的人和家畜的肌肉力量，以及燃烧木柴、利用风力和水流（所有这些都来自太阳能）。后来，一件最了不起的事情发生了：化石燃料的发现和广泛利用。化石燃料所提供的丰富能源深刻地改变了人类的生存条件，因此，对于生活在 200 年甚至 100 年前的人来说，我们现代世界的许多事物就像是魔术。

化石燃料仍然完全主导着我们的能源体系。每个国家都在一定程度上依赖化石燃料，尤其是在交通方面。尽管化石燃料不可能成为我们的未来──因为有限的资源会枯竭以及气候变化问题── 但至关重要的是，我们必须审视这些现代生活的支柱，评估是什么让它们既神奇又可怕，以及我们对未来的期望。正视化石燃料这一严峻而又未被充分认识的现实，将使我们更加渴望了解化石燃料的未来，这也是后续章节所要讨论的内容。

8.1 有史以来最重要的图示#

到目前为止，我们已经从宏观角度审视了人类的努力。首先，我们从物质和经济的角度论证了持续增长的荒谬性，得出的结论是：增长必然只能是一个暂时阶段，不可能无限期地持续下去。接下来，我们考察了人口的现实状况，以了解这个故事可能如何演变。然后，我们研究了宇宙的尺度，看到地球在浩瀚虚空中是何等渺小，并探讨了殖民外星的极端困难── 从而将重点转向应对我们在地球上所面临的挑战。

为了说明化石燃料在过去和现在究竟有多重要，在深入探讨化石燃料的具体细节之前，我们再次从宏观视角审视人类的能源发展轨迹。这幅图景有可能重塑一个人对未来的看法。

如果你能亲手参与，效果可能会更有冲击力。因此，找一些纸、信封背面或者其他什么，画一条横轴作为时间轴。左边缘标注为 -10,000 年（过去），右边缘标注为 +10,000 年（未来），中间为 0（现在；参见页边的示例）。纵轴代表全球能源产量，以线性比例表示。在很长一段时期内，这个数值小得根本看不清，直到大约 200 年前才变得清晰可见。因此，在从 -10,000 到 0 的前 98% 范围内，画一条紧贴横轴的线。过去的 200 年间，能源使用呈指数增长 ¹ ¹一条平滑的曲线从底部抬升而起，并以近乎垂直的轨迹急速上扬。。因此，画一条陡峭上升的曲线，从之前画的线到当前（图的中间位置）的部分，利用大部分甚至全部可用的纵向空间。

这就是经典的「曲球棍」图，适用于我们世界的许多物理属性：人口、二氧化碳、温度，以及目前的能源使用。在曲线漫长的平直部分，我们的能源来自木柴和肌肉（包括动物和人类的劳动）。然而，突然发生的变革性增长实质上都是化石燃料。即使在今天，在水电、核能、太阳能、风能、地热能和潮汐能的共同贡献下，化石燃料仍然占总量的 80% 以上 ² ²实际情况比听起来还要糟糕，因为还有 10% 以生物质形式存在，其中大部分是技术落后的木柴，只剩下 10% 是水能、核能、太阳能、风能、地热能和潮汐能等更现代的形式。。

让我们继续以化石燃料为背景进行分析。化石燃料是有限资源，因此我们大致知道其曲线应该是什么样：它必须回落到零，并像过去一样向未来延伸，直到零。人们可能争论化石燃料使用量达到峰值的确切时间，但由于种种原因，我们完全有理由将其定在本世纪的某个时候。如果你想让曲线在下降之前再攀升一些，这取决于个人偏好，但不要走得太远──到本世纪末，从 0 到 +10,000 的距离只占 1%，所以不要让峰值偏离曲线中间太远。一旦转为下降，曲线很可能呈现相当对称的形态，在相对短暂的时间内回到零点并保持在那里。

无论个人选择如何，只要保持理性，我们都会看到相同的基本图景（如图 8.1 所示）：化石燃料只是在与历史相关联的时间尺度上的一个小插曲。我们生活在一个极不寻常的时代 ³ ³社会科学家在学术训练中被要求不将自己所处的时代标记为「反常」，因为这种想法可能反映了一种任何历史时期的人们都容易陷入的草率偏见。然而，我们也不应该断言反常时期永远不会发生。任何对当下人类规模及地球资源影响的定量评估都表明，我们有理由破例，将当前时代视为一个例外。。由于这种上升趋势已经持续了几代人，因此对大多数人来说，这似乎是司空见惯的── 这是我们或我们遇到的任何人所了解的唯一现实。正如缺乏生活经验的儿童会认为他们的生活环境是正常的，无论多么贫困或优越──那是他们唯一知道或见过的世界。同样，我们接受并将当前的世界定义为正常── 即使历史的视角最终会认为，过去的一两个世纪是人类经历中最疯狂的不寻常时期，就像一场烟花秀。

../_images/fig8-1.png — **图 8.1:** 化石能源的历史。直到现在，化石燃料仍是人类能源的主要来源。我们也知道，从长远来看，人类的能源应该是什么样的。最大的问题是，在化石燃料耗尽或废弃之后，人类历史的后半段会是什么样子。根据本章后面提到的文献，黄色星标是我们对目前状况的一种猜测，表明资源几乎耗尽了一半。#

图 8.1 应该会激发出一系列问题。我们在曲线的哪个位置？何时达到峰值？下降阶段的标志是能源匮乏加剧，还是可再生能源未来的到来？与现在相比，遥远的未来是否更像过去（肌肉和木柴）？这些情形是否会改变我们对世界的理解以及对未来的规划？唯一明确的结论是，我们真的不知道未来会如何发展 ⁴ ⁴不过，我们可以排除某些可能性，比如无限增长，以及化石燃料还能再持续几个世纪。。我们可以把左边标注为「肌肉和木柴」，把尖峰标注为化石燃料，但右边只能是一个巨大的问号。

图 8.1 的构思并非本教科书的原创，在过去半个多世纪里，它曾以不同的形式出现过 [36]。当有人声称他们认为到本世纪末会发生什么时，请想想这幅图。我们的许多假设都是基于最近的、[36]: Hubbert (1962), “Energy resources: a report to the Committee on Natural Resources of the National Academy of Sciences;NationalResearchCouncil”异常的过去。在定义未来时，一切皆有可能。从某种意义上说，那些正确地指出我们不能指望自己有足够的智慧来预见未来的人是对的── 但也许以一种无意的对称方式：未来可能比我们目前的梦想更加令人沮丧。这也会让许多人大吃一惊。我们需要以谦卑的态度对待未来，抛开对事物发展方向的先入为主的观念，这样我们现在才能做出选择，帮助确定未来的发展方向。想当然是冒险之举 ⁵ ⁵从这个意义上说，认真对待风险恰恰符合「保守」一词的定义，即便当前的政治派别在这方面被贴错了标签。。只有承认可能出现灾难性的结果，我们才能采取措施降低这种可能性。放弃是我们可能做出的最危险的举动。

Box 8.1: 可再生资源能拯救我们吗？

在图 8.1 中，化石燃料能源必须回到工业化前的水平，但这并不意味着人类社会必须回到工业化前的能源水平。毕竟，我们现在可以利用太阳能、风能、核能和水能。然而，仅靠这些资源，我们很难达到今天的能源水平。更令人不安的是，在没有化石燃料的世界里，我们可能无法维持高科技水平。目前还没有人能证明这是可行的。此外，在没有做好充分准备的情况下失去如此重要的资源，可能会损害我们的能力。简而言之：我们真的不知道。图 8.1 中的问号是我们能做出的最诚实的陈述。

请注意，图 8.1 并非要预测未来的发展方向。但是，它可以提供一个理智的检验，让我们承认自己真的不知道，从而抵消人们对技术奇迹般未来的普遍乐观情绪。说自己不知道未来会发生什么，这怎么会错呢？然而，伴随这种不确定性的是一线希望：如果未来如此不确定、没有既定剧本，那么也许我们有能力编写剧本，让自己走上一条可行且美好的未来之路。如果我们选择这样做，最重要的是在这个过程中不要无视大自然施加的限制。

8.2 概述：煤、石油和天然气#

化石燃料主要有三种形式：煤、石油和天然气 ⁶ ⁶将化石燃料的三种形态理解为固体（煤）、液体（石油）和气体（天然气）。。它们本质上是古代太阳能的一种形式── 植物将其捕获并储存为化学能，在地下封存了数百万年 ⁷ ⁷正是在这个意义上，「化石」一词才是恰当的：即埋藏在地下的古老生命残骸。。化石燃料的零星、低水平使用可以追溯到几千年前，但现代化石燃料的真正利用始于十八世纪的英国煤炭。图 8.2 清楚地表明，直到 19 世纪中期工业化开始起步，煤炭的使用才真正兴起。人们可能怀疑化石燃料使用量的增加只是人口增长的反映，但事实证明并非如此。图 8.2 右侧用全球人口数量除以化石燃料使用量，可以看出在这一时期人均能源使用量也在急剧上升，因此左侧面板中的指数现象是人口数量增加和人均使用量增加的综合结果── 更多的人口加上更多的人均用量。如今，全球化石燃料的平均使用率略高于人均 2000 瓦 ⁸ ⁸所有这些能源都很早之前就被使用过，但规模微不足道。天然气大约在 1920 年左右开始比较有规模的使用，但直到 50 年后管道基础设施建成之后，才开始被大量使用。。从图 8.2 中我们可以看出，煤炭的真正增长始于 1850 年左右，石油始于 1915 年左右，天然气始于 1970 年左右 ⁹ ⁹15 TW 的化石燃料使用量除以近 80 亿人口，大约相当于每人 2000 W。相比之下，美国的总能耗为每人 10000 W。。

8.2.1 煤#

煤看起来像黑色岩石，是植物物质沉积后的残余物，先变成泥炭，再经过掩埋、加热和压缩，形成一种以碳为主的物质，可以与氧气燃烧产生热量。热量可以用来制造蒸汽，然后驱动机械或涡轮机，从而产生电力 ¹⁰ ¹⁰参见第 6 章。。热量也可直接用于材料加工，如在高炉中制造钢水。

../_images/fig8-2.png — **图 8.2:** 全球化石燃料的历史使用量，可视为图 8.1 中峰值左侧的放大图。三种燃料叠加在一起，因此天然气的贡献最小，而不是最大。左侧是以 TW 为单位的原始用量，右侧是人均用量，这表明左侧的上升不仅仅是人口增长的反映 [15]。#

十八世纪末，煤炭开启了工业革命 ¹¹ ¹¹历史或许会将这一时期重新命名为「化石燃料革命」。的大门，使机车（火车）、机械化制造、大规模材料加工和加热应用成为可能。有点循环论证意味的是，蒸汽机 ¹² ¹²第一个被广泛采用的蒸汽机设计归功于詹姆斯·瓦特，功率单位的名称正是源自于他。的第一个主要用途是在煤矿中抽水，以加速煤炭的开采。这一事实进一步凸显出，工业革命从一开始就以化石燃料资源为核心。

如今，在美国，煤炭占能源消费总量的 13% ¹³ ¹³见图 7.4，比 2000 年 ¹⁴ ¹⁴正如第 7 章所讨论的，美国煤炭使用量的下降主要是因为电力领域越来越依赖天然气。的 23% 大幅下降。就全球而言，煤炭仍占一次能源使用 ¹⁵ ¹⁵见图 7.7量的 25%。美国绝大部分煤炭（91%）用于发电，其余用于需要大量热量的工业生产。煤的质量差别很大。表 8.1 列出了四大类煤炭的特性。无烟煤是煤中之王，但现阶段已基本消耗殆尽。能量含量较低的煤种含有较多的不可燃物质 ¹⁶ ¹⁶也被称为「灰分」和「挥发分」。，如 SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃ 和水。

**表 8.1:** 煤炭分为四个等级，能量含量和价值依次递减。无烟煤已基本耗尽，如今已难得一见。[37, 38]#
品级	含碳量(%)	能量密度(kcal/g)
无烟煤	86-97	6-8
烟煤	45-86	5.5-8
亚烟煤	35-45	4.5-6.5
褐煤	25-35	2.5-5

8.2.3 天然气#

天然气是许多人熟悉的家庭热源（炉灶、热水器、暖气），但也是电力生产和工业加工的主要能源（通常用于炉窑的直接加热）。通过哈伯（Haber）工艺，天然气还被广泛用于化肥生产 ³⁰ ³⁰哈伯法利用甲烷（CH₄）中能量成本低廉的氢气来生产氨（NH₃），氨是富氮肥料的主要成分。。

天然气的主要成分是甲烷（CH₄）。其形成过程与石油类似，但发生在地下更深处、压力更高的环境中，长链碳氢化合物被分解成单碳的甲烷分子。我们发现天然气被困在地下储层中，通常位于石油矿藏之上（图 8.5）。因此，石油钻探作业通常也会产出天然气 ³¹ ³¹除非钻井现场已铺设天然气管道，否则天然气会因体积过于庞大而无法被容纳或储存，因此通常会在井口被燃烧掉（浪费掉）。。钻井后，天然气往往会自由流出，因为它处于高压之下，不像石油那样具有粘性。天然气的首次商业应用始于 1821 年纽约的一口天然气井，随后于 1836 年在费城铺设了用于街道照明的管道。与煤炭或石油相比，天然气的密度较低 ³² ³²……因为它是气态的。，因此收集、储存和运输通常并不现实，这强烈支持使用管道基础设施来输送天然气。由于缺乏管道基础设施，天然气的广泛使用一直推迟到 1970 年左右。也可以将天然气液化（称为液化天然气，LNG），方法是将天然气冷却到摄氏零下 160 度，然后用低温容器储存和运输。

天然气占美国能源消耗的 31%，占全球能源消耗的 22% ³³ ³³见图 7.4和图 7.7。由于向消费者输送天然气需要管道基础设施，偏远地区通常无法利用这一资源。与煤炭或石油相比，美国天然气的用途更加多样化：35% 用于发电， 34% 用于工业，29% 用于住宅和商业供暖。 ³⁴ ³⁴见图 7.2

8.3 化学能#

当可燃物质在有氧气的情况下被点燃时，化学能会以热能的形式释放出来。附录 B 中的 B.3 节提供了一些背景知识。

化石燃料的化学原理都是一样的。煤、甲烷和辛烷 ³⁵ ³⁵汽油——从石油中提取的主要产品——是中等长度碳氢链的混合物，通常用辛烷作为石油的一个合适代表。的三个关键反应式为：

上述能量表示每克燃料 ³⁶ ³⁶不计氧；仅指碳基燃料。输入可获得的总能量。表 8.2 提供了化石燃料燃烧的几个关键属性。能量密度（单位为千焦/克，通常也用千卡/克）是衡量燃料有效性的重要指标。以千卡/克为单位，我们可以与美国的食品标签进行比较：脂肪约为 9 千卡/克，化石燃料和食物都是一种化学储存形式，其来源最终可追溯至植物中的光合作用。而碳水化合物和蛋白质约为 4 千卡/克。

**表 8.2:** 化石燃料的燃烧特性#
燃料	典型化学式	摩尔质量	kJ/mol	kJ/g	kcal/g
煤	C	12	393.5	32.8	7.8
天然气	CH₄	16	890.3	55.6	13.3
石油	C₈H₁₈	114	5471	48.0	11.5

请注意，化石燃料更像脂肪（接近 10 千卡/克），而不是碳水化合物（4 千卡/克） ³⁷ ³⁷理解这一点最简单的方式是：碳水化合物（如葡萄糖 C₆H₁₂O₆）的分子中已经含有氧，从某种意义上说，它们已经与氧发生了“半“反应（燃烧），详见附录 B.3 节的解释。。

³⁸C₆H₂(NO₂)₃CH₃³⁹爆炸过于迅速且剧烈，无法从周围空气中获取氧气。⁴⁰但氢气既体积庞大又高度易燃，以气态储存非常危险（参见兴登堡号），因此，别太激动。

Box 8.2: 顶级的能量密度

为了正确看待这些能量密度，并体会化石燃料有多么神奇，请看炸药 TNT ³⁸ ³⁸C₆H₂(NO₂)₃CH₃ 的能量密度，仅为 1.0 千卡/克。但与 TNT 的比较并不公平，因为炸药自身必须携带氧化剂 ³⁹ ³⁹爆炸过于迅速且剧烈，无法从周围空气中获取氧气。。氢气的化学能密度为 34 千卡/克，位居榜首，这是因为氢是一种轻原子 ⁴⁰ ⁴⁰但氢气既体积庞大又高度易燃，以气态储存非常危险（参见兴登堡号），因此，别太激动。。如果像火箭那样必须同时携带氧化剂，那就不那么公平了── 氢气加氧气的能量密度就会降低到 3.8 千卡/克。因此，火箭燃料和炸药一般都在几千卡/克的范围内。除了氢气，很少有化合物的能量密度超过甲烷。因此，粗略地说，15 千卡/克大约是化学能标尺的最高值。

8.4 化石燃料的利与弊#

**表 8.3:** 常见能源物质的能量密度。特斯拉的 Powerwall 代表了现有的锂离子电池能力。碱性电池是人们熟悉的 AA 或 AAA 电池，铅酸电池则是大多数汽车中使用的 12 伏电池。对于水力发电，假设大坝高度为 50 米。#
Substance	kcal/g
汽油	11
脂肪（食物）	9
碳水化合物	4
火箭燃料	4
TNT 炸药	1
碱性电池	0.11
Tesla Powerwall	0.10
铅酸电池	0.03
水力发电 (50 m)	0.0001

8.4.1 美妙之处#

能量密度：我们在第 8.3 节中看到，化石燃料的能量密度相当可观── 大约是化学所能提供的最好水平。任何超过 10 千卡/克的物质在能量上都是「超级食物」。表 8.3 将化石燃料与其他物质进行了比较，从中我们可以看出，化石燃料的能量密度比电池储能高出两个数量级。

安全：化石燃料的能量密度比炸药大，却不怎么容易爆炸！化石燃料的安全性是一大卖点。当然，汽油可以燃烧，但真正燃烧的是与氧气混合的蒸汽。如果你（愚蠢地；请不要这样做！）把火柴扔到一碗汽油上，你肯定会看到一些热闹的火焰，但汽油不会爆炸 ⁴¹ ⁴¹不考虑娱乐业为我们准备的戏剧性场面。。只有液面上方的蒸汽会着火。想想你一生中见过多少汽车，其中又有多少爆炸过。你见过多少辆失事的汽车，其中又有多少辆发生了爆炸？汽油爆炸事故并非不可能发生，但非常罕见。

便宜：化石燃料是地球上生物和地质过程的副产品。它们基本上是免费的── 至少我们历来认为自然资源是可以随意攫取的。它们有多便宜？以 15 美元/小时的价格雇佣一名体力劳动者，每周工作 40 小时，输出 100 瓦的机械功率（例如挖掘），一周的成本为 600 美元。以这个价格计算，我们可以获得 4 千瓦时的工作。以电费计算，同样 4 千瓦时的电量在通常情况下仅需 0.6 美元（比人力便宜 1000 倍）。汽油一加仑含 37 千瓦时能量，价格为 4 美元，4 千瓦时只需 0.43 美元。效率差异和机器的成本也应考虑，但比较的结果应该足够清楚了。

完美储存：实际上，化石燃料是一种长期储存的古代阳光，这些阳光被植物物质捕获（有时通过动物摄取），最终以化学能的形式被埋藏在地下。与充电电池、飞轮，甚至水力发电水库（抽水蓄能）等其他储存形式相比，化石燃料的优越性令人震惊。化石燃料矿藏已有数千万年甚至数亿年的历史。试着找找能保持这么久电量的电池吧！看似永久性的人造水坝和水库也不可能维持如此长的时间，哪怕是千分之一。再加上化石燃料优越的能量密度，化石燃料也许是除原子核材料之外，我们能利用的最好的能源储存方式。

粮食生产：农业绿色革命依赖化石燃料。化石燃料不仅为机械化耕作提供了动力（翻耕更大的土地、快速收割和加工农作物），而且最重要的化肥也来自天然气 ⁴² ⁴²甲烷（CH₄）为制取氨（NH₃）提供了能量上有利的氢源，而氨是将氮输送到植物的一种方式（称为哈伯法）。水（H₂O）看似是更显而易见且储量丰富的氢源，但在此情况下，需要注入大量能量才能提取出氢。相比之下，甲烷更容易释放出其中的氢。。

技术催化剂：化石燃料为广泛的机械化和电气化打开了大门，彻底改变了我们的生活方式。尽管化石燃料发挥了核心作用，但我们很难说，如果没有化石燃料，我们今天享受的许多福利── 无论是医疗保健、技术、科学知识还是舒适的生活水准──都是不可能实现的。我们在这个世界上所庆祝的许多事物，都是在化石燃料的支持下才成为可能的。

8.4.2 可怕之处#

气候变化：没有什么是免费的。化石燃料也带来了许多弊端。如今，许多人最关心的问题就是气候变化，因为二氧化碳的排放是燃烧不可避免的后果（公式 8.1）。从化石燃料中提取能源，别无选择，只能接受大量的二氧化碳作为副产品。我们将在第 9 章讨论气候变化的细节，这里只是简单来说。大气中二氧化碳的增加，改变了地表通过大气向太空辐射热量的效率，从而改变了地球的平衡温度。人们对这一物理机制非常了解，而化石燃料燃烧产生的二氧化碳量，足以解释大气中二氧化碳的增加。不那么确定的是，复杂、非线性、相互关联的气候系统将如何反应，以及加剧问题的正反馈，是否会压倒抑制后果的负反馈 ⁴³ ⁴³所有证据都表明，正反馈占主导地位。。与此同时，化石燃料给我们带来了一个全球规模的问题，其严重程度尚不确定，最终可能会让我们和其他物种付出惨重的代价。

人口助推器：人类对地球的人口压力，也通过农业机械化和化肥原料（绿色革命）追溯到化石燃料。由于许多新的全球性挑战──森林砍伐、渔业崩溃、物种减少、气候变化── 都与人口息息相关，也许所有这些弊端都可以归咎于化石燃料──因为如果我们从未发现或利用化石燃料，这些问题恐怕不会以目前的规模存在。

军事冲突：化石燃料是如此珍贵的资源，以至于资源的获取和控制在许多武装冲突中发挥了关键作用。换句话说，有多少人因为争夺这些珍贵资源而丧生？中东地区是世界上石油资源最丰富的地区，很难将中东地区错综复杂的关系与这一事实割裂开来 ⁴⁴ ⁴⁴缺乏重要资源的国家和地区，从发达国家获得的关注要少得多。。

环境污染：开采化石燃料对环境造成的破坏性影响是相当大的。我们曾目睹油轮失事，给海滩和野生动物涂上焦油污泥。2010 年「深水地平线」钻井平台故障将大量石油喷入海洋。煤炭开采削平山头，尾矿污染当地水源。水力压裂会污染地下水。天然气井──包括压裂现场── 经常向大气中泄漏甲烷，甲烷作为温室气体 ⁴⁵ ⁴⁵这就是为什么在缺乏管道基础设施的钻井现场，通常会将天然气燃烧掉，而不是让它以甲烷的形式直接逸出。尽管甲烷在大气中的存留时间不如二氧化碳长。，在短期内其增温效应是二氧化碳的 80 倍。

药物成瘾：最后，化石燃料是有限的这一事实本身，可能被视为一个严重的负面因素。诚然，取之不尽、用之不竭的化石燃料将对气候变化问题产生毁灭性影响。撇开这一点不谈，化石燃料的馈赠也许应被视为一种诱饵和骗局。我们完全是在化石燃料廉价可用的背景下发展到今天的，我们根本不知道在后化石燃料世界，我们能否继续以类似的标准生活。化石燃料已经持续了足够长的时间（几代人），以至于看起来很平常。我们认为它们是理所当然的，并没有为一个没有这些关键资源的可行世界制定总体规划。没有石油，航空旅行、远洋航运、铁路和长途卡车 ⁴⁶ ⁴⁶所有这些运输方式都难以通过电力驱动来实现（参见附录 D.3 节），而它们对我们的消费品制造、全球供应链至关重要。，运输将如何进行？目前的情况岌岌可危。未能为后化石世界做出明智的规划，本身并不是化石燃料的过错。但是，化石燃料恰好在地球上提供了足够大的资源量── 足以对气候造成危害，也足以让我们陷入自满。如果化石燃料的数量少得多，我们就不太可能落入这个陷阱 ⁴⁷ ⁴⁷同理，如果我们继承的（化石燃料）遗产要少得多，我们也不太可能达到今天这样的技术水平。。这就是第 2 章中提到的「从帽子里蹦出来的兔子」：只要得到一只兔子，我们就会期待永远有兔子。

8.4.3 利弊相抵之后呢？#

化石燃料对人类的净影响是正面还是负面，可能无法回答（表 8.4 是前两个小节的总结）。化石燃料通过改善技术和医疗保健挽救了多少生命？冲突、污染和交通事故又夺走了多少生命？通过农业生产力的大幅提高──以及通过更好的医疗保健──它「创造」了多少生命？它直接通过开采导致栖息地丧失，又通过提高农业生产率间接推动人口增长，从而毁灭了多少物种？有时，我们甚至很难决定把这些影响归为哪一类。例如，在时间的长河中，我们是否会认为化石燃料「创造」的所有生命都是好事？如果结果是过剩、崩溃和数十亿人前所未有的苦难，那么也许不是。这真是一团混沌。

从本质上讲，人类正在无计划地在地球上进行一场全球规模的未经授权的实验。这样的事情从未发生过，所以我们不知道结果会如何。我们有大量证据表明，过去的文明曾过度扩张并最终崩溃[41]，但我们无法找到一个合适的类比来成功驾驭化石燃料现象。与此同时，[41]: Diamond (2005), Collapse: How Societies Choose to Fail or Succeed许多迹象表明我们有理由对此表示严重关切。

8.5 化石燃料的未来#

8.5.1 几种情景#

图 8.1 挑衅性地断言，化石燃料的使用量必须在相对较短的时间内（一两个世纪内）降至基本为零。这一事实本身并不能将我们的未来定义为悲惨或辉煌，但考虑到化石燃料在我们取得今天成就的过程中，发挥了根本性的重要作用，我们需要仔细思考这一问题。这几项并非严格互斥，因此某些组合也是可能的。零化石燃料的回归可以有多种形式：

我们发现了一种新的廉价能源，这种能源尚未为人所知，也未得到重视，但却能改变游戏规则，从而迅速放弃仍留在地下的化石燃料。
已知的可再生能源（太阳能、风能）被开发到有效优于化石燃料的程度，这样，在化石燃料真正耗尽之前，市场力量自然会让我们放弃化石燃料。
对气候变化的担忧导致在政治上对使用化石燃料实施财政抑制，从而使我们放弃使用化石燃料── 尽管成本可能更高，在政治上会引起争议，而且不会在全球范围内采用。
化石燃料开采难度的增加导致其价格上涨，最终迫使市场接受更不方便、更昂贵的能源形式。
我们无法找到合适的替代品来替代这种珍贵而独特的资源，因此全球地缘政治越来越以争夺剩余燃料为中心，很可能引发破坏性的资源战争。
也许与前一点一起，社会慢慢地陷入能源匮乏的状态，农业能力下降，地球上的人口数量和生活水平下降。

我们无法预测这些路径中的哪一条会出现，但不难在现实中发现其中任何一种说法的拥护者。本书第三部分涉及化石燃料的替代品，第 17 章总结了各种替代品面临的实际挑战。由此得出的一个认识是，化石燃料在一系列考量因素上都击败了替代品，并且差距很明显。如果不是因为供应有限和气候问题，我们就没有动力去采用成本更高、性能更差的替代能源。但我们还是应该先简单了解一下，未来开采化石燃料的前景。物质资源的局限性会有多大？

8.5.2 时间尺度#

评估资源可用性时间尺度的最简单方法是 R/P 比率：储量与产量 ⁴⁸ ⁴⁸在此处，「生产」指的是「从地下获取」，而非人工制造。之比。这个概念非常直观：如果你的银行账户里有 10,000 美元，并且每月倾向于花费 1,000 美元用于生活开支，那么你可以预测，如果没有额外的收入，你将能够使用 10 个月。因此，如果我们有了地下剩余资源的估计值和当前的使用率，我们只需除法计算就可以得到一个时间尺度。

表 8.5 列出了三种化石燃料在全球和美国的探明储量、全球迄今为止的估计使用量、消耗率 ⁴⁹ ⁴⁹消费与生产本质上是一回事：不存在库存积压。以及 R/P 比率给出的时间尺度。

../_images/tab8-5.png — **表 8.5:** 全球及美国（若仅依赖国内供应）已探明储量、使用率及剩余时间汇总[42, 43, 44]。石油以十亿桶（Gbbl；10⁹桶）计量，天然气以万亿立方米（Tcm；10¹²立方米）计量，煤炭以十亿吨（Gt；10¹²千克；注意 1 t=1000 kg）计量。#

全世界已经消耗了 1.5 万亿桶石油，与 1.7 万亿桶的探明储量几乎相等，这表明我们的石油资源已经消耗了一半左右 ⁵⁰ ⁵⁰这是我们可能正接近图 8.1 中对称曲线峰顶的一个理由。。当然，我们可以预期会有更多的资源被发现，并增加到已探明储量中 ⁵¹ ⁵¹此外，技术进步可以使以前不具开采可行性的资源变得可用，从而增加储量。，但现在全球的勘探已经相当深入，我们不会期待出现巨大的惊喜，比如另一个隐藏在中东地区的大型石油矿藏。请注意，就天然气而言，美国的估计总资源量（我们认为在已探明储量之外还可能发现的资源量）约为 55 Tcm，可供使用 60 多年 ⁵² ⁵²由于天然气更难运输，并且通常通过管道输送，因此国内供应对天然气而言比对全球交易的石油资源更为重要。。

由于每种化石燃料使用的单位不同，因此很难直接比较三种形式的剩余资源。不过，我们可以用能量单位来比较。这样，全球石油、天然气和煤炭的剩余储量分别相当于 10、8 和 20 ZJ ⁵³ ⁵³ZJ 是泽塔焦耳，即 10²¹ 焦耳。。到目前为止，我们已经消耗了 8、4 和 8 ZJ 的石油、天然气和煤（表 8.6）。这些是表 8.5 中估计消耗率的基础。其中石油和天然气的剩余能量大致相当，而煤炭的剩余能量大约是石油和天然气的两倍。

**表 8.6:** 以能量单位计的已探明储量和已使用量#
化石燃料	已探明 10²¹ J	已使用 10²¹ J
煤炭	20	8
石油	10	8
天然气	8	4

因此，煤炭 ⁵⁴ ⁵⁴煤炭储量估算[44]分为高品质的无烟煤和烟煤（约 7 kcal/g），以及次烟煤和褐煤（约 4.5 kcal/g）两类，总量分别为 480 Gt 和 430 Gt。（见表 8.1）似乎是我们最丰富的化石燃料，但有两点需要补充。首先，就二氧化碳排放量而言，煤炭是最严重的污染源，每单位能源的二氧化碳排放量，大约是其他化石燃料的两倍（见第 9 章）。其次，要谨慎相信煤炭的储量估计，因为煤炭的储量往往被大大高估，之后又被大幅削减。例如，英国不得不在 1970-2000 年间，将其煤炭储量估计值下调至原来的 1% 左右，因为大部分估计资源被证明位于太薄、难以商业化的煤层中[45]。 [45]: Rutledge (2011), “Estimating long-term world coal production with logit and probit transforms”

对某些人来说，表 8.5 中的 R/P 数字可能看起来短得惊人，而对另一些人来说，这可能意味着有足够的时间来制定替代能源战略。无论如何，本世纪都至关重要。但同样重要的是要认识到，情况并不像 R/P 比率那么简单。虽然它提供了一个有用的标尺 ⁵⁵ ⁵⁵如果这个数字是 5 年，我们会陷入恐慌；如果是 5000 年，那么气候变化会是主要担忧的问题。，但我们应该考虑这些细微差别：

生产（也就是消费）率并不稳定，但总体上随着时间的推移而增长（持续增长会缩短时间尺度）。
新的勘探和发现增加了储量（延长了时间尺度），但最近的成功率越来越低。
石油开采技术的进步增加了可开采石油的数量（延长了时间尺度）。
地质挑战限制了生产速度（延长时间范围，但也限制了资源的可用性）。
如果找到更好的替代品，需求（因此产量）可能会急剧下降。

第 4 点值得阐述。我们不应该把化石燃料储备看作是一个可以任意提取资金的银行账户，汽车的油箱是另一个诱人但有缺陷的假象模型。从湿润的沙石中取水才更接近石油开采的真相。或者看作是一个洞穴般的地下湖泊，只等着我们插根吸管就能抽出。首先，煤炭不会流动，需要耗费大量体力才能挖出和筛选。开采速度取决于煤层的厚度、深度以及周围岩石的挖掘难度。即使是石油，也不是存在某个荡漾的地下油湖中，而是渗透在多孔岩石中，这就限制了这些粘性流体从岩石中流出并进入泵管的速度。天然气最容易从岩石中流出，但在现阶段，美国已经开始开采「致密天然气」──这种天然气不容易从岩石中流出，因此需要采用压裂岩石的技术为天然气打开流动通道。同样的技术也被用于开采「致密油」，否则这些石油就无法用常规方法从地下抽出。

在任何情况下，我们显然都会首先追求最容易获得的资源──低垂的果实。随着时间的推移，我们不得不去寻找更难开采的资源 ⁵⁶ ⁵⁶更深的地下、深水之下，或者「致密」地层中。。除了地质因素，还有一个简单的事实：我们并不拥有无限的开采设备，这限制了化石燃料的开采速度。同样值得指出的是，钻探更深的地方并不会继续带来红利，正如第 8.2.2 节指出的，埋藏太深的石油会被「裂解」成天然气。

图 8.6 展示了有限资源的三种可能轨迹。最左侧对应的是 R/P 比率：如果我们将消耗量锁定在一个稳定值上，以现在的使用率还能使用多久？第二幅图假定我们继续保持上升的轨迹，与稳定使用相比，资源耗尽的时间会缩短（使用速度越来越快）。这两种情况都有各自的不现实之处──第二种情况是由于上述开采的物理限制（资源不是自由流动的）。第三种情况更符合实际：达到峰值，然后对称下降。这就是化石燃料资源的实际表现。所有三种情况都可能对系统造成冲击，但要注意的是，（现实的）峰值情况带来的供应下降的冲击是最快的，远远快于稳定使用的剩余时间。

8.5.3 数据中的线索#

尽管存在上述不确定因素，但我们可以肯定地说，地球上的化石燃料供应是有限的，要消耗这种资源，首先必须通过勘探发现矿藏，然后将其开发成活跃的油井。即使在已知有石油 ⁵⁷ ⁵⁷天然气也一样的地区，每十口勘探井中也只有一口取得成果。在地球上随机地点 ⁵⁸ ⁵⁸就好像随便扔个飞镖到地球仪上开采石油的几率约为 0.01%。本章 8.2.2 节描述了生产石油必须经历的一系列过程。

图 8.7 显示了常规石油的发现历史。从中我们可以看到，石油发现在 50 多年前就已达到顶峰。由于我们无法开采尚未发现的石油──就像我们无法拥有尚未设计出来的 iPhone 机型一样── 消费（红色）曲线下的面积最终一定不会大于发现量（蓝色）下的面积。因此，无论通过何种方式，消费都不可避免地会在某个时刻达到峰值并随之下降。请注意，对称曲线会在资源消耗到一半时达到峰值。

../_images/fig8-7.png — **图 8.7:** 历史上常规石油的发现率（蓝色），以每年发现十亿桶（Gbbl）为单位[46]。红色曲线显示全球常规原油的年消耗量。大约在 1985 年之前，我们每年发现的石油往往多于使用的石油，但发现率在几十年前就已达到顶峰，现在随着地球资源勘探工作趋于完成，发现率正在下降。蓝色区域等于红色曲线下的面积，红色曲线本身代表迄今为止使用的石油量。这实际上意味着，我们已经用完了截至 1976 年发现的所有石油，现在我们的银行账户（石油储备）在不断减少── 我们每年的收入（新发现的石油）少于我们的支出（消费）。#

图 8.7 中的信息也可以转换成资源还剩多少年的问题。对于任何给定的年份，剩余资源总量可以评估为迄今为止的累计发现量减去累计消耗量。然后除以该年的年产量（与消耗量相同），就可以估算出剩余时间（R/P 比率）。图 8.8 显示了结果。

图 8.8: 全球常规石油资源的剩余年限随时间的变化，基于图 8.7 中的数据计算。自 1982 年以来，世界一直沿着一条常规石油资源在 2050 年枯竭的路径稳步发展。#

../_images/fig8-9.png — **图 8.9:** 北海（英国）的石油发现量（蓝色，单位为十亿桶/年）在 20 世纪 70 年代达到顶峰，现已基本结束。产量（红色）滞后于发现量，随着最后一批已发现石油（无阴影的蓝色轮廓）的开采，产量将无法再继续下去。图例与图 8.7 一致。#

在产油区，我们已经看到过无数次这样的故事。大约 50 年前，北海石油的发现让英国进入了石油行业（图 8.9）。起初发现率很高，随后 20 年里发现率持续走低。如今发现已经基本停止，似乎再也找不到什么了。产量呈现双峰结构──可能与 1980 年前后的发现低潮相呼应──但无论如何，开采已接近尾声。已发现但尚未开采的石油（实际上是 1996 年之后发现的石油；图 8.9 中无阴影部分）只剩下大约 6%，可抽出的石油不多了。

美国也经历了类似的历史（图 8.10），常规石油的发现在 1950 年左右达到顶峰，产量在二十年后的 1970 年左右达到顶峰。尽管一些石油地质学家（特别是 M. King Hubbert）根据之前的发现高峰和简单的逻辑指出这种情况不可避免，但没有人希望这真的发生 ⁵⁹ ⁵⁹尽管如此，主流态度一直是拒绝承认，直到它真正发生。。自石油时代开始以来，美国一直是最大的石油生产国，而现在产量正在下滑 ⁶⁰ ⁶⁰这是美国繁荣的一个重要因素：在20世纪上半叶，美国堪称「沙特阿拉伯」，主导了石油出口和汽车交通的扩张。。峰值和随后的下降引起了极大的焦虑，激发了人们寻找和开发更多石油资源的巨大努力，最终在阿拉斯加普拉德霍湾（Prudhoe Bay）发现了石油──这就是 80 年代中期第二次（较低）峰值的原因。但随后的几十年里，石油产量又开始下降，这让许多人感到懊恼 ⁶¹ ⁶¹重申一个关键点：这并非因为缺乏意愿或努力。。

../_images/fig8-10.png — **图 8.10:** 美国石油生产历史（蓝色；来自文献[47]）和消费历史（红色；来自文献[32]），单位为百万桶/天（左轴）和十亿桶/年（右轴）。从图中可以看出，1970 年左右传统产量达到顶峰，1985 年左右阿拉斯加普拉德霍湾的产量达到第二个顶峰，最后在过去十年中，由于水力压裂法的应用，产量急剧上升。蓝色和红色曲线之间的差距由进口量弥补。 2020 年水力压裂法产量的下降与 COVID 大流行相吻合，因此尚不清楚美国的石油产量是否会继续攀升，或者是否已经过了峰值。#

接下来发生了一些意想不到的事情，对于那些试图自信地预测未来的人来说，这是一个警醒。「压裂」热潮打开了通往「致密」油藏的通道，而这些油藏以前是无法进行常规钻探的。其历史如图 8.10 所示。

压裂热潮会持续多久？需要了解的一个方面是，常规油井需要大约十年时间才能完全「开发」出来 ⁶² ⁶²我们所说的「开发」，是指通过设置多个钻井点和泵来布满整个矿藏。，即使在个别油井达到峰值后，其产出率也会在多年内持续下降。请注意图 8.10 中曲线的近似对称性 ⁶³ ⁶³请注意，这条曲线是数百口单井产量的汇总，而每口井的产量在更短的时间尺度上各自会有升有降。，以及 2010 年之前的缓慢下降阶段。而压裂「油气藏」 ⁶⁴ ⁶⁴play，油气开发术语，指待开采的油田。是快速的：一旦小区域被压裂和泵送，整个过程可在几年内结束。因此，图 8.10 右侧的压裂热潮当然有可能像开始时一样戛然而止── 容易开采的油田首先被开采，留下产量较低的油田，使这一热潮进入衰退阶段。无论如何，将美国当前的石油生产状况视为「新常态」似乎为时尚早。

8.5.4 地缘政治#

另一个值得一提的问题是地缘政治。世界上大部分已探明储量并不属于石油消费量最高的国家。图 8.11 显示了哪些国家拥有最大的石油储量，但需要注意的是，委内瑞拉和加拿大的石油储量属于重油 ⁶⁵ ⁶⁵例如：焦油砂；长链碳氢化合物。，较难开采并提炼成汽油等较轻的形式，这使得中东（沙特阿拉伯、伊朗、伊拉克、阿联酋和科威特）成为轻质原油 ⁶⁶ ⁶⁶有时被称为「甜」原油。的「真正」领导者──这些原油以辛烷等更有用的短链碳氢化合物分子为主（图 8.3）。有一件事应该引起美国人的警惕：那就是绕着圈子去找亲密盟友。除了拥有重油的加拿大，其他储量大国的状况并不令人放心。美国已探明的石油储量为 350 亿桶。按照每天消耗 2,000 万桶的速度计算，如果只使用自己的供应，只需要 5 年时间就会耗尽。然而，探明储量是一个保守的数字，往往低于估计的总资源量，而勘探可以增加探明储量。美国的估计资源量接近 2,000 亿桶，以目前的消耗速度计算，如果不进口，仅能维持不到 30 年。这些较短的时间尺度在一定程度上缓解了人们对气候变化的担忧，但对于完全依赖化石燃料的全球经济来说，或许是个坏消息。

../_images/fig8-11.png — **图 8.11:** 左图为美国能源信息管理局提供的各国已探明石油储量分布图。委内瑞拉和加拿大的石油属于重油，比中东地区的轻油更难开采和加工。右图是十大石油消费国的石油消费量（美国能源信息署）。请注意，美国拥有 2% 的石油，却消耗了约 20% 的年产量。#

由于开采速度可能是一个限制因素，因此经常出现的情况是，在资源消耗到一半左右时，生产速度开始放缓（达到峰值） ⁶⁷ ⁶⁷这大致就是我们目前在石油资源上所处的位置。，从而在一段时间内形成一条对称的使用曲线。随着时间的推移，使用曲线也会发生变化。这表明，如图 8.6 所示，峰值可能早于 R/P 比率所产生的时间尺度。一旦世界石油产量超过峰值，一系列由恐慌引发的破坏性事件就会接踵而至，使我们更难（更不可能）开始一个以可再生能源为中心的后化石世界。方框 8.3 和方框 8.4 描绘了令人担忧的情景。

⁶⁸油价曾在 2008 年 6 月高达约 160美元/桶（按2020年通胀调整后）。一个有力的论点认为，高油价对经济许多部门造成的压力，为金融危机提供了导火索—— 终结了由增长驱动的次贷市场泡沫。⁶⁹这个假设的国家或许还为此在中东建立了大量军事基地，以提前应对这一天的到来。

Box 8.3: 资源战争

想象一下石油价格从目前的 50 美元/桶攀升到 100 美元/桶的情景 ⁶⁸ ⁶⁸油价曾在 2008 年 6 月高达约 160美元/桶（按2020年通胀调整后）。一个有力的论点认为，高油价对经济许多部门造成的压力，为金融危机提供了导火索—— 终结了由增长驱动的次贷市场泡沫。。一些主要的石油生产国意识到，随着石油供应不可避免地减少，这种珍贵的资源只会越来越值钱，因此它们决定：既然经济在 50 美元/桶的价位上运行良好，那么在 100 美元/桶的价位上出售一半的石油就能获得相同的收入。从市场上撤走这些石油会进一步推高油价，使其达到每桶 150 美元，这时其他国家可能也开始玩同样的游戏──现在只卖三分之一的石油就能获得同样的收入。由此产生的多米诺骨牌效应将引发国际危机，一些军事强国会以世界警察 ⁶⁹ ⁶⁹这个假设的国家或许还为此在中东建立了大量军事基地，以提前应对这一天的到来。的身份介入，以确保这一全球重要资源的持续流通。而其他拥有军事实力的国家将反对某一个国家对全球石油供应关键环节的垄断和控制，并有可能卷入资源战争。可悲的是，这种事态发展会消耗大量能源和其他资源，并且是破坏性的，而不是将这些资源用于建设性活动，比如建设后化石能源世界的可再生能源基础设施。

这一点将在第 18.3 节中进一步探讨。

Box 8.4: 能源陷阱

如果我们发现自己处于能源资源逐年减少的状态──过于依赖化石燃料这种廉价且优质的能源资源── 我们将很难在政治上摆脱困境，因为摆脱困境就意味着要通过建设可再生能源基础设施来替代化石燃料。但是，这样一项巨大的工程需要大量的能源投入，而能源恰恰是供不应求的。要开始这一转型，社会就必须在能源衰退的危机中自愿做出更大的牺牲，将能源用于这项长达数十年的计划。投票给一个会在短期内终止该计划，并带来即时能源缓解的政治家，这种诱惑可能会让人难以抗拒。换句话说，我们可能会陷入能源陷阱。尽管气候变化带来的危险显而易见，但全世界在摆脱化石燃料方面仍面临重重困难。如果转用可再生能源是一件简单、廉价且更优越的事情，那么它早就已经实现了。这一点将在第 18.3 节中进一步探讨。也许我们还粘在苍蝇纸上飞不走。

8.6 总结：神奇的、可怕的、局限的#

历史很可能将这一时期视为化石燃料时代，而不是工业时代。化石燃料是这个不寻常时代无处不在的决定性特征。没有化石燃料，就不可能有现在的技术水平、全球人口或令人印象深刻的知识大厦。因此，我们对这三种神奇的资源感激不尽。也许，任何星球上第一个发现并使用化石燃料的物种 ⁷⁰ ⁷⁰这是一种合理的推测，因为化石燃料是数十亿年演化的结果，它是由支持丰富生态系统的行星上埋藏的生物质产生的，地球是我们所知的唯一的生态系统（见 18.4 节）。都会走出类似的疯狂轨迹，甚至会暂时进入太空，就像我们一样。

化石燃料带来了许多不利因素，如气候变化、潜在的人口过剩（以及对地球造成的各种压力）、污染和环境破坏。更微妙的是，对化石燃料近乎完全的依赖改变了人类的期望，一旦化石燃料不再可用，人类可能无法适应。优越的替代品无法保证，而劣质的替代品也可能无法被优雅地采用。

关于化石燃料，我们可以肯定的一点是，它的供应是有限的。可以说，我们已经接近了开采的中点 ⁷¹ ⁷¹尤其是对最难替代的石油资源来说。，自然地，最容易开采的资源被优先收获了。随着开采难度的增加，供应率（相对于需求）可能会成为限制因素，远远早于 R/P 比率（剩余开采年限）显示出「枯竭」（见 Box 8.5）。回想一下，化石燃料并不等同于一个允许以任意规模和速度提取的单一银行账户。

Box 8.5: 总有一天用完？

化石燃料不会在某一天，甚至某一年突然枯竭（见图 8.6）。随着发现的矿藏越来越小并且难以开采，化石燃料的产量将在几十年内慢慢减少。从这个意义上说，化石燃料的「枯竭」不会是人类历史上突然发生的、让我们陷入恐慌混乱的事件。然而，过了高峰期，可利用的化石燃料逐年减少，这本身就会带来一系列的困境。在最好的情况下，替代能源的快速增长足以抵消化石燃料供应的减少。但挑战是巨大的，很难保证一定成功。

鉴于日益减少的化石资源在我们的世界中扮演着重要角色，如今可再生能源的贡献微乎其微──正如第 7 章所述── 就更加令人担忧了。至少 50 年前，许多人就已经意识到了这一命运，但化石燃料的使用量却一直在增加，而替代能源的增长却乏善可陈。部分原因是与替代品相比，化石燃料成本低，使用方便 ⁷² ⁷²人们有理由问，为什么不提高价格来阻止化石燃料的使用并促进替代品的开发？见 Box 8.6。。另一个原因是缺乏意识。在我们这个以新闻为导向的社会中，有时旧的──但同样重要的──故事很难持续传播。

译注：我想这里隐含的意思是很难让这一代人让利给后几代人。

Box 8.6: 为什么不涨价？

如果从资源稀缺和气候变化的角度来看，继续依赖化石燃料是有风险的，那么为什么价格仍然很低？政府为什么不提高价格？

这里的新手错误在于假定成年人说了算。其实是市场说了算。政府可以征收税收和关税，但不能太过分，不然选民就会反对。全球竞争而没有一个全球政府，会惩罚那些增加自己国民生活成本的国家。最后，牺牲短期利益换取长期利益并不是人类的强项，尤其是面对不确定性的时候。很难让一代又一代的人相信一个从未出现过的未来问题。译注：我想这里隐含的意思是很难让这一代人让利给后几代人。

8.7 思考题#

（略）

优点	缺点
能量密度高	气候变化
安全	人口爆炸
便宜	战争工具
好储存	环境破坏
农业	过度依赖
技术	太落伍了

8 化石燃料

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