第二章 资源需求驱动未来脚步

晚饭时间到了,现在你有两个选择:要么开着带空调的凯迪拉克去附近的比萨店要一份10英寸的芝麻洋姜派,要么去附近看看有没有捕猎队伍带新鲜可口的猎物回来。面对这两个选择,你会选择哪一个呢?

除非你是电视真人秀节目《幸存者》的参赛者,还在为100万美元的大奖努力,否则你肯定会选择开车去比萨店。为什么呢?因为面对不同的选择,人类总是会选择更加轻松的那一个。人类历史也充分证明,人类能够通过发明工具和利用物资让自己的生活更加舒适便利。创新的动力源于我们对“更好生活”的追求。

在远古时期,为了追求更好的生活,人类通过一系列的发明创造,慢慢地走出了石器时代,渐渐地过上了更加精致和相对奢华的生活。无论是农耕时代、工业时代还是现在的数字时代,其时代特征都与人类生活质量的大幅提高密切相关。我们通常将提高的方式称为“革命”,比如工业革命。这些革命的标志则是我们利用自然能源的能力有了巨大的飞跃,而且每次革命之后我们都能更加集中高效地利用能源。

每当集中应用能源的技术实现了新跨越,比如从烧木头到烧煤炭,再到烧石油和天然气,这个时候就会产生许多新的可能性。比如,现在你不可能开着烧木头的汽车去比萨店吃饭。然而,在人类发现并学会利用石油能源之后,你不仅能开车去吃饭,还能乘坐宇宙飞船登上月球。为了更有效地利用能源,我们必须不断地更新技术,这就需要科研探索。当先进的工具和技术走出实验室,开始在其他领域得到广泛应用的时候——比如在农业领域和建材领域——新的创新热潮将被掀起,人类的生活也会由此变得更加舒适便利。这一次次的科技革新决定了每一个时代的变迁。推动人类进步的是一个简单的公式:

科技进步 + 新能源 + 想象力 = 人类进步

经过一次次的进步,人类的工具已经从原始的石板发展到现在的平板电脑;人类寿命原来还不到30岁,现在40岁才结婚的情况也比比皆是;过去人类想的是如何跨越海洋,现在人类想的是如何在宇宙中遨游。

我们要追求更好的生活就需要更多的能源。在进步的同时,人类对能源的需求也随之激增。这就要求我们不断地开发新方法去寻找丰富的能源并利用它们。在这一方面,人类的表现也相当出色:我们学会了修建水坝,建造风车,钻探井深入到海床开采石油,通过原子裂变释放巨大的能量,用转基因海藻生产类似石油的产品等。每一次创新都让人类向前迈出了一大步,在数千年的发展中,人类就是这样一步一步地朝着更好的生活前进。

能源革新带来巨大变革

从超自然的角度讲,能量就是生命。能量不仅让自然界充满生命,也是所有交换的基础。无论是简单的呼吸、大海的潮起潮落,还是生命的循环,都是能量的转换。

从化学的角度讲,这些转换仅仅是自然界废物再利用的一个过程。在这个过程中,某个生命制造的废物变成了其他生命的食物。在这个生死循环的过程中,碳是循环利用的主要元素,也是所有生命的支柱。从技术层面讲,从活着到死去到腐败再到重生的过程只是碳原子之间化学键的分离与结合,这一过程伴随着能量的吸收和释放——碳循环。

所有的能源技术都是对碳循环的一种控制。我们通过各种技术从自然界获取能量,再将这些能量应用到生产生活中。能源技术创新的关键就是如何安全地获取和利用自然界的能量。众所周知,新的能源技术是其他领域取得重大突破的基础,也就是说,现在能源科学家的每一分努力都是未来重要革新的基础。我们大多数人中学毕业后恐怕就再也没有关心过生命循环过程中的具体细节了,现在就让我们回顾一下关于碳循环的课程吧。

学习指导网站CliffsNotes对于碳循环可能会有如下解释。在没有受到外界干扰的情况下,自然界会将碳原子控制在完美的平衡状态:碳原子以二氧化碳的形式被植物吸收;植物将二氧化碳与水合成碳水化合物;动物吃掉碳水化合物后,通过吸入氧气将碳水化合物中的碳键分离并获得能量,同时释放出二氧化碳和水;二氧化碳和水又重新成为植物的养料。

然而,碳循环其实更多地发生在地下。当动植物之间碳原子交换的平衡需要重新调整时,比如天气或者地理环境发生巨变时,多余的碳原子就会从动植物之间的循环链脱离并被吸收到地下。数百万年以后,在海洋和山脉的巨大压力下,地下的碳原子被挤压得越来越紧密。植物中的碳变成了煤炭,微生物中的碳变成了石油,动植物中的碳变成了天然气。这些都被称为化石能源,因为从油井和矿井里获取的碳原子都是恐龙时代在地球表面循环的碳原子。连接这些碳原子的键到现在仍然“活跃”,当这些键被切断的时候,能量随之被释放。因为这些化石能源是极度浓缩的碳能源,所以当你(比如用火)将碳键切断的时候,便会产生巨大的能量。

然而现在的问题是,在我们排放出本不属于自然循环的碳原子之后,大气层中的碳原子就过多了。自然界没有足够的生命物质来吸收(或者中和)这些多余的二氧化碳。一旦碳循环失去平衡,自然界也将随之失去平衡。当自然界失去平衡后,气温便开始上升,土地变得贫瘠,水资源被污染,物种便随之消失。自从人类开始使用化石能源,大量的碳原子就被排放到了大气层当中,而现在我们就面临着自然界失衡的困境。

恢复碳循环的平衡势在必行,这并不是说说而已,而是经济发展的必然要求。地球上每50年就会增加几十亿人口(在有关人口的章节还会具体讨论这个问题),因此会有越来越多的人参与到高耗能的全球经济当中。面对这样的压力,我们不得不加快能源技术创新,提高化石能源的燃烧效率,解决碳吸收的问题,从非化石资源中开发可替代能源。世界上各个地方的人都在思考,如何既满足日益增长的能源需求又减少碳排放或者将其降到最低。解决这一问题的关键是,找到从当前的碳循环中获取能量的方法,从而不再消耗那些深埋于地下的远古时期留下的能量。

可替代能源也叫绿色能源,比如太阳能、风能和生物能,这个领域所面临的最大挑战是如何大规模地生产、存储并输送这种能源以满足生产生活需求。毫无疑问,这一需求能够刺激能源存储技术的创新,比如大容量电池。如果大容量电池能够长时间存储巨大的能量,那么这一技术也会促进电子产业的革新。有了这种电池,世界上那些还没有通电的落后地区的人们就可以用上电了。

这就是能源技术的进步可能带来的巨大变革。科学家在实验室里研发出了新的能源技术之后,这一新技术也会迅速在其他领域得到广泛应用,各个行业的创新浪潮也将随之启动。各个行业的创新将彻底改变人类的社会生活和经济生活方式。所以,能源及其技术的革新会导致其他方面的种种革新。而根据这些革新的方向,我们也能想象到未来更美好的生活是什么样子。

未来学家是时代先驱

道格·卡梅伦是第一个将臭烘烘的有机泥土转变成塑料瓶、除臭剂、化妆品、地毯等生活用品的人。他被称为化工产业界的神童,也是追求更加美好生活道路上的先驱者。卡梅伦既是一名化学工程师,也是成功的企业家和风险投资家,已经在先进的“清洁能源”领域奋斗了30多年。而其奋斗的终极目标就是找到既能重新恢复碳循环平衡又能满足日益增长的能源需求的方法。早些年他对这个问题就做出了自己的贡献:他发现了如何用常见的大肠杆菌和酵母代替石油来生产某些化学制品。

早期卡梅伦在威斯康星大学麦迪逊分校任教和做科研,在生物燃料领域取得了突破性的科研成果。杜邦公司(Dupont)现在已经将其科研成果投入到了商业应用当中。卡梅伦随后加入了美国最大的私人控股公司——美国嘉吉公司(Cargill)。这家公司也是全球最大的综合农业企业之一。加入该公司后,卡梅伦担任生物技术部的首席科学家和部门主管之一。在他的带领下,嘉吉公司成立了专门的生物技术研究团队。离开嘉吉公司以后,卡梅伦前往硅谷,加入了著名的科斯拉创投公司(Khosla Ventures)。这是一家专注于清洁能源的风险投资公司。在艾伯特咨询公司(Alberti Advisors)成立之前,它也是一家风险咨询公司,专注于应对清洁科技和农业交叉领域中的机遇和挑战。现在,卡梅伦是第一绿色伙伴公司(First Green Partners)的一位主管。这是一家风险投资集团,其目标是“将具有价值的碳循环中的早期技术”投入市场。从这些事例我们可以看出道格对于可替代能源——无论是研究领域还是商业领域——都很有自己的想法。

之前我们提到过,卡梅伦发明了一种从植物中提取石油类似物的方法。现在让我们更加深入地来了解一下这件事情。卡梅伦通过基因改造的方法使常见微生物,如大肠杆菌,产生一种特殊酶。这种酶能够将植物中的淀粉转变为人造石油。在化学工程应用日益广泛的今天,这项技术的诞生有着非同寻常的意义。石油化工产品几乎无处不在——地毯、清洁剂、衣服、食物、电子产品、锅碗瓢盆、汽车、颜料、化妆品、药品、沥青、橡胶、塑料等。如果这些化工产品的原料来源于我们地球当前的碳循环而不是化石燃料,那么我们就能做到既满足现在的能源需求又不破坏自然界中碳循环的平衡。

通过改变分子中某几个原子的排列可以给地球的未来带来无限的光明,卡梅伦花了10多年的时间才完成这项工作。杜邦公司从卡梅伦的研究成果中看到了未来的光明,也看到了未来的利润区所在。但杜邦公司用了整整10年才将卡梅伦的科研成果推广到市场当中,又过了将近10年,其他产业才对这项技术产生兴趣。这项决定的风险极大,杜邦公司当时等于赌了一把。然而现在,“几乎所有的化学公司都有自己的生物精炼厂”。可口可乐这样的大公司也公开宣布将在2020年实现所有的PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)瓶都由植物原料生产。现在我们可以看到,卡梅伦的科研成果足足用了30年才被广泛地应用到日常生活当中。而这一切都源自于一位未来学家最初的想法——当卡梅伦在麻省理工学院攻读博士学位的时候,他提出了一个非常激进的、看似荒谬而且几乎不可能解决的问题——能否用植物生产类似石油的物质?

然而事实上,并非是想法不可行,而是缺少资金。在卡梅伦钻研石油代替品期间,美国举国上下关注及担忧的焦点是前所未有的石油依赖问题。这是由接二连三的事件引起的。第一个事件就是,1973年OPEC(石油输出国组织)决定通过限制石油出口迫使以色列从阿拉伯地区撤军。第二个事件是,伊朗于1979年爆发革命,亲美的伊朗国王政权被推翻。为了报复前政权的亲美政策,伊朗大大缩减了对美国的原油出口,这对美国民众的日常生活造成了严重影响。由于原油供应不足,加油站排起了长队,有的甚至延伸到了好几个街区。此外,所有商品的价格都随之飙升。

就在这样紧张的时代环境中,获得化学学位的卡梅伦从美国杜克大学毕业了。在当时的政治环境和文化背景下,卡梅伦对未来的憧憬几乎是难以实现的。美国前总统卡特在他著名的“忧患演讲”(malaise speech)中号召全美国人民节约能源:车开慢点儿,穿上毛衣把暖气开低点儿,循环利用商品,拼车等。面对政府出台的强制执行的燃油效率标准,汽车公司纷纷投入到了电动车的研发当中。为了减少油耗,卡特政府要求车辆的行驶速度不得超过55英里/小时[1]。为了号召大家这么做,路边都挂起了形象的告示牌:上面是伊朗革命后的宗教和政治领袖哈梅内伊怒目而视的脸,下面写着“限速55英里/小时”。从限速告示牌上充满恐吓性的文字和图片中我们可以看出,当时的美国经济的确受到石油供应国的限制:谁有能源,谁就有话语权。

我将设计一套方案来引领政府以及私人研究机构在5年内生产出使用非传统能源的绿色汽车。

——理查德·尼克松:“致国会的环境质量特别咨文”

这是我们国家的目标:在20世纪80年代初,也就是在1980年,美国不需要依靠其他任何国家就能够有充足的能源来满足我们的工作需求、家庭需求以及交通需求。

——理查德·尼克松:“发表国情咨文前在国会联席会议上的讲话”

平民阶层的环保运动也由此展开。人们开始“靠山吃山,靠水吃水”,被视为激进分子的那群人中已经有人开始研究太阳能技术和风能技术。政府也参与到了这些先进技术的研发当中。先是尼克松总统成立了联邦能源管理局,之后卡特总统成立了美国能源部。美国政府也为可替代能源的研发提供资金支持,各个大学和刚刚起步的新能源公司均从中受益,随后一些新技术便慢慢成形了。

虽然当时美国政府、企业乃至民众都对节能和开发新能源充满信心,也下了很大的力气,然而在美国与石油供应国的关系恢复正常以后,油价便降了下来,节能标准也随之放松了,这是短视的典型例子。研究经费被削减,之前的雄心壮志也不见了踪影。几乎所有人都不再关心新能源问题。

难能可贵的是,当时刚刚大学毕业的卡梅伦具备未来学家的眼光,他坚信迟早有一天对石油替代物的需求会变得非常紧迫,正如电影《毕业生》中广为流传的一句台词所说的那样:“如果用一个词语来概括未来的话,那就是能源。”

卡梅伦相信,如今人们革新能源的动力不会像以前那样消退了。探寻可替代能源再次被提上日程,这不仅是某个国家的事,而且是整个世界的事。人们的日常生活需要可替代能源,企业生产也需要可替代能源。这四个要素都需要它:与20世纪70年代的情况不同,如今我们已经有了先进的能源研发技术;全球人口的激增也迫使人们革新能源;卡梅伦最初提出的那个问题的本质就是有没有其他能源来推动发展。这已经成为世界上各个政府的首要议题。正如卡梅伦所说:“我们现在正处于风口浪尖。”

[1] 1英里/小时≈1.6千米/小时。——编者注