[第五章] 能源重大奇聞
民眾的能源知識有許多都是錯誤的，就錯誤知識量而言，在物理學裡沒有哪個領域比得上能源。讓我以正面方式來闡明這點，提出幾項多數人會大吃一驚，卻也是明智決策不可或缺的能源關鍵事實：
．汽油產生的能量，是等重黃色炸藥能量的15倍。
．以相等能量來講，煤比汽油便宜20倍。
．正午1平方英里陽光能提供10億瓦電力──相當於一座大型的燃煤發電廠或核能電廠。
．每平方碼陽光照在地面時，約能產生1馬力功率，和美國家庭平均用電功率相等。
．汽油所含能量，是等重手電筒電池的1000倍，也是等重的昂貴電腦電池的100倍。
．液態氫是未來「氫能經濟」的關鍵燃料，然而以每加侖來計算，液氫所含能量卻只有汽油能量的1/4.5。
．非充電型電池供應的能量，成本約為牆壁插座成本的1萬倍。
未來的總統必須認識、了解，安然面對這些事實，就如他們也必須明白什葉派和遜尼派之異，或者日本和中國的衝突歷史。我們就從最重要的議題開始：我們這麼鍾愛汽油的物理原因。
為什麼我們鍾愛石油
美國人愛汽車已經是老生常談，不過我們也可以說，我們愛上的，其實是造就汽車的石油，或者是稱為汽油的精煉石油。然而從許多方面來看，我們和汽油的關係，其實比較像是一段不幸福的婚姻。汽油的名聲不太好。汽油有二氧化碳，會污染大氣，還被當成惹出全球暖化和生成二氧化氮凝成煙霧的禍根。獨裁極權體制和恐怖分子還靠汽油籌措資金，把我們推向戰爭。
我們想要離婚，然而這條路實在太坎坷又太痛苦，而且分手後我們怎麼過日子，特別是我們的生活標準和能源消耗緊密相連。難道我們真的綁死在這段註定失敗的婚姻當中？許多人都認為是如此，問題只在於接下來還會持續多久，還有我們要忍受什麼可怕的後果。畢竟，石油不就要用光，撐不了幾十年了嗎？油價高漲不就是災禍隱隱顯現的徵兆嗎？
這些問題牽涉到經濟、政治、社會、歷史和心理等層面。有些人還會加上他們的論點，認為石油情勢也肇因於國內、國際（或起碼各方壟斷勢力）的陰謀推波助瀾所致。結果卻發現，石油的過去和未以及種種代替品，都含有非常高比例的物理學考量。有時這些物理學層面還比其他因素都更重要，所以一定要認識並深入了解。石油代替品也有其物理學層面。必要時我會把工程、經濟層面也帶進來，不過這裡的重點就擺在科學。各國法律有可能改動，物理學定律則大體都固定不變。
我們這樣沉溺石油（沉溺這段婚姻）的物理學原因，和911恐怖分子選定石油當武器的理由相同：石油的巨大能量。想想我們最好的充電電池所含能量，只有汽油能量的1％就知道了。現在請問，我們為什麼不開電動汽車？電動車被陰謀扼殺了嗎？不管有沒有陰謀，反正影響微不足道。能源儲量的差距是一道巨大的物理障礙。和汽油相比，電池實在儲存不了多少能量。我們鍾愛汽油， 原因是汽油含有相當充沛的能量！
另舉一個例子來說明，汽油所含能量相當龐大：汽油釋出的能量，是等重子彈的720倍。【2】這個數值讓你咋舌嗎？只要你照以下方式，從物理學角度來想，這點就相當合理。子彈由火藥一類的炸藥爆炸推動，而這類物質所含能量，通常只有汽油能量的1/15。再者，炸藥的能量並沒有完全用來推動子彈；大半隨著膨脹氣體化為熱量散逸。（步槍槍管愈長，傳遞給子彈的能量也愈多。）除此之外還另有一項事實，彈藥的重量，通常比子彈本身輕得多，因此和等重汽油相比，子彈攜帶的能量可說微乎其微，這並出不奇。
汽油必須和氧結合，才能產生能量，由燃料噴油嘴或化油器來與空氣混合。汽油的能源優勢，部分得自我們不必隨身攜帶氧氣； 氧和空氣同樣是免費的。讓我們比較一下汽油和火藥的化學作用。汽油含有氫原子和碳原子──每1顆碳就與約2顆氫結合。當汽油燃燒或爆炸，氫和氧就會結合並生成水（H2O），碳則與氧結合並生成二氧化碳（CO2）。若燃燒並不完全，汽油還會生成一氧化碳（CO）。相對而言，火藥使用的氧化劑是硝酸鉀，並不是氧，所以完全不必加入空氣。這樣一來，反應就可以在濃縮狀態下進行，速率也遠高於汽油。火箭還必須攜帶氧化劑，有時候是液態氧或液態過氧化物類型。
汽油比食物更棒。（我不是指滋味，我指的是每磅能源數。）底下再列出幾則事實，可能沒那麼出奇，不過大概還是有點令人驚訝。以等重情況來看，汽油產生的能量約為：
．牛排的4倍
．巧克力餅乾的2倍
．牛油的1.4倍
最令人驚訝的結果或許是，食物居然含有這麼多能量，幾乎和汽油相等，而且遠高於黃色炸藥。這裡直接拿食物和火藥來比較：牛排的能量幾乎是黃色炸藥能量的4倍；巧克力餅乾則為8倍那麼多。難怪我們這麼沉迷食物！假使你覺得食物能量不可能這麼高， 那就看看蜂鳥。蜂鳥只啜飲微量花蜜就有足夠能量拍動翅膀，顯然花蜜肯定含有極高能量，遠超過蜂鳥在花朵前面高速拍翅盤旋所需。事實正是如此。食物和汽油幾乎一樣棒。
每天你大概會吃下1、2磅食物。（我知道看來有點多，如果你不到20歲的話，還可能更多，加起來看看就知道了。水分不計算在內）然而你的所有勞動、思考和你的成就，都是靠那少得出奇的食物來完成。
就負面來看，正由於食物含有巨大的能量，要減重才會那麼困難，不然就得認真節食。一罐340毫升碳酸飲料通常含150卡。一個人要消耗這些熱量，就得激烈運動半小時（跑步才行，慢跑不算； 打籃球才行，打棒球不算；游泳才行，打高爾夫球不算），當然， 前提是那個人不能拿一罐碳酸飲料來獎賞自己。減重最佳做法是少吃，不是多運動。
其他能源呢？這裡以四種重要替代燃料來做比較。以等重情況來看，汽油產生的能量約為：
．煤炭的2倍
．甲醇（木醇）的2倍
．乙醇（飲用酒精）的1.5倍
．丁醇（一種很有指望的生質燃料）的1.1倍
當你考慮汽油的代替品時，前述事實就很重要。假使你居住的州，銷售乙醇做為代替品，或者拿乙醇和汽油混合，調成酒精汽油來賣，那麼你大概會好奇，每加侖價格竟然低於汽油。請檢視我剛才提出的數字。不管以每磅或每加侖來計算，酒精產生的能量都比較少。
事實上，若是以里程數來計算，美國境內銷售的酒精還比汽油更貴。當然了，有些人使用酒精或混合燃料，為的並不是廉價， 而是由於他們認為，這類燃料對環境比較好。他們是保護世界才犧牲財富。然而，說不定他們錯了。以玉米製成的乙醇所減少的污染可說微乎其微，等我們談到生質燃料，還會更深入探討這點。丁醇能量密度（和汽油相比）顯得很高，相當引人矚目，也因此丁醇有可能成為未來的生質燃料。
讓我們再提幾個數字來結束這段開場白，這裡面有幾項相當重要，其中一項（最後一項）只為博君一粲。依單位重量來看，以下燃料都勝過汽油：
．天然氣高1.3倍
．氫氣或液態氫高2.6倍
．鈾裂變或鈽裂變高200萬倍
．氫融合高600萬倍
．反物質高20億倍
氫氣能量高汽油2.6倍，這點使大家熱切討論氫能經濟。一單位重量氫燃料，你可以行駛的距離是使用汽油燃料的2.6倍。然而，等重的氫氣（就算是液態氫）卻要占據更大空間。所以本章開頭我就指出，每加侖汽油的能量是氫氣4.5倍。
鈾的數值大概不會讓你吃驚，因為這麼高的倍率，所以鈾才用來製造核彈，還用在核反應爐。核融合更好，而且使用的燃料是重氫，這種成分取自尋常的水──我們永遠用不完的原料。（當然了，以往我們也認為，伐林取木永不枯竭。）
我把反物質納入這份清單，只因為在科幻小說裡面這種物質都大受矚目。未來的總統知道這個數值的最大用途，是當成和青少年談話的題材。或許有一天（在幾百年內？）我們真能把反物質當成燃料，不過必須先想出個合宜的裝瓶做法；這是個難題，因為反物質和普通物質接觸就會爆炸。反物質和氫氣有個重要的共通特徵：兩種都不是能源。其實這兩種都是傳送能量的方式。
要以反物質為燃料，首先我們必須製造反物質，不過製造所消耗的能量，卻超過得回的數量。要以氫為燃料，首先我們必須從天然氫化合物擷取氫。
氫氣和石油不同，沒辦法從地球開礦取得。現有的氫都已經「燒過了」，也就是已經和氧結合生成水，或與碳結合生成糖、澱粉和碳氫化合物（包括植物材料、木材、石油和天然氣）。要使用氫，我們就必須把氫和其他原子分離開來。我們可以通電把水中的氫分離出來，這道程序稱為電解。不過這種程序必須消耗能量，當我們以釋出的氫氣做為燃料，得回的能量只占投入的三成到四成；其餘的都化為熱消耗掉了。遇到自稱拿普通水當燃料的發明都要提防；這類做法通常都得使用能量，以電解作用或使用提純金屬等其他燃料，來從水中分離出氫。
有種方法可以從氫得到正數淨能：從天然氣取得氫。事實上，如今我們使用的氫，多半都是這樣取得的。天然氣大半是甲烷（CH4），由1顆碳原子和4顆氫原子組成。甲烷和水相互反應便生成氫和一氧化碳（加上若干二氧化碳）。這份氫可以拿來當燃料， 然而我們得到的能量，卻比不上我們直接使用甲烷的那麼多。
功率
既然黃色炸藥所含能量這般微不足道，我們到底為什麼還拿它來用？答案是它能產生極高的功率。功率的英文寫做「power」， 也指稱「動力」，因此使用英語的民眾，往往把功率和能量混為一談，不過科學家倒是區分得很清楚──這點未來的總統得知道才好：功率指能量的使用速率。功率可以採每小時卡路里數或每秒焦耳數來測量。黃色炸藥所含能量不如汽油，不過少歸少，卻能以粉碎岩石的速率釋出。汽油所含能量凌駕黃色炸藥，然而就產生功率而言，黃色炸藥卻優於汽油。
相等的能量產生的速率未必相同，也就是能產生不同的功率。我們在討論911那一章曾經談到，鎚子可以讓力量倍增。現在就讓我們回頭見識一下鎚子也可以讓功率倍增。當你手持鎚子揮過一段距離，逐漸讓鎚子加速，同時也把能量注入裡面。你的手臂只能產生有限功率，因此揮鎚速度相對較慢。鎚子就要撞上釘子之際，你打算投入的能量，已經完全灌注在鎚頭。這種能量儲存在鎚子的運動當中，因此稱為動能。最後當鎚頭產生接觸，這時就能很快把能量傳遞給釘子。鎚子發出的能量，和你揮舞注入的能量相等，不過由於能量傳遞速率高出許多，我們便說，鎚子產生的功率較高。當然，產生的功率較高，持續的時間就比較短。功率較高的意思就是，鎚子在釘子上的施力強度，凌駕你對鎚柄的施力強度；於是施力強度倍增，以較強的力把木料劈開。
詹姆斯．瓦特（James Watt）是第一個測量健康馬匹能產生多少功率的人，他管那個單位叫做「馬力」。如今那個名詞主要多用來描述取代馬匹的東西（汽車）所產生的功率。另有種功率單位則以瓦特的姓氏命名，稱為瓦特（watt，簡稱瓦）。1000瓦特約等於1馬力。這項事實相當有用，未來的總統應該記住：
1馬力＝1000瓦
這個約略相等關係實在非常有用，藉此可以感受功率是什麼。舉例來說，陽光的功率約為每平方碼1000瓦（換成每平方公尺，結果也差不多）。現在你就可以設想，1平方碼的功率相當於一匹馬的功率。看來好像很強，是這樣沒錯，不過用來推動一輛當代汽車仍嫌不足。典型汽車的引擎能夠產生50到200馬力。
瓦特一般都用來測量電功率。燈泡都以用電多少瓦來標示。如果你點亮10個100瓦燈泡，那麼你使用的電功率就等於10 ×100＝ 1000瓦。相當於1匹馬力或1平方碼陽光。
現在談到令人混淆的部分：測定能量。假設你1小時內用了1000瓦，你用掉的能量總額就稱為1千瓦小時（kWh，俗稱「度」）。這個詞彙令人混淆的部分是裡面有個瓦字。不過，這兩種用詞讓你混淆的程度，應該不會比英里數和每小時英里數的情形更為嚴重。其中一個是個數量（英里數），另一個是速率（每小時英里數）。就功率和能量來看，千瓦是能量的產生速率（功率）， 千瓦小時則是產生的能量總額。光年也同樣令人混淆，這不是時間的測量法，而是指光在1年當中行進的距離。1光年是一段距離，1千瓦小時是一個能量數值。
美國一般家用功率約1000瓦。這樣的家庭一天24小時會用掉24千瓦小時能量。未來的總統多半比一般人更有錢，也許會用得更多。如果你1小時內用了1000瓦，電力公司會收你1千瓦小時能量的錢。費用高低就看你的居住地區而定，不過平均而言，那1千瓦小時在美國境內約收10美分，比租用馬匹1小時便宜多了！連續24小時，每小時都用1000瓦的開銷，換算約得花你2.4美元。一個月30天要花72美元。一年365天要花876美元。積少成多。你家的用量說不定還超過1000瓦。
1000戶住家要使用1000個千瓦，等於一個百萬瓦特（簡稱百萬瓦）。中等規模的發電廠能發出的電力為50到100個百萬瓦，通常用來為地方社區供電。最大型發電廠約發出10億瓦電功率，一個10億瓦簡稱吉瓦。不過，有些專家不想多用一個名詞，所以不說吉瓦， 改用「好幾千個百萬瓦」。美國電功率總額平均約為450吉瓦。加州使用的電功率總計約達40吉瓦。想像有40座大型發電廠，供應全加州電力。若想記住美國的用電總值，就記得全美用量大約是發電廠數量的10倍：450座大型發電廠，每座發電1吉瓦，即總量為4500億瓦。
這裡就把它換算成我們的舊單位，食物熱量。1瓦小時約相當於1單位食物熱量。換句話說，一支手電筒點亮1小時耗能1卡。乘上1000就能得到以下近似換算值：
1千瓦小時＝1000單位食物熱量
普通成人每天消耗2000單位食物熱量。這就相當於2千瓦小時，換算約值20美分電費。電力比食物能量便宜，會不會讓你感到驚訝？事實上，只要我們固守基本需求，食物也不是非常昂貴。足夠供應你那2000卡熱量的米量（約1.3磅），在美國雜貨店約賣70美分。如果一次買好幾噸，你花不到10美分就能買到1.3磅米。你一天約吃10美分食物就能過活！真正昂貴的都是比較花俏的食物。
能源代替品
當你考慮石油和其他化石燃料，有必要先知道美國如何使用現有供量。約5%用來製造肥料、化學物質和塑膠等物料。其餘就用來
產生能量。底下是美國的燃料使用粗略分項：
．28%用在交通運輸（汽油和噴射機燃油）。
．40%用在發電。
．20%用在直接加熱（天然氣、煤炭）。
．32%做為工業用途。
這些數值部分重疊，因此加起來超過100%；好比用來發電的燃料，部分也屬於工業用途。這幾個數字不必分別記誦，你真正必須知道的是，燃料有四大用途，包括交通運輸、電力、加熱和工業方面，所有數值大致相同。就未來的總統而言，這項事實具有重大政策蘊涵。舉例來說， 如果你擔心我們開車污染大氣，決心禁用汽油，改用生質燃料（以植物製成的酒精），那也只影響總量的28%。
另一點也同樣重要（也同樣有趣），那就是美國的能源品類繁多：
．29%得自進口石油
．11%得自國產石油
．24%得自煤炭
．19%得自天然氣（甲烷）
．8%得自核能
．8%出自其他（太陽能、氫能、風力、生質能、地熱能）
這些來源的多樣性也是最重要的真相。這裡提出一則實例，來說明你能採用哪種方法來使用這些數字，幫你下達重大政策決定：如果有人提議，為致力減少二氧化碳排放，我們可以把所有化石燃料發電廠，全都替換成核能電廠。
第一張列表告訴你，我們的四成能量都用來產生電力。第二張列表告訴你，那當中有8%已經是得自核能。所以這樣改變的影響，只及於其餘32%的電力用量。要記得，如果想減少化石燃料排放，我們必須應付的部門就不只一個， 而是好幾個。
關鍵問題：能源成本
能源不見得全都相當昂貴；事實上，你可以找到各種類別，而且差距比我到目前為止已經列出的數據更嚇人。這裡列出最重要的事實：就相等的能量來看，美國的汽油價格是煤價的20倍。就未來的總統來講，這是個可以深思的重要數字。這就意味著，某些發展中國家有可能不仰賴石油或天然氣，而是靠煤炭來滿足他們的能量需求。
這裡提出幾項細目。底下列表比較各種能源的每千瓦小時能量成本。這張列表並沒有把機器設備和輸送能量的電力線路成本納入。
．煤炭：0.4到0.8美分（每噸40到80美元）
．天然氣：3.4美分（每百萬立方英尺10美元）
．汽油：11美分（每加侖3.7美元）
．汽車電池：21美分（每換一個電池50美元）
．電腦電池：4美元（每換一個電池100美元）
．四號電池：1,000美元（每顆電池1.5美元）
怪的是，能量成本很大部分取決於來源。如果照經濟學家的假設，市場是有效的，那麼所有燃料就能達到成本相同並反應在售價上。但這種現象沒有出現，因為市場的效率並不高。能量基礎建設必須投入鉅額資金，產生能量的方式也很重要。和牆壁插座的能量開銷相比，我們願意多花很多錢，來購買手電筒電池能量，因為手電筒很方便，可以隨身攜帶。以往火車頭行進都靠煤炭，不過等重汽油能產生更多能量，而且不會製造灰塵，所以我們從蒸汽車頭換成柴油車頭。
我們的汽車初設計時油價非常低廉，結果養成我們這種用車習慣，彷彿油價永遠不會調高。全世界油價高昂地區（好比歐洲各國），通常都擁有更多公共交通設施。美國有近郊住宅區， 這是油價低廉時才負擔得起的奢侈享受。我們的生活方式，當初設計時多半以低廉汽油為依歸。我們願意支付的燃料價格，不單取決於燃料產生的能量，還得看燃料是否方便使用。
替代能源的真正挑戰是得比煤炭更經濟可行。本書第五篇討論全球暖化，到時我們就會談到，煤炭是我們最嚴重的二氧化碳污染源。為減少煤炭用量，當然我們就得課徵用煤稅。不過單單已開發國家這樣做成效不大，因為問題根源在中國和印度等國家的能源使用。說不定那些國家的領導人，會選擇以最低廉方式取得能量，這樣他們才能專注投入資源，來改進營養、健康、教育和該國國民的整體經濟福祉。
