无化石能源，燃料只能来自自然的工业化人口密度（规模）需要多少？
设想一下，我们生活在一个完全告别化石燃料的世界。电力完全来自于太阳能、风能、水力、地热，甚至可能是潮汐能或生物质能。在这个没有石油、煤炭或天然气的世界里，工业化社会的生存和发展，尤其是在人口密度相对较高的地区，将面临怎样的挑战？我们能支撑起多大规模的人口？
生存的基本需求与能源的关联
首先，我们要理解工业化人口密度意味着什么。这不仅仅是 사람들이聚集在一起，而是指社会高度组织化，有大量的制造业、交通运输、城市基础设施、农业生产（即使是现代化农业也需要能源驱动），以及满足人民生活品质所需的各种服务。所有这些活动，都与能源消耗密不可分。
食物生产： 即使是“无化石能源”的农业，现代农业也高度依赖能源。化肥生产（例如合成氨）、农用机械（拖拉机、收割机等）的动力、灌溉系统、食品加工和冷藏，都需要大量能源。如果完全摆脱化石燃料，那么这些环节必须完全由可再生能源来驱动。例如，农用机械可能需要电力驱动，这需要充电基础设施，或者使用生物燃料。化肥生产可能需要氢能作为原料，而氢能的生产又依赖于水电或风电等。
交通运输： 现代社会的高密度人口意味着高度的流动性。人们需要通勤，货物需要从生产地运往消费地。如果没有化石燃料，那么电动汽车、氢燃料电池汽车、电动火车、电动船舶，甚至可能是电动飞机，将是唯一的选择。这不仅要求能源供应的普遍性和可靠性，还需要大规模的充电或加氢基础设施，以及能够支持这些交通方式的城市规划和物流系统。
工业制造： 钢铁、水泥、塑料（虽然很多会寻找替代材料）、电子产品、纺织品等等，这些工业品的生产过程往往是能源密集型的。加热、冷却、驱动机械、化学反应，都需要大量的能源。在没有化石燃料的情况下，这些都需要寻找可再生能源的解决方案。例如，高温冶炼可能需要使用电弧炉，依赖于强大的电力供应；一些化学反应可能需要氢气或电力作为直接能源或还原剂。
建筑与居住： 高密度人口意味着高密度建筑。无论是供暖、制冷、照明，还是日常使用的各种电器，都需要能源。建筑材料的生产本身也消耗大量能源。环保的建筑设计、高效的隔热材料、智能的能源管理系统，将是关键。
可再生能源的极限与制约
要支撑一个工业化人口密度，所需的能源总量将是巨大的。问题在于，我们的可再生能源系统能否满足这个需求，以及是否存在一些固有的限制：
1. 能量密度和存储： 与化石燃料相比，许多可再生能源的能量密度较低。太阳能和风能的波动性是最大的挑战。要维持一个高密度工业化社会的稳定运行，必须有极其庞大和高效的能源存储系统（电池、抽水蓄能、氢能存储等）来弥补发电量的波动。这需要大量的土地、矿产资源（用于电池材料）和技术投入。
2. 土地和资源需求： 建造大规模的太阳能发电场、风力发电场、水电站，都需要大量的土地。如果人口密度很高，留给这些能源设施的土地可能会受到挤压。同时，制造这些能源设备（如太阳能电池板、风力涡轮机、电池）需要稀土、铜、锂等矿产资源。这些资源的开采和加工本身也需要能源，而且供应并非无限。
3. 地理限制： 并非所有地区都拥有足够丰富的太阳能、风能、水力或地热资源。高密度人口地区可能位于能源资源相对匮乏的区域，这就需要远距离的输电网络。高效、低损耗的输电技术（如超高压直流输电）将变得至关重要，但这些技术也需要大量的建设和维护，并且存在能量损耗。
4. 技术成熟度和成本： 虽然可再生能源技术在不断进步，但要完全替代化石燃料以支撑一个高密度工业化社会，还有很多技术挑战需要克服，例如长周期储能、高强度工业加热的解决方案等。同时，建设和维护一个完全由可再生能源驱动的工业基础设施的成本将是天文数字。
5. 材料循环与可持续性： 工业化社会需要大量的材料。在没有化石燃料的情况下，许多合成材料的生产将受到影响。即使是可再生能源设备，其制造过程和报废后的处理也需要考虑能源消耗和资源回收。一个真正的“无化石能源”社会，必然是一个高度循环利用的社会。
估算人口密度规模：一个模糊的边界
要给出一个具体的人口密度数字，是极其困难的，因为它取决于太多变量：
能源效率： 社会在多大程度上能够提高能源利用效率？如果每个人的平均能源消耗都很低，那么支撑的人口密度自然可以更高。
可再生能源技术的普及程度和效率： 例如，如果能够实现高效的聚变能（虽然这是核能，但不是化石能源），那么能源的限制会大大放宽。如果储能技术非常先进且成本低廉，那么应对波动性的能力会更强。
生活方式和消费模式： 人们是否愿意接受一种更简约的生活方式？例如，减少不必要的出行、消费更少的高能耗产品。
技术创新： 是否有颠覆性的技术出现，能够以极低的能源消耗来满足工业化社会的生产和生活需求？
一个基于推测的思考：
我们可以尝试从“单位面积土地能产出多少可再生能源”来反推。
太阳能： 一个典型的太阳能电池板，其发电效率在15%22%之间（考虑实际运行中的效率衰减等因素，我们保守估计为10%）。假设年日照时数在2000小时以上（很多高人口密度地区可能不一定是最好的日照地区），一个平方米的太阳能板每年大约能产生约200千瓦时（kWh）的电力。
风能： 风力发电的能量密度更高，但受地理位置和风速影响很大。在风力资源良好的地区，每平方米的年发电量可能远高于太阳能。
其他能源： 水电、地热能等则受地理限制，难以普遍应用于所有高密度地区。
如果我们假设一个工业化社会，即使效率很高，平均每人每年的总能源消耗在500010000 kWh（这是一个相对保守的估算，考虑到交通、工业、住宅等），那么要支撑每平方公里的人口密度，我们需要计算每平方公里能产出多少可再生能源。
假设我们完全依赖太阳能，平均每人需要约50100平方米的土地来安装太阳能电池板才能满足其年能源需求。如果考虑到储存、输电损耗、以及其他能源需求的非电力部分（如氢气生产），这个数字可能还会翻倍。
那么，如果一个人需要至少50200平方米的土地来提供其能源，这意味着每平方公里的土地最多只能支撑 5000 到 20000 人 的 能源需求。
然而，这只是能源生产所需的土地。一个工业化人口密集的地区，还需要土地用于居住、交通、食品生产、工业生产设施、绿地、水利等。这意味着真正能够容纳工业化人口的密度，将远远低于仅考虑能源生产的理论上限。
可能的推测数字范围：
相对较低但仍是工业化的密度： 也许在 几千人/平方公里。在这种情况下，能源供应的压力相对较小，可以有更多的土地用于其他用途，或者依赖于混合能源解决方案（如生物质能、区域性水力等）。
中等工业化密度： 在 1000030000 人/平方公里 的范围内，能源系统的压力会显著增加。需要大规模的可再生能源部署、高效的储能技术和精密的能源管理系统。城市规划需要高度优化能源的使用。
非常高密度（类似今天的亚洲大都市区）的 50000 人/平方公里以上： 在完全没有化石能源的情况下，要支撑这样的密度将是极其困难的，甚至可能是不可能的，除非有颠覆性的技术突破，比如近乎无限的能源获取或极低的能源消耗。现有的能源密度、储存能力和材料供应，很难满足如此高密度下持续的工业化生产和生活需求。
结论：一个更加分散和高效的模式
总而言之，一个完全没有化石能源的工业化人口密度，很可能低于我们今天一些超级大都市的极端密度。支撑这种模式的社会，可能需要：
高度分散的能源生产： 建筑物屋顶、外墙、道路旁的太阳能，以及遍布各地的风力发电机。
强大的区域性能源网络： 整合不同类型的可再生能源和大规模储能系统。
极高的能源效率： 在建筑、交通、工业等所有环节都要做到极致的节能。
对资源的高度依赖和循环： 严格的回收利用政策，最大化每一种资源的价值。
可能的生活方式调整： 相较于当前依赖化石燃料的便捷生活，可能会有更多对能源消耗的考量。
设想一下，一个没有化石燃料的工业化社会，更可能是一种分布更广、更加依赖本地资源、能源利用效率极高，并且在规划上充分考虑能源生产与消费关系的模式。我们或许能支撑起数千到一两万人的高密度区域，但要达到今日许多亚洲超级都市的人口密度，将是对所有现有技术和资源的极限挑战。这并非意味着不可能，而是需要我们前所未有地依赖技术创新、精细管理和集体智慧。
生存的基本需求与能源的关联
首先，我们要理解工业化人口密度意味着什么。这不仅仅是 사람들이聚集在一起，而是指社会高度组织化，有大量的制造业、交通运输、城市基础设施、农业生产（即使是现代化农业也需要能源驱动），以及满足人民生活品质所需的各种服务。所有这些活动，都与能源消耗密不可分。
食物生产： 即使是“无化石能源”的农业，现代农业也高度依赖能源。化肥生产（例如合成氨）、农用机械（拖拉机、收割机等）的动力、灌溉系统、食品加工和冷藏，都需要大量能源。如果完全摆脱化石燃料，那么这些环节必须完全由可再生能源来驱动。例如，农用机械可能需要电力驱动，这需要充电基础设施，或者使用生物燃料。化肥生产可能需要氢能作为原料，而氢能的生产又依赖于水电或风电等。
交通运输： 现代社会的高密度人口意味着高度的流动性。人们需要通勤，货物需要从生产地运往消费地。如果没有化石燃料，那么电动汽车、氢燃料电池汽车、电动火车、电动船舶，甚至可能是电动飞机，将是唯一的选择。这不仅要求能源供应的普遍性和可靠性，还需要大规模的充电或加氢基础设施，以及能够支持这些交通方式的城市规划和物流系统。
工业制造： 钢铁、水泥、塑料（虽然很多会寻找替代材料）、电子产品、纺织品等等，这些工业品的生产过程往往是能源密集型的。加热、冷却、驱动机械、化学反应，都需要大量的能源。在没有化石燃料的情况下，这些都需要寻找可再生能源的解决方案。例如，高温冶炼可能需要使用电弧炉，依赖于强大的电力供应；一些化学反应可能需要氢气或电力作为直接能源或还原剂。
建筑与居住： 高密度人口意味着高密度建筑。无论是供暖、制冷、照明，还是日常使用的各种电器，都需要能源。建筑材料的生产本身也消耗大量能源。环保的建筑设计、高效的隔热材料、智能的能源管理系统，将是关键。
可再生能源的极限与制约
要支撑一个工业化人口密度，所需的能源总量将是巨大的。问题在于，我们的可再生能源系统能否满足这个需求，以及是否存在一些固有的限制：
1. 能量密度和存储： 与化石燃料相比，许多可再生能源的能量密度较低。太阳能和风能的波动性是最大的挑战。要维持一个高密度工业化社会的稳定运行，必须有极其庞大和高效的能源存储系统（电池、抽水蓄能、氢能存储等）来弥补发电量的波动。这需要大量的土地、矿产资源（用于电池材料）和技术投入。
2. 土地和资源需求： 建造大规模的太阳能发电场、风力发电场、水电站，都需要大量的土地。如果人口密度很高，留给这些能源设施的土地可能会受到挤压。同时，制造这些能源设备（如太阳能电池板、风力涡轮机、电池）需要稀土、铜、锂等矿产资源。这些资源的开采和加工本身也需要能源，而且供应并非无限。
3. 地理限制： 并非所有地区都拥有足够丰富的太阳能、风能、水力或地热资源。高密度人口地区可能位于能源资源相对匮乏的区域，这就需要远距离的输电网络。高效、低损耗的输电技术（如超高压直流输电）将变得至关重要，但这些技术也需要大量的建设和维护，并且存在能量损耗。
4. 技术成熟度和成本： 虽然可再生能源技术在不断进步，但要完全替代化石燃料以支撑一个高密度工业化社会，还有很多技术挑战需要克服，例如长周期储能、高强度工业加热的解决方案等。同时，建设和维护一个完全由可再生能源驱动的工业基础设施的成本将是天文数字。
5. 材料循环与可持续性： 工业化社会需要大量的材料。在没有化石燃料的情况下，许多合成材料的生产将受到影响。即使是可再生能源设备，其制造过程和报废后的处理也需要考虑能源消耗和资源回收。一个真正的“无化石能源”社会，必然是一个高度循环利用的社会。
估算人口密度规模：一个模糊的边界
要给出一个具体的人口密度数字，是极其困难的，因为它取决于太多变量：
能源效率： 社会在多大程度上能够提高能源利用效率？如果每个人的平均能源消耗都很低，那么支撑的人口密度自然可以更高。
可再生能源技术的普及程度和效率： 例如，如果能够实现高效的聚变能（虽然这是核能，但不是化石能源），那么能源的限制会大大放宽。如果储能技术非常先进且成本低廉，那么应对波动性的能力会更强。
生活方式和消费模式： 人们是否愿意接受一种更简约的生活方式？例如，减少不必要的出行、消费更少的高能耗产品。
技术创新： 是否有颠覆性的技术出现，能够以极低的能源消耗来满足工业化社会的生产和生活需求？
一个基于推测的思考：
我们可以尝试从“单位面积土地能产出多少可再生能源”来反推。
太阳能： 一个典型的太阳能电池板，其发电效率在15%22%之间（考虑实际运行中的效率衰减等因素，我们保守估计为10%）。假设年日照时数在2000小时以上（很多高人口密度地区可能不一定是最好的日照地区），一个平方米的太阳能板每年大约能产生约200千瓦时（kWh）的电力。
风能： 风力发电的能量密度更高，但受地理位置和风速影响很大。在风力资源良好的地区，每平方米的年发电量可能远高于太阳能。
其他能源： 水电、地热能等则受地理限制，难以普遍应用于所有高密度地区。
如果我们假设一个工业化社会，即使效率很高，平均每人每年的总能源消耗在500010000 kWh（这是一个相对保守的估算，考虑到交通、工业、住宅等），那么要支撑每平方公里的人口密度，我们需要计算每平方公里能产出多少可再生能源。
假设我们完全依赖太阳能，平均每人需要约50100平方米的土地来安装太阳能电池板才能满足其年能源需求。如果考虑到储存、输电损耗、以及其他能源需求的非电力部分（如氢气生产），这个数字可能还会翻倍。
那么，如果一个人需要至少50200平方米的土地来提供其能源，这意味着每平方公里的土地最多只能支撑 5000 到 20000 人 的 能源需求。
然而，这只是能源生产所需的土地。一个工业化人口密集的地区，还需要土地用于居住、交通、食品生产、工业生产设施、绿地、水利等。这意味着真正能够容纳工业化人口的密度，将远远低于仅考虑能源生产的理论上限。
可能的推测数字范围：
相对较低但仍是工业化的密度： 也许在 几千人/平方公里。在这种情况下，能源供应的压力相对较小，可以有更多的土地用于其他用途，或者依赖于混合能源解决方案（如生物质能、区域性水力等）。
中等工业化密度： 在 1000030000 人/平方公里 的范围内，能源系统的压力会显著增加。需要大规模的可再生能源部署、高效的储能技术和精密的能源管理系统。城市规划需要高度优化能源的使用。
非常高密度（类似今天的亚洲大都市区）的 50000 人/平方公里以上： 在完全没有化石能源的情况下，要支撑这样的密度将是极其困难的，甚至可能是不可能的，除非有颠覆性的技术突破，比如近乎无限的能源获取或极低的能源消耗。现有的能源密度、储存能力和材料供应，很难满足如此高密度下持续的工业化生产和生活需求。
结论：一个更加分散和高效的模式
总而言之，一个完全没有化石能源的工业化人口密度，很可能低于我们今天一些超级大都市的极端密度。支撑这种模式的社会，可能需要：
高度分散的能源生产： 建筑物屋顶、外墙、道路旁的太阳能，以及遍布各地的风力发电机。
强大的区域性能源网络： 整合不同类型的可再生能源和大规模储能系统。
极高的能源效率： 在建筑、交通、工业等所有环节都要做到极致的节能。
对资源的高度依赖和循环： 严格的回收利用政策，最大化每一种资源的价值。
可能的生活方式调整： 相较于当前依赖化石燃料的便捷生活，可能会有更多对能源消耗的考量。
设想一下，一个没有化石燃料的工业化社会，更可能是一种分布更广、更加依赖本地资源、能源利用效率极高，并且在规划上充分考虑能源生产与消费关系的模式。我们或许能支撑起数千到一两万人的高密度区域，但要达到今日许多亚洲超级都市的人口密度，将是对所有现有技术和资源的极限挑战。这并非意味着不可能，而是需要我们前所未有地依赖技术创新、精细管理和集体智慧。
网友意见
喜欢“蒸汽朋克”的话，你可以稍微想一下现实中十七到十九世纪的人们用鲸油制造灯油、润滑油、油漆、清漆、肥皂、蜡烛、取暖燃料的事。世界上第一个能源卡特尔可不是什么化石燃料行业的东西，而是鲸蜡蜡烛商联合公司（通称“鲸脑油托拉斯”）。
泛植物的光合色素体很可能追溯到内共生蓝菌，“植物光合作用利用率相比地球提升了几倍”意味着蓝菌光合能力提升了几倍，在类似地球的天体上会产生巨大的氧释放量和海洋光合生产量。如果你想要那里有呈现类似地球人的形态结构的“人”去搞工业化，那个世界的海洋动物生物量不得不突破天际来消耗氧和光合浮游生物，那么“木材、甘蔗等草本植物、大型海洋滤食动物的油脂”完全可以代替化石燃料，从轮番砍伐自然林、捕猎陆地食草动物、建造风帆捕鲸船和拖网渔船开始积累。
- 实际上，冰岛现在的捕鲸船仍可用鲸的油脂作为燃料。
- 现实中，海洋哺乳类体内肥厚的脂肪带来的浮力有时会影响其下潜，海牛等动物因此对脂肪的量有一定限制。在你倍增过的世界，大概有许多海洋生物会主动排出多余油脂，以至于人不一定需要捕捞它们就能获得大量油脂供应。
- 在陆地上，你可以将大型食草动物的畜力与蒸汽机合并使用。
“没有化肥，农业亩产就要低到一定程度”是误解，题目设定的粮食产量的误解程度还很深。
- 现实中，元代潮汕地区水稻单产平均为377斤每亩，明嘉靖至清乾隆二十年为406斤每亩，清乾隆二十二年至清末为606斤每亩；清代珠江三角洲双季稻单产一般为420斤每亩，韩江三角洲为500斤每亩。你把这个再翻几倍看看。
- 没有化肥，甘蔗的亩产也是论吨的，在你这个世界上甘蔗的生产能力还要加几倍。榨过糖的甘蔗渣是简单易用的燃料。
- 几倍光合利用率下的植物的生产能力和食草动物粪便的肥力跟现实中的东西是两个概念。
- 现实中的牛粪、马粪可以做为日常生活燃料，在你倍增过的世界上，粪便的量可以想象地多，作为肥料用不完的部分不拿来烧的话大概也没那么多地方堆着。
现实中，21世纪初人类文明的总功率约2E13瓦，全球光合作用总功率约4E13瓦~1.3E14瓦，半数以上在海洋。你将后者乘倍数的时候，要乘的不止是你要给光合作用增效的倍数：加倍的光合生产能力意味着光合生物在单位时间内可增殖到的生物量也会加倍，这加倍的生物量又带来更加加倍的光合生产能力。你还可以忽略现实中对工业化缺乏贡献的大片人口。那么，人类完全可能维持现在的人口密度或曰规模，并做到题目里认为做不到的那些事情。
不过，如果你要在蒸汽朋克的世界里使用家电，你不觉得那会导致电气化、风电·水电·太阳能发电入场么。
现实中，人类也是在大量燃烧木头的。一些美国环保人士怒斥欧洲的所谓“生态友好型经济”依赖燃烧从美国进口的木材，“燃烧木头给他们提供的发电量多于风能与太阳能的总和”。他们说，燃烧生物质排放的碳多于燃烧同等产热量的煤炭，而且太阳能电池板的发电量，约为燃烧同面积生物质能源的发电量的100倍。如果要让生物质多负担2%的全球能源供应量，全球木材砍伐量就要翻倍。
美国东南部的木材产量占世界的六分之一。美国南方目前有23家大型木材颗粒加工厂，砍伐的森林被粉碎成木屑、压成胶囊大小的颗粒、装船运往欧洲——看起来，在各种虚构概念的包装下，北美在做很传统的事情。
美国国会的预算法案认为，只要美国的森林资源总量稳定或还在增加，美国生物质能源产业带来的净排放量就不会超过零。为此，他们大面积种植速生林，并比造纸行业更快地轮番砍伐。从2007年到2017年，美国的森林覆盖率实际上增加了约百分之二。
鲸的产品不止有油脂，鲸肉可以吃，鲸皮可以制成皮革、衣物，鲸须、鲸骨可以制成日用品，一些北极居民用鲸骨搭建房屋。不必抱着“人类的生物量靠人类的农业养活”的刻板印象，第二次世界大战结束后，日本有一段时期靠鲸肉提供了国民动物蛋白质需求量的47%~70%——况且，在你这个世界里，鱼、海洋节肢动物、软体动物和贝类的产量也会高得吓人的。
现实中，人类的捕鲸活动严重地打击了鲸的生物量，但这并不是因为“人对用鲸油作为燃料的需求持续走高”。石油有效地取代了鲸油的燃料地位，但拥有了石油的人们在十九世纪末到二十世纪无节制地杀戮鲸类。这在一定程度上是因为那时人们对世界的了解太浅、做很多事缺乏规划，另一部分原因是苏联曾经用简单粗暴的计划鼓励捕鲸[1]。在工业党的世界里，这种半失控问题往往并不存在。
在这样的世界上没有形成化石燃料倒是很容易理解，看看热带雨林那土壤的薄弱程度就知道了：
生物量流转得太快了。
不过，在你这个世界的历史上，被地质灾害埋起来的生物量需要在地下配置的分解者，来将其统统周转上来。
参考
- ^ 仅在1959~1960年就消灭了超过13000头座头鲸。从1964年到1973年，苏联取得了世界最大的鲸捕获量
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